Автоматизированный синтез схем и топологий малошумящих СВЧ транзисторных усилителей на основе генетического алгоритма и параметрических моделей элементов в виде S-параметров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат наук Жабин Дмитрий Александрович

• Жабин Дмитрий Александрович
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Жабин Дмитрий Александрович

ВВЕДЕНИЕ

1 Способы построения, методы автоматизированного проектирования малошумящих СВЧ транзисторных усилителей и согласующе-корректирующих цепей

1. 1 Способы построения и характеристики малошумящих СВЧ транзисторных усилителей

1.2 Традиционные методы проектирования широкополосных реактивных согласующе-корректирующих цепей

1.3 Методы проектирования СВЧ транзисторных усилителей

1.4 Методы проектирования СВЧ устройств с использованием моделей реальных элементов

1.4.1 Модели элементов ГИС и МИС

1.4.2 Методы проектирования пассивных и активных СВЧ схем с использованием моделей реальных элементов

1.5 Методы синтеза принципиальных схем и топологий аналоговых РЭУ на основе генетических алгоритмов

1.6 Декомпозиционный метод синтеза СВЧ полупроводниковых устройств

1. 7 Основные задачи

2 Автоматизированный синтез схем и топологий малошумящих СВЧ транзисторных усилителей и согласующе-корректирующих цепей

2.1 Методика автоматизированного синтеза принципиальных схем СВЧ транзисторных усилителей на основе ГА с использованием параметрических Б-моделей реальных компонентов

2.1.1 Выбор типов моделей пассивных элементов

2.1.2 Описание методики синтеза принципиальных схем СВЧ-усилителей на основе ГА с использованием параметрических Б-моделей

2.1.3 Пример: синтез МШУ диапазона 1-2 ГГц с использованием моделей реальных пассивных элементов

2.2 Методика автоматизированного синтеза топологии СВЧ транзисторных усилителей

2.2.1 Пример: синтез топологии МИС МШУ диапазона 36 -40 ГГц на основе 0,15 мкм GaAs pHEMT-технологии

2.3 Методика автоматизированного синтеза согласующе-корректирующих цепей по областям допустимых значений иммитанса

2.3.1 Пример: синтез цепи для согласования ^¿С-нагрузки

2.3.2 Пример: синтез цепи для согласования двух комплексных импедансов

2.4 Методика декомпозиционного проектирования СВЧ ТУ на основе сочетания «визуальных» процедур и ГА

2.5 Основные результаты исследования

3 Автоматизированный синтез, разработка и экспериментальное исследование малошумящих СВЧ транзисторных усилителей

3.1 Программа gMatch v2 для синтеза согласующих цепей по ОДЗ иммитанса

3.2 Автоматизированное проектирование двухкаскадного малошумящего усилителя диапазона 0,9-2,1 ГГц с использованием программы gMatch

3.3 Построение программной среды для автоматизированного синтеза принципиальных схем и топологий СВЧ транзисторных усилителей

3.4 Программа Geneamp v2 для автоматизированного синтеза принципиальных схем и топологий линейных малошумящих СВЧ транзисторных усилителей

3.5 Разработка и экспериментальное исследование МШУ диапазона 1 -2 ГГц на основе технологии печатного монтажа

3.6 Автоматизированное проектирование и экспериментальное исследование МИС БЮе БиКМОП буферного усилителя диапазона 1 -5 ГГц

3.7 Автоматизированное проектирование и экспериментальное исследование МИС БЮе БиКМОП дифференциального буферного усилителя диапазона 1,5-5 ГГц

3.8 Выводы

Заключение

Список сокращений

Список литературы

Приложение А. Документы об использовании и внедрении, свидетельства

о регистрации РИД

Приложение Б. Описание пользовательского интерфейса программы

Приложение В. Описание пользовательского интерфейса программы

Оепеашр

Приложение Г. Автоматизированное проектирование двухкаскадного малошумящего усилителя диапазона 15-30 ГГц

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизированный синтез схем и топологий малошумящих СВЧ транзисторных усилителей на основе генетического алгоритма и параметрических моделей элементов в виде S-параметров»

Актуальность работы

Одним из основных направлений развития современных радиоэлектронных систем (РЭС) является все более широкое освоение СВЧ-диапазона, ведущее к повышению их качественных характеристик (емкости каналов, скорости беспроводной передачи данных и т. д.). Основными потребителями СВЧ-устройств и систем на их основе являются высокоскоростные (в перспективе > 100 Гбит/с) системы передачи данных, системы космической, спутниковой и мобильной связи, радиолокационные и радионавигационные системы и т. д. Ключевым составляющим элементом этих систем, во многом определяющих их чувствительность, дальность действия и другие качественные характеристики, являются СВЧ транзисторные усилители (ТУ). Они могут изготавливаться по различным технологиям: на основе печатного монтажа (ПМ), в виде гибридных (ГИС) и монолитных интегральных схем (МИС). Однако особенностью современного этапа развития РЭС является широкое внедрение именно СВЧ МИС, ведущее к появлению качественно новых систем. Это связано с тем, что использование СВЧ МИС позволяет значительно улучшить основные технические параметры РЭС, кардинально снизить габариты аппаратуры, повысить надежность, уменьшить себестоимость изготовления в серийном производстве.

В связи с переходом РЭС на современную элементную базу (МИС) и освоением все более высокочастотных диапазонов в мире резко возросло количество разрабатываемых СВЧ полупроводниковых устройств (ППУ), в частности СВЧ ТУ. Однако это вошло в противоречие с высокой трудоемкостью и стоимостью проектирования СВЧ ТУ. В частности, важнейшей проблемой является разработка принципиальной схемы и топологии СВЧ ТУ применительно к выбранной технологии изготовления. Данный этап требует значительных затрат времени и труда разработчика и во многом определяет качественные характеристики устройств. В то же время этот этап наименее формализован и автоматизирован. В настоящее время отсутствуют практически эффективные

систематические подходы и программы, позволяющие выполнить одновременно структурный (схемный) и топологический синтез СВЧ ППУ с учетом требований к комплексу характеристик, а также точных моделей элементов.

Современные программные системы автоматизированного проектирования (САПР) СВЧ ППУ, как правило, позволяют осуществить только моделирование (расчет характеристик устройства при заданной принципиальной схеме и значениях элементов) и не предоставляют инструментов для автоматизированного синтеза, ограничиваясь лишь средствами оптимизации. Как правило, выбор самой схемы и топологии СВЧ ППУ осуществляется на основе эвристических подходов с использованием опыта разработчика, упрощенных инженерных методик, многократного моделирования и оптимизации различных вариантов полученных решений, а также методом проб и ошибок. Указанный подход является трудоемким, нецеленаправленным и не гарантирует получения результата.

Таким образом, разработка методов и программного обеспечения для автоматизации проектирования СВЧ ППУ и, в частности, СВЧ ТУ является актуальной задачей.

К традиционным методам проектирования (синтеза) схем СВЧ ТУ относятся графоаналитические методики [59, 61, 81, 97], аналитические методы на основе представления активных элементов (АЭ) эквивалентными схемами (ЭС) [44, 75, 124, 125]; методы «реальной частоты» [58, 59], численные методы, основанные на случайном переборе решений [5, 24] и др. Однако все они трудоемки и обладают другими значительными недостатками. В частности, с помощью графоаналитических методик сложно рассчитать широкополосные СВЧ ТУ. Аналитические методы используют упрощенные модели АЭ, что снижает точность синтеза. Оба эти подхода не позволяют учитывать ограничения на комплекс характеристик устройства при синтезе. Методы «реальной частоты» используют процедуры нелинейного программирования, при этом успех решения сильно зависит от начального приближения. Применение метода случайного перебора может привести к получению нереализуемых схем ТУ с большим количеством элементов и т. д. Общим очень существенным недостатком приведенных методов

является использование моделей идеальных резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, линий передач (ЛП), которые не учитывают паразитные параметры реальных пассивных элементов.

Для устранения последнего недостатка был предложен ряд методов синтеза согласующе-корректирующих цепей (СКЦ) СВЧ ТУ, основанных на использовании моделей пассивных элементов в виде ЭС [4, 21, 39, 63, 127]. Однако и данная разновидность методов обладает недостатками, свойственными традиционным методам синтеза.

Для повышения эффективности автоматизации проектирования СВЧ ТУ перспективным подходом является использование генетических алгоритмов (ГА). ГА - это класс алгоритмов, имитирующих процессы в живой природе (естественный отбор, наследование, мутация). На основе ГА были разработаны методики и программы синтеза [6, 26, 27, 33, 64, 67, 90, 101]. Они были успешно применены для автоматизации синтеза принципиальных схем СВЧ ТУ.

Однако разработанные подходы для синтеза СВЧ ТУ на базе ГА так же, как и традиционные методы синтеза, используют идеализированные модели пассивных элементов. Поэтому на практике требуется замена идеализированных моделей моделями реальных элементов, что приводит к изменениям характеристик СВЧ ТУ, требует дополнительно применять оптимизационные алгоритмы, а в некоторых случаях производить синтез заново. Таким образом данный процесс является многоитерационным и трудоемким. Наиболее распространены модели реальных элементов в виде ЭС (ЭС-модели) и параметрических табличных моделей (^-модели), содержащих ^-параметры на дискретных частотах. К недостаткам ЭС-моделей можно отнести трудоемкость их построения, в то же время ^-модели могут быть получены непосредственно путем измерений, а также предоставляются производителями БМВ-компонентов.

Общая задача автоматизации проектирования топологии аналоговых схем давно исследуется [3, 12, 53 и др.] и, как правило, сводится к задаче размещения элементов и трассировки уже спроектированной схемы устройства. Однако синтез топологии СВЧ-устройств на основе ПМ, ГИС и МИС является гораздо более

трудной задачей. Здесь необходимо принимать во внимание связь между принципиальной схемой и топологией устройств в СВЧ-диапазоне, а также учитывать характеристики соединения элементов, добавляемых на этапе построения топологии: неоднородностей ЛП, сквозных отверстий, контактных площадок и др. В связи с отсутствием методов автоматизированного синтеза топологий СВЧ ТУ указанный процесс осуществляется на основе эвристического подхода с использованием опыта разработчика и является весьма трудоемким. Для автоматизации решения этой задачи целесообразно применять ГА.

