Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Архитектура и схемотехника управляемых усилителей и смесителей сигналов

Прокопенко Н Н, Будяков П С,

ПРЕДИСЛОВИЕ

Постоянное повышение требований к качеству и надежности радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) определяет необходимость применения комплекса мер по обеспечению высокого качества и надежности изделий микроэлектронной техники, составляющих основу элементной базы современной РЭА: полупроводниковых приборов и интегральных схем (ИС).

Создание перспективной радиоэлектронной аппаратуры 4-го и 5-го поколений базируется главным образом на достижениях твердотельной СВЧ-техники, которая в последнее десятилетие прогрессирует чрезвычайно бурно, не только благодаря совершенствованию существующих технологий, но и в направлении создания новых материалов и приборных структур [1, 2]. Кроме традиционных технологий на основе кремния, кремний-германия и арсенида галлия, интенсивно развиваются и уже созданы промышленные технологии производства
СВЧ-приборов и микросхем на основе широкозонных полупроводниковых соединений нитрида галлия, карбида кремния, фосфида индия и др.

Сегодня область массового коммерческого применения СВЧ-компонентов охватывает системы сотовой связи; системы сотового телевидения; беспроводные локальные, региональные и персональные сети передачи информации; системы спутниковой связи и вещания; системы высокоскоростной оптоволоконной связи; цифровое радиовещание; системы кабельного телевидения; автомобильные радары и многое другое, большой рынок СВЧ изделий представляют системы военного назначения и импортозамещение. В России потребительский рынок пока в основном занят иностранными компаниями, а рынок военного назначения – российскими.

В приемопередатчиках систем связи и телекоммуникаций одним из важнейших узлов является смеситель, от качества его проектирования может сильно зависеть эффективность и производительность системы. В передатчике смеситель применяется для преобразования сигнала промежуточной частоты (ПЧ) вверх на частоту радиочастотного (РЧ)
сигнала с последующим усилением в усилителе мощности (УМ) и передачей в антенну. В этом случае для смесителя наиболее важными являются такие параметры как выходная мощность и линейность. В приемниках смеситель преобразовывает высокочастотный радиочастотный (РЧ) сигнал в сигнал промежуточной частоты (ПЧ), тогда важными параметрами смесителя являются коэффициент шума, коэффициент преобразования и его чувствительность. Так же общими для смесителей важными параметрами являются потребляемый ток, межпортовая изоляция, интермодуляционные искажения и занимаемая площадь на кристалле.

Количество компаний в мире, производящих эти устройства – несколько тысяч, а объёмы продаж СВЧ-продукции составляют сотни млрд. долларов.

В России в области разработки и производства радиотехнических ВЧ и СВЧ микросхем и электронных компонентов в течение длительного времени сохранялся застой на уровне, достигнутом в СССР в конце 80-х годов.

Однако с принятием ФЦП «Национальная технологическая база» и «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на 2008-2015 годы ситуация начинает существенно улучшаться, к тому же сверхвысокочастотная электроника отнесена к числу приоритетных направлений развития отечественной ЭКБ.

В соответствии с ФЦП в рамках этого направления реализуются мероприятия по разработке базовых технологий производства полупроводниковых приборов и монолитных СВЧ микросхем на основе гетероструктур «кремний-германий», материалов А3В5, нитридных гетероэпитаксиальных структур, широкозонных полупроводниковых соединений, наногетероструктур с квантовыми эффектами.

С целью создания современных производственно-технологических комплексов по разработке и выпуску ВЧ и СВЧ-полупроводниковых приборов, монолитных ИС (МИС), субмодулей и модулей, на ряде ведущих отечественных и зарубежных предприятий проводится реконструкция и техническое перевооружение производства СВЧ-техники. Разработаны комплекты арсенид-галлиевых СВЧ монолитных микросхем и компонентов для радиоприемных модулей различного назначения, в том числе в радиационно-стойком варианте.

Развернуты работы по разработке кремний-германиевых СВЧ и УВЧ до 10 ГГц АФАР, конвертеров и синтезаторов для радиолокационных систем и спутниковой связи, и в связи с этим монолитных микросхем: усилителей, смесителей, ГУН, синтезаторов, аттенюаторов, фазовращателей, модуляторов и демодуляторов, ИС приёмных трактов и др. [3].

В рамках Федеральной целевой программы «Национальная технологическая база» ОАО «Микрон» приобрело технологическое оборудование для модернизации 0,25 мкм КМОП технологии (SGB25VD), способное в рамках единого цикла изготовить гетеропереходы. Это позволяет реализовать субмикронные транзисторы Х диапазона, а также использовать экономичные режимы для ВЧ и СВЧ микросхем (ИС) относительно высокого уровня интеграции [3]. Предварительные результаты показывают, что для многих практических задач можно отказаться от дорогостоящих арсенид – галлиевых элементов, повысить уровень системной интеграции и, следовательно, существенно расширить область практического использования сложных функциональных блоков (СФ блоков) и систем на кристалле (СнК). Предполагается, что на базе указанной технологии можно будет осуществить выпуск полностью отечественных ИС СВЧ диапазона в интересах государственных ведомств РФ, конечную радиоэлектронную аппаратуру (РЭА) для которых выпускают концерны «Алмаз-Антей», «Вега», «Созвездие», «Тактическое ракетное вооружение», являющиеся крупными потребителями этих ИС и СФ блоков [4].