Следует отметить, что при синтезе многокаскадных СВЧ ТУ (при числе каскадов > 3) подход на основе ГА имеет ряд недостатков [98]:

1) Замедляется проектирование СВЧ ТУ из-за увеличения поискового пространство алгоритма и объема вычислительных затрат.

2) Уменьшается вероятность получения оптимального решения из-за большого числа переменных во время синтеза.

В таком случае целесообразным является применение декомпозиционного метода синтеза (ДМС) [74, 80, 123], который позволяет свести задачу проектирования многокаскадных усилителей к задаче проектирования отдельных усилительных каскадов, а также отдельных согласующих и корректирующих цепей. Вначале для каждого активного блока (АБ) определяются области допустимых значений (ОДЗ) иммитанса, затем по этим ОДЗ происходит синтез СКЦ.

Однако в настоящее время ДМС имеет существенное ограничение, связанное с использованием интерактивных «визуальных» методик синтеза [114-116] пассивных цепей по ОДЗ иммитанса, которые являются трудоемкими и не позволяют автоматизировать процесс синтеза. Для автоматизации задачи синтеза пассивных СКЦ по ОДЗ иммитанса целесообразно использовать ГА.

На основе вышеизложенного можно сформулировать цель и основные задачи исследования.

Цель работы

Разработка методик, алгоритмов и программного обеспечения, основанных на генетическом алгоритме и его сочетании с интерактивными «визуальными» процедурами, которые обеспечивают автоматизированный структурно -параметрический синтез принципиальных схем и топологий малошумящих СВЧ транзисторных усилителей; разработка и экспериментальное исследование СВЧ-усилителей на основе технологий монолитных интегральных схем и печатного монтажа.

Цель достигается решением следующих основных задач:

1) Разработка методики структурно-параметрического синтеза линейных и малошумящих СВЧ ТУ на основе ГА с применением моделей реальных пассивных элементов, обеспечивающей также возможность автоматического выбора типов (размеров) и рабочих точек активных элементов для достижения оптимальных характеристик. Модификация программы синтеза СВЧ ТУ для реализации этой методики.

2) Разработка методики автоматизированного синтеза топологий СВЧ ТУ на основе ГА.

3) Разработка интегрированной программной среды для автоматизированного синтеза принципиальных схем и топологий СВЧ ТУ.

4) Разработка методики автоматизированного синтеза реактивных СКЦ по ОДЗ входного и/или выходного иммитанса. Модификация программы синтеза пассивных КЦ для реализации этой методики.

5) Реализация декомпозиционного подхода к синтезу СВЧ МШУ с реактивными СКЦ на основе сочетания интерактивных «визуальных» процедур и ГА.

6) Проектирование и разработка СВЧ МШУ на базе технологии печатного монтажа и монолитной технологии с применением разработанных методик и программных продуктов, экспериментальное исследование усилителей.

Методы исследования

Методологической и теоретической основой диссертационного исследования послужили зарубежные и отечественные труды в области проектирования согласующе-корректирующих цепей и СВЧ транзисторных усилителей. Методы исследования включают экспериментальное исследование СВЧ транзисторных усилителей.

Научная новизна работы

1) Впервые предложена методика автоматизированного структурно -параметрического синтеза линейных и малошумящих СВЧ транзисторных усилителей на основе генетического алгоритма с использованием параметрических ^-моделей реальных пассивных элементов, которая одновременно обеспечивает автоматический выбор типов схем, геометрических размеров транзисторов, а также режимов их работы по постоянному току.

2) Впервые предложена и реализована в интегрированной программной среде методика автоматизированного синтеза СВЧ МШУ на основе генетического алгоритма, позволяющая получить одновременно принципиальную схему и первоначальный вариант топологии устройства для технологий печатного монтажа, ГИС и МИС с учетом параметров соединительных линий, сквозных отверстий и других конструктивных элементов.

3) Впервые предложена методика на базе генетического алгоритма, позволяющая в автоматическом режиме выполнить структурно -параметрический синтез реактивных согласующе-корректирующих цепей по заданным на фиксированных частотах областям допустимых значений входного и/или выходного иммитанса.

4) Впервые предложена методика синтеза СВЧ транзисторных усилителей с реактивными согласующе-корректирующими цепями, основанная на декомпозиционном подходе и использующая сочетание интерактивных «визуальных» процедур и генетического алгоритма.

Практическая ценность работы

1) На основе предложенных методик разработана новая версия программы Geneamp v2 для синтеза линейных и малошумящих СВЧ транзисторных усилителей каскадного типа по комплексу требований к характеристикам, которая обеспечивает более высокую степень автоматизации процесса проектирования этого класса устройств.

2) Разработанный и реализованный в программе Geneamp v2 подход при структурно-параметрическом синтезе линейных и малошумящих СВЧ транзисторных усилителей позволяет использовать модели реальных пассивных элементов, учитывающие потери и паразитные параметры, автоматически выбирать типы или геометрические размеры транзисторов и их рабочие точки по постоянному току. Все это дает возможность значительно облегчить, ускорить и повысить точность проектирования усилителей.

3) Использование интегрированной программной среды, включающей программу структурно-параметрического синтеза Geneamp v2 на основе ГА и универсальную САПР СВЧ устройств Microwave Office, позволяет также автоматизировать получение первоначальной топологии СВЧ транзисторных усилителей для выбранной технологии изготовления. Ручная доработка топологии состоит в простом перемещении небольшого числа автоматически сгенерированных фрагментов схемы, что требует гораздо меньших затрат времени, чем построение топологии «с нуля».

4) Предложенная декомпозиционная методика, использующая программу Region для «визуального» проектирования линейных и малошумящих СВЧ ТУ, а также модифицированную в настоящей работе версию программы gMatch v2 для автоматической генерации схем реактивных согласующе-корректирующих цепей по ОДЗ иммитанса на основе ГА, позволяет выполнить синтез усилителей с числом каскадов более двух-трех и улучшить характеристики таких усилителей.

5) С помощью разработанных методик и программных продуктов разработаны экспериментальные образцы МШУ диапазона 1 -2 ГГц на основе технологии печатного монтажа, а также МИС буферного усилителя

диапазона 1-5 ГГц и МИС дифференциального буферного усилителя диапазона 1,5-5 ГГц на основе 0,25 БЮе КМОП-технологии, обеспечивающие характеристики на уровне лучших отечественных и зарубежных аналогов.

Положения, выносимые на защиту

1) Применение основанной на генетическом алгоритме методики, которая использует параметрические ^-модели, позволяет при синтезе малошумящих СВЧ транзисторных усилителей сразу учесть паразитные параметры пассивных элементов и благодаря этому исключить этапы синтеза на идеализированных моделях и последующего перехода к моделям реальных элементов.

2) Реализованная в интегрированной программной среде методика синтеза СВЧ транзисторных усилителей на базе генетического алгоритма, основанная на предварительном формировании и расчете наборов параметров рассеяния фрагментов топологии в универсальной САПР, обеспечивает автоматическое получение, наряду с принципиальной схемой, также первоначальной топологии устройства для выбранной технологии изготовления с учетом параметров всех соединительных элементов, что упрощает и ускоряет процесс проектирования.

3) При автоматизированном синтезе многокаскадных СВЧ транзисторных усилителей с реактивными согласующе-корректирующими цепями методика декомпозиционного проектирования, использующая сочетание интерактивных «визуальных» процедур и генетического алгоритма, по сравнению с методикой проектирования усилителей в целом на основе генетического алгоритма устраняет проблему сходимости этого алгоритма, а по сравнению с использованием только «визуальных» процедур - обеспечивает более высокую степень автоматизации и сокращение времени проектирования.

Степень достоверности результатов работы

Достоверность полученных результатов и положений диссертационной работы обеспечивается качественным сопоставлением полученных результатов с имеющимися современными теоретическими и экспериментальными данными, выполнением моделирования на ЭВМ и экспериментальным исследованием разработанных устройств.

Апробация результатов

Представленная работа выполнялась как составная часть НИР, выполняемых в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы», Госзадания 8.3423.2017/ПЧ, а также хоздоговорных работ.

Все положения диссертации, выносимые на защиту, были представлены и обсуждены на конференциях и опубликованы в виде научных статей. Основные результаты исследований докладывались на следующих научно -технических конференциях:

- Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР», г. Томск, 2014 г.

- Международная конференция «Инновации в информационных и коммуникационных науках и технологиях» (Innovations in Information and Communication Science and Technology IICST 2014), г. Варшава, Польша, 2014 г.

- Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо), г. Севастополь, 2014 и 2015 гг.

- Всероссийская научно-техническая конференция студентов и молодых ученых «Современные проблемы радиоэлектроники», г. Красноярск, 2015 г.

- Международная научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления», г. Томск, 2015 и 2016 гг.

- Всероссийская конференция «Обмен опытом в области создания сверхширокополосных РЭС» (СВЧ-2016), г. Омск, 2016 г.

- Международная IEEE Сибирская конференция по управлению и связи «Sibcon-2017», г. Астана, Казахстан, 2017 г.

- Международная научная конференция «Актуальные научные исследования в современном мире», г. Переяслав-Хмельницкий, Украина, 2017 г.

Реализация и внедрение результатов работы

Результаты диссертационной работы были использованы в рамках НИОКР, выполняемых совместно с ООО «ЛЭМЗ-Т» (г. Томск) и НИИ полупроводниковых приборов (г. Томск).

Личный вклад автора

Все представленные в диссертации результаты исследований получены лично автором либо при его непосредственном участии. В работах, опубликованных в соавторстве, автором получены существенные теоретические и практические результаты.

Публикации

По результатам выполненных исследований было опубликовано 15 работ, в том числе: в научных журналах, входящих в перечень ВАК (4), в трудах Международных (8) и Всероссийских (3) научных конференций. Получено одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2 2014619524 от 21.07.2014 г. Получено два свидетельства о государственной регистрации топологий интегральных микросхем № 2017630097 от 13.06.2017 г. и № 2017630099 от 21.06.2017 г.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, 3 разделов, заключения, списка сокращений, списка литературы и 4 приложений. Общий объем работы составляет 203 страницы. Основная часть включает 140 страниц, в том числе 106 страниц текста, 74 рисунка и 26 таблиц. Список используемой литературы составляет 128 наименований.

1 Способы построения, методы автоматизированного проектирования малошумящих СВЧ транзисторных усилителей и согласующе-корректирующих цепей

В первой главе рассмотрены основные методы проектирования малошумящих СВЧ ТУ, а также СКЦ. Приведено описание моделей реальных пассивных элементов, которые используются при проектировании ТУ, изготовленных по технологиям ПМ, ГИС и МИС. Сделан обзор работ, посвященных методам синтеза СВЧ-усилителей и входящих в их состав СКЦ с учетом потерь и паразитных параметров реальных пассивных элементов. Также рассмотрены работы, направленные на решение задачи автоматизированного синтеза принципиальных схем и топологий радиоэлектронных устройств (РЭУ). На основании выполненного обзора сформулированы задачи диссертационной работы.

1.1 Способы построения и характеристики малошумящих СВЧ транзисторных усилителей

Обзор литературы, посвященной проектированию СВЧ ТУ, был сделан в ряде работ [1, 14, 31, 54, 111, 124 и др.]. В частности, в работах [80, 98] представлены основные структурные схемы СВЧ ТУ. На основе этих работ обобщим информацию о СВЧ ТУ.

Усилители СВЧ-диапазона принято разделять на линейные, малошумящие и усилители мощности. К основным характеристикам СВЧ ТУ относят: коэффициент усиления О, коэффициент шума Г, коэффициенты отражения сигнала на входе т1 (т1 = |5л|) и выходе т2 (т2 = |$22|), коэффициент устойчивости к. По способу изготовления различают СВЧ ТУ, выполненные по технологиям ПМ, ГИС и МИС. К преимуществам использования МИС ППУ относятся значительное улучшение основных технических параметров РЭС, кардинальное снижение массы и габаритов аппаратуры, повышение надежности ее функционирования, уменьшение трудоемкости и себестоимости изготовления в серийном производстве.

В качестве АЭ при построении СВЧ ТУ (включая МИС ТУ) используют различные типы транзисторов:

1) Полевые транзисторы (ПТ) c высокой подвижностью электронов, основанные на гетероструктурных технологиях (HEMT, High Electron Mobility Transistor), в том числе на псевдоморфных (pHEMT) и метаморфных (mHEMT) технологиях. Предельно достижимая рабочая частота таких транзисторов зависит от типа применяемого материала: для арсенида галия (GaAs) до 100 ГГц, для нитрида галия (GaN) до 80 ГГц, для фосфида индия (InP) до 1 ТГц.

2) Биполярные транзисторы (БТ) на основе гетеростуктурных технологий (HBT, Heterojunction Bipolar Transistor). Применение GaAs в качестве материала гетероструктуры позволяет достичь частот до 200 ГГц, а InP - до 300 ГГц.

3) ПТ, основанные на кремниевой (Si) технологии КМОП (CMOS, Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), позволяют достичь частот до 250 ГГц.

4) БТ, основанные на технологии БиКМОП (BiCMOS, Bipolar Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), сочетают в себе технологии HBT и КМОП и позволяют достичь частот до 250 ГГц.

Достоинством МИС, изготовленных по технологиям КМОП и БиКМОП, является возможность создания высокоинтегрированных «систем на кристалле» (СнК), в которых аналоговая и цифровая части СВЧ-приемопередатчиков располагаются на одном чипе.

По типу построения выделяют каскадные, балансные и распределенные СВЧ-усилители. В настоящей диссертационной работе будет рассмотрено проектирование только СВЧ ТУ каскадного типа. Структурная схема такого усилителя (рис. 1.1) представляет ряд последовательно соединенных друг с другом АБ, состоящих из АЭ (транзистор с цепями питания) и подключенных к ним двухполюсных цепей коррекции (КЦ) и цепей обратной связи (ОС), далее называемых корректирующими двухполюсными цепями (КД). Между АБ включаются реактивные или диссипативные четырехполюсные СКЦ. КД и СКЦ могут быть выполнены как на сосредоточенных, так и на распределенных элементах.

Рисунок 1.1 - Структурная схема ^-каскадного усилителя

Для повышения коэффициента усиления в СВЧ ТУ используют ПТ в схеме включения с общим истоком или БТ в схеме включения с общим эмиттером. Характеристики транзисторов зависят от частоты - например, при увеличении частоты коэффициент усиления падает со скоростью около 6 дБ/октава, возрастает коэффициент шума. Частотно-зависимыми также являются входной и выходной импедансы транзисторов. В схеме на рис. 1.1 СКЦ и КД используются для корректирования характеристик ТУ (обеспечения равномерности АЧХ), достижения минимального коэффициента шума, согласования на входе и выходе, устойчивости.

На рис. 1.2 изображены основные структурные схемы усилительных каскадов (УК) СВЧ ТУ.

КД

и

АЭ

2о ^о

СКЦ! АЭ СКЦ!

Л.

Г

Г„

2о

а)

КД - кди

б)

СКЦ!

о о о о

АЦ

СКЦ!

2о

в)

Рисунок 1.2 - Структурная схема СВЧ ТУ, содержащая СКЦ и КЦ

К основным схемам УК относятся:

- УК с КД (рис. 1.2а);

- УК с включенными на входе и выходе АЭ реактивными и/или диссипативными СКЦ (рис. 1.2б);

о

Г

Г

ь

о

- УК, одновременно использующие КД и СКЦ (рис. 1.2в).

Рассмотрим особенности проектирования усилительных каскадов с СКЦ на входе и выходе (рис. 1.2б). В зависимости от диапазона рабочих частот и требований к характеристикам усилителя применяют реактивные и/или диссипативные СКЦ. При проектировании узкополосных усилителей зачастую на входе и выходе используют реактивные СЦ для комплексно-сопряженного согласования импедансов транзистора со стандартным трактом передачи сигнала. Однако если транзистор является условно устойчивым, то режим комплексно -сопряженного согласования невозможно реализовать без подключения к транзистору диссипативных цепей.

При проектировании широкополосных СВЧ ТУ с реактивными СКЦ нельзя одновременно достичь полного согласования и равномерной АЧХ в рабочем диапазоне частот. Для получения равномерной АЧХ усилителя, например, если выходная СКЦ обеспечивает согласование импедансов АЭ и нагрузки, то входная СКЦ должна обеспечивать режим согласования, близкий к комплексно сопряженному, на высоких частотах и рассогласования на нижних частотах, из-за чего происходит отражение сигнала (реактивные СКЦ) или поглощение полезной мощности сигнала (диссипативные СКЦ). При проектировании многокаскадных СВЧ ТУ можно добиться лучших характеристик на каскад по сравнению с однокаскадной схемой, так как функции выравнивания АЧХ и согласования можно распределить между разными СКЦ. Например, в двухкаскадном МШУ входная и выходная СКЦ будут использоваться для согласования импеданса генератора и нагрузки, а межкаскадная цепь необходима для выравнивания АЧХ.

Одной из наиболее распространенных является схема усилительного каскада с реактивными СКЦ на входе и выходе (рис. 1.2б). Для расчета приведены формулы характеристик такого каскада [13, 54, 104, 111, 124].

Коэффициент усиления по мощности ^т), модули входного (шх) и выходного (ш2) коэффициентов отражения выражаются следующими соотношениями:

г _1^2112(1-|Г5|2)(1-|Г,|2)

(1.1)

|*11 - Г* + Г*Г^2 - Г,Д| |522 - Г2 + Г^ц - Г5Л|

Ш1= -^-;Ш2= --'

где Б = 1 - ЯцГ^ - ¿22^ + Г5ГЬЛ; Д= 5ц522 - ^^

Г5 - коэффициент отражения генератора; - коэффициент отражения нагрузки.

При этом входной (Г;п) и выходной (ГоиС) коэффициенты отражения АЭ (рис. 1.2б) определяются формулами:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Жабин Дмитрий Александрович, 2017 год

- т2 -

1

т)

Г

а)

1у2 б)

в)

г)

д)

Ь, 12

"Г X

Сс

ЬП2 Ь„/2

с^ПР-^ЛПГ^

т

С

„1 > ¿1 с^тгр-^пг^з

Рисунок 1.6 - Неоднородности МПЛ и схемы замещения: паз (а); скачок по ширине (б); изгиб (в); Т-образное соединение (г); пересечение МПЛ (д)

ь

Выше представленные элементы относятся к классу элементов с распределенными параметрами. В ГИС и МИС часто используются элементы со сосредоточенными параметрами, обладающие меньшими габаритными размерами и позволяющие получить более широкополосные цепи. Однако на частотах более 10 ГГц сосредоточенные элементы имеют более высокие потери и меньшую добротность по сравнению с распределенными.

В качестве индуктивных элементов со сосредоточенными параметрами для ГИС и МИС применяются структуры, представленные на рис. 1.7 [10, 86].

а) б) в) г) д) е)

Рисунок 1.7 - Индуктивные элементы: полосковой проводник (а); круглая (б) и квадратная (в) петли; квадратная (г) и круглая (д) спирали; меандр (е)

Для получения небольших значений индуктивности (до 1 нГн) применяют тонкие полосковые проводники прямоугольного поперечного сечения (рис. 1.7а) или петли в форме круга или квадрата (рис. 1.7б, в).