В современных системах связи наибольшее применение нашли активные смесители частоты, благодаря меньшим требованиям к мощности гетеродина и положительному коэффициенту преобразования входного сигнала. В то время как пассивные СВЧ-смесители занимают большую площадь на кристалле, вносят затухания и требуют большую по сравнению с активными смесителями мощность гетеродина. Основным типом смесителя как одного из важнейших нелинейных узлов РЭА являются полностью дифференциальные структуры по схеме Гильберта, обеспечивающие усиление 10-20 дБ и подавление сигнала гетеродина на входе и выходе смесителя до -80...-100 дБ. В работах [5-6] показано, что использование новых архитектур позволяет повысить качественные характеристики смесителей. Одним из основных направлений развития теории и практики радиоприемных устройств нового поколения является разработка многофункциональных приемников, предназначенных для работы в нескольких частотных диапазонах и с несколькими стандартами [7]. Так, в [7-9] рассматриваются универсальные приемники WLAN стандартов IEEE 802.11a, b, g, n в диапазонах частот 2,4 и 5 ГГц. Актуальными остаются задачи снижения мощности смесителей и в целом приемопередатчика, уменьшения коэффициента шума, повышения чувствительности.

В главе 1 рассматриваются базовые структуры аналоговых смесителей с малым напряжением питания (±1,5...2 В), свойственные для современных SiGe технологий, на основе двух несимметричных дифференциальных каскадов с однофазным управлением по каналу Y, а также показана база схем со способами смещения нуля характеристики управления. Проведенное компьютерное моделирование показало, что положительный коэффициент усиления таких схем изменяется при напряжении управления от -50  до 70 мВ. Представлены схемы АПН на основе четырех дифференциальных каскадов с противофазным и однофазным управлением по каналу Y, причем входные сигналы X и Y, можно подавать от общей шины источника питания при использовании двухполярного питания.

Так же рассмотрены схемы на основе модифицированной ячейки Гильберта с повышенной симметрией каналов передачи напряжения ux, что позволяет расширить полосу пропускания АПН и уменьшить погрешность перемножения и смесители сигналов в базисе элементов BiFET-технологий.

Во второй главе приводятся схемотехнические методы, обеспечивающие уменьшение влияние емкостей на подложку источников опорного тока и транзисторов, емкостей коллектор-база в классических управляемых усилителях (УУ), входных логарифматорах аналоговых перемножителей, смесителях и других нелинейных функциональных узлах систем связи, результаты исследований смесителей с расширенным диапазоном рабочих частот.

Третья глава посвящена разработке смесители с обратной связью по синфазному сигналу. Рассматривается обеспечение в АСС малых значений постоянной составляющей выходного синфазного напряжения и его высокой стабильности при температурных и иных внешних воздействиях. Обсуждается реализация аналоговых перемножителей напряжения с модифицированным (в сравнении с классическим АПН на ячейке Джильберта) алгоритмом управления эмиттерными токами входных транзисторов.

В четвертой главе приводятся результаты исследований смесителей с однофазным управлением по каналу «Y», реализующиеся на транзисторах SiGe техпроцесса с малым напряжением питания и обеспечивающие высокую линейность перемножения.

В пятой главе рассматриваются способы повышения коэффициента усиления по напряжению смесителей на основе ячейки Гильберта, не повышая при этом напряжение питания и сопротивление резисторов нагрузки.

Шестая глава посвящена методам построения аналоговых перемножителей напряжения (АПН) с RC-связью. Применение таких методов позволяет согласовать входы АПН с источниками сигнала и подавать
сигналы без дополнительного смещения потенциала, а так же в некоторых случаях понизить уровень нежелательных гармоник.

В седьмой главе приведены архитектуры управляемых усилителей, на основе которых могут быть реализованы аналоговые смесители и перемножители сигналов.

В восьмой главе рассматриваются особенности архитектур аналоговых перемножителей с малым напряжением питания на основе SiGe технологий и предложения по расширения динамического диапазона.

Девятая глава посвящена методам построения АПН на базе дифференциальных каскадов с управляемой глубиной местной отрицательной обратной связи и формировании условий для электронного управления коэффициентом усиления по напряжению.

В десятой главе обсуждается схемотехника аналоговых перемножителей сигналов двухполюсных сенсоров неэлектрических величин (фотодатчик, магниторезистор, тензодиод, датчик давления и т.п.), обеспечивающих четырехквадрантное перемножение.

В одиннадцатой главе приведены архитектуры АПН на базе комплементарных дифференциальных каскадов, в которых сигнал управления uy и входной сигнал ux подаются на соответствующие входы относительно общей шины без разделительных конденсаторов и синфазным построением цепи управления коэффициентом усиления.

Двенадцатая глава посвящена схемотехнике аналоговых перемножители сигналов на базе каскодных усилителей, которые благодаря слабой внутренней обратной связи относятся к числу наиболее высокочастотных. Рассматриваются варианты построения выходных составных транзисторов, приведены результаты моделирования.

В тринадцатой главе проводится сравнение параметров низковольтного аналогового СВЧ-смесителя на основе токовых зеркал и классической ячейки Гильберта с помощью САПР Cadenceна моделях SiGe технологического процесса. Предлагаемая схема АПН по результатым оказалась работоспособна при напряжение питания (±1,5 В), по сравнению с ±5В у ячейки Гильберта, так как не содержит многоярусной архитектуры.

В четырнадцатой главе обсуждаются архитектуры аналоговых квадраторов (АК) на основе дифференциальных каскадов с нелинейной коррекцией проходной характеристики. Данная концепция построения АК позволяет реализовать широкую гамму данных устройств с набором различных свойств по усилению, энергопотреблению, подавлению нежелательных спектральных составляющих, требованиями к симметрии входных сигналов и входным фазорасщепителям.