Для получения больших значений индуктивности применяют круглые или квадратные спирали (рис. 1.7г, д), а также меандр (рис. 1.7е). При этом у индуктивностей с одними и теми же размерами, но с разной формой значительно отличаются характеристики: добротность круглой спирали выше примерно на 10% по сравнению с прямоугольной, однако индуктивность меньше примерно на 20% [10].

При моделировании спиральная катушка индуктивности может быть представлена в виде П-образной ЭС [10]. На рис. 1.8а представлена простая схема замещения, где Ь - последовательная индуктивность, - сопротивление, учитывающие суммарные потери в индуктивности, Ср - паразитная емкость между витками катушки. ЭС на рис. 1.8б учитывает емкости между проводником и заземляющей металлической плоскостью Сёа, С^. В ЭС на рис. 1.8в добавляются

сопротивления Я3ы, Яэы, учитывающие потери в подложке. Для спиральных катушек с большим значением индуктивности используют ЭС, приведенную на рис. 1.8г.

С„

Ь Яз

оуТУ^ЛЛ/Ч0

Ср

Ь Яз

аЧ-ППГ^ЛЛ/Ч0

а)

Сп

Т^_X

о-*-^-4с

б)

С2

'СФ

о

Ь Яз

о^-НПР-ЛЛ/Ч0

С

Я

аЪ1

>ЯаЪ2

ю

С-

Ь1

Ь

Яз

в)

_ -1-о

г)

Рисунок 1.8 - ЭС спиральных катушек индуктивностей

В МИС в зависимости от электростатической связи применяют один из двух видов конденсаторов [86]:

- МДМ-конденсатор. Обладает сильной лицевой связью между двумя и более проводящими плоскостями, расположенными друг над другом и отделенными слоем диэлектрика (рис. 1.9а). Данный вид конденсаторов обладает большой емкостью на единицу площади, что позволяет достичь значения емкостей более 10...30 пФ.

- Встречно-штыревой конденсатор. Обладает слабой боковой связью через диэлектрическую подложку между двумя и более проводниками, расположенными в одной плоскости и разделенными узким зазором (рис. 1.9б).

а) б)

Рисунок 1.9 - Виды конденсаторов: МДМ (а), встречно-штыревой (б)

К основным видам потерь в конденсаторах относят потери в металлизации и в диэлектрических пленках. На рис. 1.10а приведена распространенная ЭС конденсатора, учитывающая потери и индуктивность проводников, а также потери в диэлектрике, где С - основная емкость, Ь - паразитная индуктивность, Я -сопротивление, учитывающее потери в металлизации, О - проводимость, учитывающая потери в диэлектрике. На рис. 1.10б к ЭС были добавлены элементы С1 и С2, учитывающие паразитную емкость на землю. ЭС на рис. 1.10в, г позволяют учесть влияние распределенности конденсатора.

О

гЛЛЛп

С

О

гЛЛЛп

С

я ь С я ь С

о-ЛЛЛ-ППГ^—| о|АЛЛ^ПГ^—I |—--о

—,—С\ сг

<х

X

МПЛ си-I

а)

С

МПЛ

-ю

МПЛ

ос

б) О

гЛЛЛп

в)

г)

Рисунок 1.10 - Эквивалентные схема замещения конденсаторов

Резисторы в ГИС и МИС получают путем помещения резистивных материалов на подложку. В качестве резистивных материалов применяют либо полупроводник, либо пленки металлов (рис. 1.11в) [10]. Полупроводниковые резисторы в МИС изготавливают двумя способами:

1) Резистор получается при эпитаксиальном выращивании полупроводникового слоя (рис. 1.11а).

2) Резисторы формируются непосредственно в кристалле полупроводника при помощи ионной имплантации (рис. 1.11 б).

Рисунок 1.11 - Основные виды резисторов, применяемых в ГИС и МИС

К недостаткам полупроводниковых резисторов можно отнести:

1) При определенном уровне тока сопротивление этих резисторов начинает меняться из-за достижения электронами скорости насыщения. Этот эффект приводит к нелинейности ВАХ резистора.

2) Положительный температурный коэффициент сопротивления, который приводит в ряде случаев к нежелательному изменению параметров микросхем с температурой.

Для моделирования характеристик резисторов используются аналитические модели и ЭС (рис. 1.12). На рис. 1.12а приведена распространенная схема замещения, учитывающая влияние паразитных емкостей и индуктивности самой резистивной пленки. ЭС на рис. 1.126 позволяет учесть паразитные параметры подводящих выводов. ЭС на рис. 1.12в состоит из последовательно соединенных идеальных резисторов и ЛП, и представляет собой распределенную модель резистора.

сп

Ср

ь

Н Н

я

очЛЛЛ-Тб^-о с^Т^ЛЛЛ^ГГ^о

С.1 Сет С.1 Сет Сст <

о-1-1-о о!-1-1-1-е

он ч

-С.4

о о

ж Я/п ж я/п .....-ллл- ж -о

1/п 4- -► 1/п 1/п

а)

б)

в)

Рисунок 1.12 - Эквивалентные электрические схемы резисторов

В СВЧ-цепях для получения хороших характеристик готового устройства необходимо низкоомное заземление с малыми значениями паразитной индуктивности. Для соединения площадок на верхней плоскости с земляной пластиной применяются четыре основных способа [10] (рис. 1.13): заземление через сквозное отверстие, проволочное заземление, ленточное заземление и заземление по торцу подложки.

Сквозное отверстие

Проволочное заземление

а)

б)

в)

г)

Рисунок 1.13- Различные способы реализации заземления в МИС:

В МИС большинство заземлений выполняется через сквозные отверстия. Сквозные отверстия изготавливаются путем плазменного травления с обратной стороны подложки. Затем стенки отверстия металлизируются золотом, которое обеспечивает хорошее соединение с площадкой на лицевой стороне. Изготовление сквозных отверстий требует целого ряда дополнительных технологических операций: утончение подложки, травление и металлизация отверстий.

Для моделирования сквозного отверстия используют ЭС [30], представленную в виде последовательного соединения индуктивности и сопротивления (рис. 1.14).

ОЛЛГЧ

я

Рисунок 1.14- Эквивалентная схема замещения сквозного отверстия

1.4.2 Методы проектирования пассивных и активных СВЧ схем с использованием моделей реальных элементов

Представленные в п. 1.2 и п. 1.3 методы синтеза СКЦ и СВЧ ТУ используют идеализированные модели пассивных элементов, то есть модели идеальных

ь

резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, ЛП. Однако эти модели не учитывают потери и паразитные параметры элементов, оказывающие сильное влияние в СВЧ диапазоне.

Поэтому в настоящем разделе рассматриваются методы синтеза пассивных и активных СВЧ цепей с использованием моделей реальных элементов. Здесь используют в основном два разных подхода. Первый подход включает следующие этапы:

1) Синтез цепи на идеализированных моделях пассивных элементов.

2) Замена идеализированных моделей пассивных элементов моделями, учитывающие потери и паразитные параметры.

3) Оптимизация характеристик полученной схемы путем использования численных оптимизационных алгоритмов.

Второй подход заключается в синтезе цепей непосредственно с использованием моделей реальных пассивных элементов, например, представленных в п. 1.4.1. Здесь рассмотрим лишь методы, относящиеся ко второму подходу.

С. Дарлингтоном в работе [21] впервые предложен метод синтеза на элементах с потерями, основанный на классических методах синтеза (п. 1.2). Метод был рассмотрен на примере синтеза схемы фильтра на реактивных элементах с полуоднородными потерями (катушки индуктивности П обладали добротностью QL, а конденсаторы С - добротностью Qc). Рассмотрим основные этапы метода проектирования:

1) Задается передаточная функция, осуществляющая аппроксимацию требуемой частотной характеристики в виде Т = Т(Х), где Л - вводимая частотная переменная.

2) Элементы цепи Я, П, С преобразуются к комплексным элементам ZR, 2и

3) Реализация передаточной Т(А) осуществляется в пространстве преобразованных элементов с помощью методов синтеза на идеализированных элементах;

4) Осуществляется обратный переход к элементам Я, Ь\ С.

Далее метод получил развитие в работе Д. Андерсона [4], который систематизировал и обобщил теорию С. Дарлингтона, ввел условия реализуемости цепи. Основываясь на данных работах, Й. Су [51] расширил классическую теорию Фано-Юлы для применения цепей с полуоднородными потерями.

Основным недостатком методов синтеза, относящимся к классическим, является громоздкость вычислений, а также сложность контроля структуры и значений элементов цепи.

Параллельно с развитием ЭВМ получили развитие методы синтеза СВЧ ППУ, основанные на численных процедурах. Так, Л. Лиу в работе [39] была впервые решена задача синтеза СКЦ с неоднородными потерями. Предложенная методика была основана на численной процедуре решения систем нелинейных уравнений, связывающих значения элементов и коэффициенты передаточной функции, вычисляемые в процессе аппроксимационной процедуры. Недостатки данного метода заключаются в том, что потери в элементах не зависят от частоты.

В работе Л. Жу [63] рассмотрен метод синтеза, основанный на МРЧ. Здесь предложена формула, позволяющая по матрице ^-параметров перейти от идеализированных к реальным элементам, учитывающих неоднородные, зависящие от частоты потери.

В работе Л.И. Бабака и Ф.И. Шеермана [126] была предложена методика автоматизированного проектирования СВЧ интегральных устройств на основе преобразования моделей элементов, которая позволяет учесть потери и паразитные параметры элементов в процессе синтеза схемы устройства. Блок-схема процесса синтеза представлена на рис 1.15.

Ч да Характеристики\^^ нет

Конец )< удовлетворяют >

^^^^требованиям?^^^

Рисунок 1.15 - Блок-схема процесса синтеза МИС на основе преобразования

моделей

По заданным требованиям к характеристикам МИС выбирается структура цепи на идеализированных пассивных элементах, при этом АЭ представляются с помощью ^-параметров или ЭС-модели. Далее электрические параметры пассивных элементов автоматически пересчитываются в модели интегральных элементов [70], параметрами которых являются геометрические размеры. Таким образом, параметры интегральных элементов связываются со значениями идеализированных элементов схемы. После преобразования схемы выполняется моделирование МИС и производится оценка характеристик. Если характеристики удовлетворяют поставленным требованиям, процесс синтеза заканчивается, иначе в итерационном цикле выполняются следующие действия:

- при оптимизации - изменяются значения идеализированных элементов цепи;

- при структурном синтезе - изменяется структурная схема идеализированной цепи.

В данной методике идеализированная цепь служит лишь удобным инструментом представления структуры и основных электрических параметров

Изменение значений элементов или параметров идеальной цепи

МИС. Рассмотренная схема проектирования МИС имеет следующие преимущества:

1) Обеспечивает применение существующих итерационных и интерактивных методов синтеза цепей на идеализированных элементах [1, 8, 59 и др.] для синтеза МИС. При этом важно учесть, что синтез структуры цепи будет осуществляться с учетом потерь и паразитных параметров в МИС.

2) Оптимизация в пространстве электрических параметров идеализированных элементов происходит быстрее, чем оптимизация в пространстве геометрических размеров МИС. Это происходит за счет меньшего числа варьируемых параметров.

В работе А.Е. Горяинова [84] были представлены программные инструменты автоматизации построения моделей пассивных элементов в виде ЭС и автоматизированного синтеза МШУ с применением ЭС -моделей. Автором сделан морфологический анализ, в ходе которого определены типовые структуры используемых ЭС-моделей СВЧ пассивных элементов, охватывающий большое число моделей, представленных в литературе. На основе полученных данных была разработана программа Ех1хас1:юп-Р, позволяющая получить в автоматизированном режиме ЭС пассивных элементов методом прямой экстракции. Работоспособность моделей была продемонстрирована на примере синтеза МШУ диапазона 3-20 ГГц, выполненного по технологии 0,15 мкм GaAs рНЕМТ [100].

Следующий подход к проектированию СВ ППУ, основанный на использовании ЭС-моделей пассивных элементов, был представлен в работе Е. Афкана [3]. Метод позволяет осуществить процесс параметрической оптимизации СВЧ ППУ. Также он дает возможность определить геометрические размеры интегральной схемы, так как используемые ЭС-модели пассивных элементов напрямую связаны с их геометрическими размерами (длина, ширина, количество витков и т. д. ).

Алгоритм синтеза в среде МЛТЬЛБ реализован с использованием генетического программирования и алгоритма имитации отжига. Синтез начинается с генерации начальной популяции. Она осуществляется с помощью

метода рандомизации квазислучайных чисел Соболя, что позволяет получить более однородное распределение решений в популяции по сравнению со случайной инициализацией.

В качестве демонстрации эффективности предложенного метода было выполнено проектирование МИС однокаскадного узкополосного МШУ с центральной частотой 2,4 ГГц, выполненной по 0,13 мкм КМОП технологии. Так как требовалась оптимизация не только линейных (коэффициент усиления | S21I, коэффициент шума F и др.), но и нелинейных характеристик устройства (точка сжатия по входу 3-го порядка IIP3), для моделирования МШУ на каждой итерации использовался внешний симулятор HSPICE, реализующий метод гармонического баланса. В качестве оптимизируемых переменных выступали сопротивления двух резисторов и геометрические размеры трех спиральных круглых катушек индуктивности. Резисторы при этом были представлены идеализированными моделями, а катушки индуктивности - параметрическими (масштабируемыми) моделями в виде ЭС.

Метод решает лишь задачу параметрического, а не структурного синтеза СВЧ ППУ. К его недостаткам можно отнести также то, что на этапе синтеза не учитываются параметры и неоднородности соединительных ЛП, которые неизбежно будут присутствовать в топологии ППУ. Кроме того, задача построения параметрических моделей сосредоточенных пассивных элементов является достаточно трудоемкой. Использование HSPICE симулятора для расчета параметров приводит к большим временным издержкам.

В работе Б.М. Балвебера [11] была решена задача параметрического синтеза распределенного четырехкаскадного усилителя диапазона 0,5-5,5 ГГц с коэффициентом усиления 6,5 дБ, выполненного по технологии 0,6 мкм КМОП. Процесс синтеза состоит из двух этапов. На первом этапе с помощью программы HP Momentum на основе измеренных ^-параметров происходит построение Т-образных ЭС катушек индуктивности. На втором этапе при заданной схеме усилителя осуществляется параметрический поиск параметров элементов с использованием их ЭС-моделей. Параметрический поиск осуществляется с

помощью оптимизационного алгоритма имитации отжига. Каждая итерация алгоритма заканчивается расчетом параметров полученной схемы в симуляторе HSPICE. Эксперимент проводился на компьютере HP 712/100 Unix. Алгоритм решал задачу оптимизации параметров 10 катушек индуктивности, для нахождения решения в общей сложности потребовалось произвести 5000 итераций, что потребовало около 24 часов.

К недостаткам указанного метода можно отнести большое время получения решения. В связи с этим Дж. Парк в работе [46] предложил модифицированный алгоритм, заключающийся в использовании в качестве методов оптимизации адаптивного алгоритма имитации отжига и метода роя частиц. Модифицированный метод позволил снизить количество итераций для оптимизации параметров четырехкаскадного усилителя, описанного выше, с 5000 до 1100 итераций.

В целом проведенный обзор показывает, что аналитические методы синтеза пассивных и активных СВЧ схем с использованием моделей реальных пассивных элементов имеют ограниченные возможности и недостаточную точность из-за простоты моделей. Что касается рассмотренных численных подходов [3, 11, 46], то они используют более сложные и более точные ЭС-модели пассивных элементов, но не позволяют решить задачу синтеза принципиальных схем и топологий СВЧ ТУ.

1.5 Методы синтеза принципиальных схем и топологий аналоговых РЭУ на основе генетических алгоритмов

Общие сведения

Перспективным подходом в автоматизации проектирования аналоговых РЭУ и, в частности, СВЧ ППУ является применение методов, основанных на ГА. Здесь выделяют три основных направления:

1) Параметрический синтез. При этом, ГА используется для поиска параметров элементов, а поиск структуры (схемы) РЭУ происходит с помощью другого метода или «вручную» проектировщиком. Например, в работе [33] ГА

использовался для оптимизации значений конденсатора и катушки индуктивности в £С-цепи.

2) Структурно-параметрический синтез. В отличие от предыдущего случая, здесь с помощью ГА происходит одновременный поиск схемы и значений элементов РЭУ.

3) Определение топологической схемы РЭУ. Данный класс задач является самым сложным и трудоемким, так как требует решения широкого круга задач от структурно-параметрического синтеза в пространстве физических размеров элементов до трассировки и размещения элементов на полупроводниковой пластине или подложке.

В настоящей диссертационной работе будут рассматриваться задачи, относящиеся только ко второму и третьему направлениям.

ГА является эвристическим алгоритмом, относящимся к группе эволюционных алгоритмов и имитирует механизмы эволюции в живой природе: наследование, мутация и естественный отбор. В общем случае каждый признак проектируемого устройства (РЭУ) кодируется в бинарной строке, называемой геном. Набор генов, достаточный для описания структуры устройства, называется хромосомой (особью). Каждая особь оценивается с помощью ЦФ - скалярной величины, характеризующей степень соответствия рассматриваемого варианта проектируемого устройства требованиям, предъявляемым к его характеристикам, структуре и элементам. Набор особей представляет собой популяцию, в рамках которой между отдельными особями производятся операции мутации, скрещивания и отбора.

Механизм мутации предназначен для поддержания разнообразия решений в популяции и препятствует вырождению популяции и схождению решения к локальным экстремумам. Применение мутации гарантирует, что ни одно решение в поисковом пространстве не будет исключено во время синтеза.

Механизм скрещивания позволяет получать новое решение на основе информации о родительских особях, закрепляя положительные признаки. Можно выделить несколько стратегий отбора особей для скрещивания:

- панмиксия - особи выбираются случайно с равными шансами;

- инбридинг - первая особь выбирается случайно, второй выбирается особь, наиболее похожая на первую;

- аутбридинг - первая особь выбирается случайно, второй выбирается особь, наименее похожая на первую.

- турнирная селекция - случайный выбор двух и более особей и дальнейший выбор особи с наилучшим значением ЦФ;

- метод рулетки - особи с наилучшим значением ЦФ имеют больший шанс быть отобранными.

На рис. 1.16 приведена блок-схема классического ГА.

Рисунок 1.16 - Блок-схема классического ГА

Синтез принципиальных схем на основе ГА

К проблемам при решении задач структурно -параметрического синтеза схем пассивных и активных СВЧ цепей на основе классического ГА можно отнести большое многообразие этих схем, что затрудняет их систематизацию и разработку универсального алгоритма кодирования-декодирования, а также приводит к получению избыточных или нереализуемых на практике решений.

Согласно работе [65], задача структурного синтеза РЭУ относится к ЯР полным задачам [66], это означает, что в общем случае ее решение в принципе не может быть найдено за конечное время ни одним алгоритмом.

Для устранения данной проблемы были разработаны модифицированные версии ГА, использующие предварительные знания о проектируемом классе устройств. Значительный вклад в развитие данного направления внесли следующие авторы:

1) П. Абри и П. Плезис. В основе их работ по синтезу СЦ [ 26, 27] лежит гибридный алгоритм, в котором классический ГА был дополнен методом наискорейшего спуска для осуществления локальной параметрической оптимизации. Область структурного поиска была ограничена классом лестничных цепей как наиболее удобных для реализации СЦ.

2) Л.И. Бабак, В.А. Вьюшков, С.Ю. Дорофеев. В работах [7, 67, 90] методы основаны на формировании И-ИЛИ деревьев для описания обобщенных универсальных моделей проектируемых пассивных или активных цепей и устройств. Методы позволяют, в частности, автоматизировать процесс проектирования СКЦ, при этом осуществляя контроль структуры цепи для получения реализуемых решений, а также значительно уменьшить поисковое пространство, что дает возможность отсечь часть нерациональных вариантов.

3) С.В. Акимов. В работах [64, 65] описывается разработка универсального подхода к синтезу СВЧ ТУ. В частности, представлен морфологический анализ СВЧ ТУ, введены понятия базовой усилительной структуры (каскадные, балансные, с распределённым усилением и др.) и функционального элемента (усилительный четырёхполюсник, делитель мощности и др.), описана универсальная математическая модель линейных СВЧ ТУ, основанная на определении параметров соединения четырёхполюсников. Автором предложено использовать один из оптимизационных алгоритмов для поиска оптимального решения по заданным требованиям, а также сформулирован ряд эвристических правил (удаление дублирующих элементов, исключение некоторых цепей при выборе определённых структур устройства и др.).

4) Л.И. Бабак, А.А. Калентьев и др [6, 101]. Здесь представлен ряд методик и программных продуктов на основе ГА, обеспечивающих автоматизированный структурно-параметрический синтез (генерацию принципиальных схем) линейных

и малошумящих СВЧ ТУ по комплексу требований к характеристикам. В частности, в [101] на основе морфологического анализа большого числа схем СВЧ-усилителей различных частотных диапазонов была описана подробная структура СВЧ ТУ [6]. В работе были используются термин АБ и пассивный блок (ПБ). Структура ПБ представляется в виде набора каскадно-включенных элементарных цепей (ветвей). Под ветвью понимается набор (от 1 до 4) элементарных цепей (рис. 1.17), содержащих от одного до двух последовательно или параллельно соединенных пассивных сосредоточенных и/или распределенных элементов. Таким образом, одна ветвь может содержать от 1 до 8 элементов.

Рисунок 1.17 - Конфигурации ветвей ПБ

Для осуществления синтеза в работах [6, 101 и др.] используется бинарный ГА, обеспечивающий хорошую сходимость в ограниченном поисковом пространстве. Далее рассмотрим процесс кодирования/декодирования хромосомы, представленный в работе [98]. Под кодированием понимается процесс представления принципиальной схемы СВЧ ТУ в виде бинарной строки (хромосомы), процесс восстановления структурной схемы по хромосоме -декодирование.

СВЧ ТУ

1 0 1 1 0 ... 0 1 0 1 1 0 СКЦ,

АБ1 1 0 1 ... < 1 1 1

1 1 0 Г ... < 0 0 0 СКЦ2

аб2

1 0 0 Г ... < 0 1 1

0 0 0 ^ ... < 1 1 0 СКЦз

-0 ^... < 1 ПБ1 1 0 1 г... < 1 1 0

1 (У. <; 1 | пб2

1 г.. <;о I пби

Конфигурация ПБ 0 (* ... ^ 0 Пассивный элемент 1

1 (* ... (, 0 Пассивный элемент 2 0 С*... ^ 1 Пассивный элемент п

Тип используемой модели Тип пассивного элемента

0 (*... ^ 1 Значение параметра 1

0 (*... ^ 1 Значение параметра 2 0 (*... ^ 1 | Значение параметра п

Рисунок 1.18 - Схема кодирования СВЧ ТУ в виде хромосомы

Каждый из блоков СВЧ ТУ (рис. 1.1 п. 1.1) кодируется по иерархическому принципу (рис. 1.18). При кодировании АБ в хромосому записывается информация о подключенных к АЭ ПБ (рис. 1.3), представленных в виде КД. Для возможности декодирования информация о выбранной структуре АБ сохраняется. При кодировании СКЦ в хромосому последовательно записывается информация о входящих в нее ПБ. Участок хромосомы, описывающий ПБ, содержит информацию о типе блока и используемых пассивные

элементах. При кодировании пассивного элемента в хромосому записываются тип элемента, способ включения, тип модели и значения параметров элемента.

Ниже приведем основные формулы для построения и декодирования хромосомы. Необходимое количество битов Ьатр для хромосомы, описывающей многокаскадный усилитель, рассчитывается по формуле:

(1.13)

Ь

атр

Ьас 1 + )

1=1 ¿—4=1

Ь

тп I

где Ьас I

тп

N.

ас

- размер гена АБ,;

- размер гена СКЦ-;

- число АБ;

- число СКЦ.

Длину участка хромосомы, соответствии с формулой:

Я

тп

описывающей ПБ, можно рассчитать в

ЬрЬ = ^Ь = ^^Ьре I + Ьы + Ь0£, (1.14)

где Ыре - число пассивных элементов в ПБ;

Ьре - количество бит, необходимых для кодирования пассивного элемента (Сур*8 бит + 3 бита + 2 бит + 1 бит);

Сур - наибольшее количество варьируемых параметров среди всех пассивных элементов;

ЬЬ1 - тип ПБ - последовательный или параллельный (1 бит);

Ъог - конфигурация ПБ (3 бита).

Декодирование участка двоичного кода, описывающего тип элемента усилителя, осуществляется по формуле:

х = ХсНУ % Хтах , (1 15)

где X - декодированное значение; ХсПу - десятичное число, считанное из хромосомы; Хтах - общее число типов элементов; % - операция нахождения остатка от деления.

Значения вещественных параметров пассивных элементов декодируются по формуле:

Х = ^±*(Х+ -Х-)+Х(1.16)

256

где X - вещественное значение параметра; Хк - десятичное число, считанное из хромосомы, Х- и Х+ - соответственно нижняя и верхняя границы значений параметра.

На основе методики [98] была разработана программа структурно-параметрического синтеза Оепеашр [4], которая была успешно применена для синтеза СВЧ ТУ на базе ПМ и МИС.

К основным преимуществам разработанной методики и программы можно отнести:

- автоматизированный синтез многокаскадных усилителей на сосредоточенных и распределенных элементах;

- полный контроль структуры усилителя;

- синтез принципиальной схемы по комплексу требований к характеристикам;

- получение нескольких вариантов принципиальной схемы СВЧ ТУ;

- быстрый алгоритм синтеза.

Однако, несмотря на указанные достоинства, разработанный метод и программа обладают существенным недостатком: в процессе синтеза используются идеализированные модели пассивных элементов. Замена идеализированных моделей реальными моделями элементов (п. 1.4.1) приводит к изменениям характеристик устройства на этапе построения топологии. Поэтому необходимо дополнительная оптимизация или перепроектирование ТУ. Помимо этого, еще одним недостатком является плохая сходимость ГА при синтезе многокаскадных СВЧ ТУ [98].

Синтез топологии РЭУ на основе ГА

Синтез топологий СВЧ ППУ является более трудной задачей по сравнению с низкочастотными устройствами в связи со сложностью моделей сосредоточенных и распределенных СВЧ-элементов, взаимным влиянием отдельных элементов и блоков друг на друга, в том числе на электромагнитном уровне, зависимостью характеристик устройства от большого числа конструктивных факторов и т. д. Важно отметить, что для точного моделирования СВЧ ППУ на этапе разработки топологии требуется использовать модели соединительных линий и элементов, в том числе МПЛ, неоднородностей МПЛ (п. 1.4.1), сварных проволочных соединений, сквозных отверстий, контактных площадок и др.

Что касается общей проблемы автоматизации проектирования топологии аналоговых схем, она исследуется достаточно давно [2, 107 и др.]. Как правило, решаются проблемы размещения элементов и трассировки соединений на подложке для устройств с уже известной принципиальной схемой. При этом в подавляющем большинстве существующих работ не учитываются паразитные параметры и потери в пассивных компонентах схемы и соединительных элементах топологии, а также другие особенности СВЧ устройств.

М. Актуной и Р. Рутенбаром в работе [2] был предложен метод автоматизированного размещения и трассировки элементов аналоговых ВЧ схем,

основанный на ГА. В дальнейшем на основе предложенного метода было разработано программное обеспечение, использующее модифицированную версию библиотеки ГА GAlib. В качестве входных данных для программы требуется указать принципиальную схему, размеры используемых элементов, список соединений элементов.

Одной из особенностей метода является объединение этапов компоновки и маршрутизации в единый процесс. Рассмотрим основные этапы метода:

1) Генерация случайной популяции решений, представленных в виде деревьев.

2) Скрещивание различных решений, путем обмена поддеревьями (ветвями).

3) Оценка полученного решения, на основе информации о количестве изгибов, пересечений и длинны соединительных линий.

Эффективность метода демонстрируется на примере синтеза топологии ограничивающего усилителя на основе КМОП технологии, содержащего 15 пассивных и активных элементов, а также 15 соединительных линий. При «ручном» проектировании специалистом была получена схема с размерами 3.8x3.0 мм, программой же была получена схема размерами 6.75x2.33 мм (увеличение площади на 38%).

Результаты работы свидетельствуют о том, что предложенный метод не может конкурировать с «ручным» проектированием в области оптимизации размеров, однако данная задача не является существенной для метода, основная цель -автоматизация компоновки топологии, с которой метод успешно справляется. К основным недостаткам метода можно отнести то, что применение ограничено НЧ и РЧ схемами, а также отсутствует контроль характеристик схемы.

Похожий метод расположения элементов интегральных схем, представленных в виде графа, был предложен в работе [107].

Тематике автоматического построения топологий СВЧ устройств на базе ГА и других подходов посвящено только небольшое число статей [3, 37, 53], опубликованных в последние годы. Представим их краткий обзор.

В работе Т. Цанга и др. [53] рассматривается метод автоматического построения топологии МИС МШУ. При этом решаются две задачи: размещения элементов МИС МШУ на площади кристалла и трассировки ЛП, последней задаче уделяется особое внимание. В СВЧ диапазоне любой изгиб, изменение длинны или сечения ЛП приводит к искажению электромагнитного (ЭМ) поля и, соответственно, к изменению электрических параметров линии. При разработке топологии СВЧ ППУ линию часто требуется изгибать под углом 90°, в этом случае для минимального искажения ЭМ поля сочленение двух линий под прямым угол обычно сглаживается. Однако такое сглаживание приводит к изменению общей длины ЛП и соответственно характеристик СВЧ ППУ. Для решения указанной проблемы в [53] был предложен и реализован метод трассировки, который автоматизирует генерацию топологии, при этом пытается минимизировать число изгибов ЛП.

Исходными данными метода для построения топологии являются: список соединений элементов (т.е. принципиальная схема ТУ); размеры площади кристалла; размеры активных и пассивных элементов; ширина и длина всех ЛП; минимальное расстояние между элементами; величина компенсации длины при сглаживании.

Предложенный метод состоит из двух этапов. На первом этапе решается задача первоначального (грубого) построения топологии МИС путем представления всех элементов в виде квадратов и размещения их на кристалле. При этом все ЛП представляются в виде прямых линий, соединяющих центры квадратов, такой подход позволяет уменьшить размерность поискового пространства. На втором этапе происходит уточнение полученной топологии, решается задача трассировки ЛП с минимизацией числа изгибов. Алгоритм автоматического построения топологии пытается найти компоновку элементов ТУ, при которой размеры МИС укладываются в нужные габариты, а размеры всех ЛП после трассировки равны исходно заданным значениям.

Эффективность метода демонстрируется на примере синтеза топологии МИС МШУ диапазона 90-104 ГГц на основе 90 нм КМОП технологии, содержащего в

общем 59 элементов, из которых 25 ЛП. При «ручном» проектировании для построения топологии с привлечением ЭМ моделирования потребовалось порядка двух недель. В результате были получены размеры кристалла МИС 890*615 мкм при общем числе изгибов ЛП в топологии, равном 59. С использованием программы на основе предложенного алгоритма была автоматически построена топология МИС с размерами кристалла 800*555 мкм (уменьшение площади на 10%) и общим числом изгибов, равным 30. Решение получено за 14 мин. 40 с., при этом характеристики МИС МШУ незначительно изменились по сравнению с «ручным» вариантом.

Результаты работы свидетельствуют об эффективности рассмотренного подхода в плане качества построения топологии СВЧ ТУ при заданных в постановке задачи условиях. Однако метод имеет значительные недостатки, которые сильно сужают его практическое применение. Главный недостаток состоит в том, что сами условия в исходной постановке задачи, предполагающие необходимость знать окончательную принципиальную схему СВЧ ППУ, а также точные значения размеров ЛП до построения топологии, часто является невыполнимыми и не соответствуют реальной практике проектирования. Особенно это касается случая СВЧ ППУ с рабочими частотами выше нескольких гигагерц, когда точные характеристики устройства с учетом всех топологических и конструктивных особенностей можно рассчитать только с применением ЭМ анализа или моделей неоднородностей ЛП. Таким образом, для возможности использования рассматриваемого метода требуется фактически вначале разработать принципиальную схему СВЧ ТУ, создать «вручную» и затем скорректировать с использованием точных методов моделирования первоначальный вариант топологии ТУ Только после этого станут известны точные размеры ЛП и можно будет осуществить уже автоматическое построение топологии с помощью предложенного метода.

В работах [3, 37] решается задача параметрического синтеза, т.е. оптимизации физических размеров некоторых пассивных элементов СВЧ ТУ (катушек индуктивности и ЛП) при заданной принципиальной схеме и топологии остальной

части схемы. Таким образом, представленные в этих работах подходы не могут претендовать на полное решение задачи автоматического построения топологии СВЧ ППУ. Работа [3] была рассмотрена в п. 1.4.2.

В работе Бо Лиу и др. [37] рассмотрено проектирование МИС дифференциального трехкаскадного усилителя диапазона 80-100 ГГц на основе 90 нм КМОП технологии. В усилителе, помимо трех одинаковых транзисторов, используются входная, выходная и две межкаскадные СКЦ.

Задача оптимизации решается в пространстве физических параметров указанных пассивных элементов усилителя - геометрических размеров трансформаторов и ЛП, общее число оптимизируемых параметров составляет 51. Для параметрической оптимизации применяется усовершенствованный вариант метода дифференциальной эволюции.

Точно сть моделирования характеристик МИС усилителя обеспечивается за счет применения ЭМ анализа. Оптимизируемые переменные разделены на две группы - переменные, определяющие характеристики фрагментов МИС, которые необходимо моделировать с помощью ЭМ анализа, и переменные, описывающие фрагменты, моделируемые с помощью обычного линейного ВЧ-симулятора. При этом благодаря уменьшению размерности задач оптимизации значительно сокращаются общие затраты машинного времени. В результате оптимизации были найдены оптимальные параметры трансформаторов и ЛП, обеспечивающие необходимый уровень коэффициента усиления в заданной полосе частот при плоской форме амплитудно-частотной характеристики. Число ЭМ анализов составило только 48 при общих затратах времени 25 час. Для сравнения заметим, что при использовании исходного алгоритма дифференциальной эволюции без обучения для получения таких же результатов было необходимо число ЭМ-анализов, равное 4000, а время оптимизации - 9 суток.

Следует обратить внимание на то, что в работах [3, 37] фактически использовались специально разработанные для решения задач проектирования МИС ТУ программные среды. Они включают созданные разработчиками специализированные программы оптимизации, учитывающие особенности задачи

и объекта проектирования, и стандартные симуляторы - автономные или входящие в состав универсальных САПР СВЧ-устройств (симулятор ШР1СЕ в работе [3], линейный и ЭМ симуляторы в работе [37]).

Исходя из анализа представленных работ, можно сделать определенные заключения по созданию эффективных методов и алгоритмов автоматического или автоматизированного построения топологии СВЧ ППУ:

1) Эффективный алгоритм должен одновременно (параллельно) синтезировать принципиальную схему и топологию СВЧ ППУ (на каждой итерации синтеза или оптимизации одновременно генерируются очередной вариант принципиальной схемы ППУ и топология для этой схемы). Это позволит сразу с высокой степенью достоверности рассчитать СВЧ характеристики текущего варианта ППУ.

2) На каждой итерации моделирование СВЧ ППУ должно точно учитывать по возможности все конструктивные и топологические особенности текущего варианта, то есть использовать либо точные модели активных и пассивных элементов, ЛП и их неоднородностей, соединительных элементов и т. д., либо ЭМ анализ фрагментов ППУ.

3) Реализация параллельного подхода проще всего может быть выполнена при разработке программной среды, состоящей из программы синтеза, реализующей определенные алгоритмы генерации принципиальных схем и топологий СВЧ ППУ заданного класса, и коммерческой универсальной САПР СВЧ устройств, обеспечивающей точное моделирование ППУ и подключение необходимых моделей или библиотек компонентов для выбранной технологии изготовления ППУ.

1.6 Декомпозиционный метод синтеза СВЧ полупроводниковых устройств

Для проектирования сложных СВЧ ППУ, например, многокаскадных СВЧ ТУ можно использовать ДМС. Он обеспечиват общий систематический подход к проектированию линейных и нелинейных (линеаризованных) ВЧ и СВЧ ППУ [74,

80, 123]. Метод позволяет синтезировать СВЧ ППУ, которые могут быть представлены в виде соединения активных элементов (транзисторов) и пассивных цепей (КД, СЦ, СКЦ). Метод основан на идее декомпозиции активной цепи (рис. 1.19), то есть из общей схемы устройства выделяются отдельные блоки, (АЭ, КД, СКЦ). При этом параметры активной части цепи, содержащей АЭ, считаются заданными, а пассивная часть цепи представлена в виде «черного ящика», схему и параметры которого необходимо найти в процессе синтеза.

Рисунок 1.19 - Декомпозиция активной СВЧ цепи

В общем случае ДМС использует следующую последовательность этапов (на примере синтеза СВЧ ТУ):

1) Выбор структурной схемы ТУ.

2) Построение (идентификация) математической модели выбранной структуры усилителя с КЦ.

3) Нахождение предельно достижимых значений характеристик для выбранной структуры ТУ при условии физической реализуемости КЦ, назначение требований к характеристикам усилителя.

4) Определение на фиксированных частотах рабочего диапазона ОДЗ параметров КЦ (например, иммитансных параметров или параметров рассеяния) по совокупности требований к характеристикам ТУ.

5) Нахождение структуры и элементов КЦ по ОДЗ параметров.

Определение (построение) ОДЗ параметров КЦ является отличительной

особенностью предлагаемого метода. На практике требования к характеристикам ТУ всегда формулируются в виде неравенств (1.17), это означает, что параметры

СКЦ (в частности, иммитансные) на каждой частоте могут принимать множество (область) допустимых значений ЕХ(юк).

ЕХШ = Шык)- < Н^щ) < Н^щУЛ =1,ж; к = 1п}, (117) где НI - характеристика ППУ

Н^- и Н^ - ограничения на значения характеристик; I - число характеристик, учитываемых при проектировании; шк - частоты на которой задаются ограничения; к - количество частотных точек.

В качестве иллюстрации использования ДМС рассмотрим задачу построения ОДЗ коэффициентов отражения источника сигнала Г и нагрузки Г активных элементов в схеме ТУ с реактивными СКЦ (рис. 1.2б). В этом случае в качестве характеристик Н^ (I = 1, т) используются коэффициент усиления по мощности О, коэффициент шума р и коэффициенты отражения на входе т1 и выходе т2 УК. Характеристики О, р, т1 и т2 для УК с реактивными СКЦ (рис. 1.2б) рассчитывается по формулам (1.1) и (1.9).

При проектировании на основе ДМС как однокаскадных, так и многокаскадных усилителей различаются два типа ОДЗ коэффициентов отражения [68]: «односторонне-нагруженные» и полные ОДЗ

«Односторонне-нагруженные» ОДЗ коэффициента отражения одной из нагрузок (Г или Гь) определяется, если задано значение другой нагрузки. Например, если коэффициент отражения источника сигнала Г выбран равным значению для обеспечения минимального коэффициента шума (формула (1.11)), то коэффициент Г определяется по области Еь(Гб), которая содержит все коэффициенты отражения нагрузки Г^, отвечающей системе неравенств (1.17) при Г = Г8„. ОДЗ Еь(Гб) может быть найдена как общая часть всех частных допустимых областей (рис. 1.20), соответствующих отдельным неравенствам (1.17):

Б^(Г^) = Ео+ П Ео П Ер П Ет1 П Ет2 П Ер, (1.18)

где ЕО+, ЕО", Ер, Ет1, Ет2 - частные допустимые области, Ер - единичная окружность на плоскости Гь.

Рисунок 1.20 - Представление ОДЗ коэффициента отражения нагрузки АЭ ЕДГ?)

на плоскости Г/,

Выбор значения коэффициента отражения одной из нагрузок для улучшения одной из характеристик ТУ (коэффициентов шума или усиления) и построение ОДЗ для другого коэффициента отражения не всегда приводит к оптимальному решению. В общем случае требуется построение полных ОДЗ коэффициентов отражения нагрузок АЭ, это позволит обеспечить необходимый компромисс между характеристиками ТУ. Решение системы нелинейных неравенства (1.17) представляет собой допустимую областью Е в четырехмерном пространстве переменных Яе Г?, 1т Г?, Яе Г/ 1т Г^. В работе [68] был предложен подход для решения неравенства (1.17), заключающийся в нахождении проекций области Е на комплексные плоскости Г? и Г/, (рис. 1.21). Эти проекции и являются полными ОДЗ переменных Г? и Г^.

Ке Г, ^ч. Яе Г с

Рисунок 1.21 - Область Е в четырехмерном пространстве

При реализации ДМС естественно и удобно оперировать с графической информацией - в частности, представлять исходные данные и/или получаемые на промежуточных шагах решения в виде некоторых геометрических (графических) объектов и образов - геометрических тел, множеств, областей, годографов и др. Поэтому к задачам на этапах ДМС могут быть применены подходы, использующие графическую визуализацию и геометрические способы решения.

В частности, так как представленные в п. 1.2 методы не позволяют осуществить синтеза реактивных СКЦ по ОДЗ входного и/или выходного иммитанса, то в работах [73, 79, 123] был предложен интерактивный подход, основанный на принципах визуального проектирования. Суть «визуального» подхода заключается в следующем, при выполнении проектной процедуры управляющие операции и промежуточные результаты проектирования одновременно отображаются (визуализируются) на экране монитора (рис. 1.22). При этом средства графического интерфейса служат не только для отображения и оценки результатов проектирования на промежуточных и окончательном этапах, но выступают главным образом как инструмент визуального проектирования.

Рисунок 1.22 - Концепция визуального проектирования

В дальнейшем визуальная концепция получила развитие в работах [ 114-116], где была представлена интерактивная «визуальная» методика синтеза СКЦ по ОДЗ импеданса и была реализована в программном продукте Locus v2. В данной методике отсутствуют сложные вычисления. На первом этапе проектировщик выбирает структуру проектируемой цепи из доступного набора, годограф импеданса которой наиболее совпадает с положением ОДЗ импеданса. Далее с помощью оптимизационных процедур проектировщик получает значения элементов. Во время синтеза проектировщик может изменять выбранную структуру цепи, а также изменять положения годографа цепи с помощью мыши, при этом параметры цепи автоматически пересчитываются.

Однако в связи с тем, что в рассматриваемых интерактивных «визуальных» процедурах выбор структур пассивных цепей по ОДЗ иммитанса осуществляется самим разработчиком, проектирование КД и СКЦ на базе такого подхода может быть достаточно трудоемким, причем результат зависит от опыта проектировщика. Поэтому целесообразно автоматизировать синтез СКЦ по ОДЗ на основе ГА.

1.7 Основные задачи

Исходя из анализа представленных работ, можно сделать определенные заключения по созданию эффективных методов и алгоритмов автоматизированного построения принципиальных схем и топологий СВЧ ППУ:

1) В п. 1.5 описаны перспективные методы проектирования, основанные на ГА и способные автоматизировать процесс проектирования принципиальных схем СВЧ ППУ. Однако данные методы в настоящее время не позволяют учесть паразитные параметры и потери в пассивных элементах (используются идеализированные или упрощенные ЭС-модели элементов). Следовательно, необходимо разработать новый алгоритм синтеза на основе ГА, способный использовать модели реальных пассивных элементов.

2) Как уже отмечалось в п. 1.5, последовательный синтез вначале принципиальной схемы СВЧ ППУ, а затем топологии по этой схеме имеет ряд недостатков. Эффективный алгоритм должен одновременно (параллельно) синтезировать принципиальную схему и топологию СВЧ ППУ (иначе говоря, на каждой итерации синтеза или оптимизации одновременно генерируются очередной вариант принципиальной схемы ППУ и топология для этой схемы).

3) На каждой итерации моделирование СВЧ ППУ должно учитывать по возможности все конструктивные и топологические особенности текущего варианта, то есть использовать либо точные модели активных и пассивных элементов, ЛП и их неоднородностей, соединительных элементов и т. д., либо ЭМ анализ фрагментов ППУ Реализация такого (параллельного) подхода проще всего может быть выполнена при построении программной среды, состоящей из программы синтеза, реализующей определенные алгоритмы генерации принципиальных схем и топологий СВЧ ППУ заданного класса, и коммерческой универсальной САПР СВЧ-устройств, обеспечивающей точное моделирование ППУ и подключение необходимых моделей или библиотек компонентов для выбранной технологии изготовления ППУ. В этом случае можно использовать целый комплекс развитых средств универсальной САПР, включая линейный и нелинейный симуляторы, схемный и топологический редакторы, встроенные модели элементов, механизмы подключения специальных библиотек компонентов для определенных технологий изготовления СВЧ-устройств и др.

4) При синтезе многокаскадных СВЧ ТУ подход на основе ГА имеет существенный недостаток (плохая сходимость алгоритма и т. д.) В этом случае

целесообразно использовать ДМС, который позволяет декомпозировать задачу проектирования сложного устройства на более простые задачи - то есть вначале определить требования к отдельным КЦ в виде ОДЗ иммитанса, а затем синтезировать СКЦ по этим ОДЗ. Недостаток ДМС в настоящее время состоит в использовании интерактивных «визуальных» методах синтеза СКЦ по ОДЗ иммитанса. Они не позволяют полностью автоматизировать процесс проектирования СКЦ, а результат сильно зависит от опыта инженера-проектировщика. Следовательно, необходимо разработать автоматизированный метод синтеза реактивных СКЦ по ОДЗ иммитанса.

2 Автоматизированный синтез схем и топологий малошумящих СВЧ транзисторных усилителей и согласующе-корректирующих цепей

В главе предлагаются методики структурно -параметрического синтеза принципиальных схем и топологий важного класса СВЧ ТУ - малошумящих и линейных усилителей, а также входящих в состав ТУ реактивных СКЦ.

В частности, в начале главы рассматривается методика структурно -параметрического синтеза СВЧ ТУ на основе ГА, позволяющая использовать параметрические ^-модели реальных пассивных элементов. Одновременно она обеспечивает автоматический выбор типов транзисторов (для дискретных приборов) или их параметров - длины и ширины затвора, числа «пальцев» и т. д. (для интегральных приборов), а также режимов работы по постоянному току.

Далее предлагается методика автоматизированного синтеза СВЧ ТУ на основе ГА, позволяющая получить как принципиальную схему, так и первоначальный вариант топологии. Усилители могут выполняться по технологиям ПМ, ГИС или МИС. При их синтезе используются модели реальных пассивных компонентов, а также соединительных линий, сквозных отверстий и других элементов топологии. Методика реализована в программной среде, объединяющей программу автоматизированного синтеза СВЧ ТУ Geneamp и универсальную САПР СВЧ устройств Microwave Office.

В заключение главы рассматривается реализация декомпозиционного синтеза СВЧ ТУ с реактивными СКЦ, основанная на сочетании интерактивных «визуальных» процедур и ГА. Она использует разработанную и описанную здесь методику автоматического синтеза СКЦ по заданным ОДЗ иммитанса с помощью ГА.

Эффективность всех предложенных методик демонстрируется на тестовых и практических примерах синтеза малошумящих СВЧ ТУ, а также реактивных СКЦ.

2.1 Методика автоматизированного синтеза принципиальных схем СВЧ транзисторных усилителей на основе ГА с использованием параметрических Э-моделей реальных компонентов

2.1.1 Выбор типов моделей пассивных элементов

Во введении и п. 1.4 отмечалось, что при практической реализации СВЧ ТУ на их характеристики значительное влияние оказывают паразитные сопротивления, емкости и индуктивности пассивных элементов. Однако большинство существующих методов позволяют синтезировать ТУ, а также входящие в их состав СЦ и СКЦ только на основе идеализированных моделей пассивных элементов [5, 6, 44, 58, 81 и др.]. Немногочисленные методы синтеза ТУ и пассивных цепей, использующие модели пассивных элементов с учетом паразитных параметров [3, 21, 63, 127 и др.], являются, во-первых, сложными и, во-вторых, неточными в связи с применением простейших типов моделей.

Поэтому на практике разработчик сначала на основании опыта и литературных данных выбирает или с помощью одной из методик [5, 6, 58 и др.] синтезирует принципиальную схему СВЧ ТУ на идеальных пассивных элементах. Затем разработчик вручную заменяет идеализированные модели элементов на точные, предоставляемые компаниями-производителями для используемых технологий МИС или компаниями-производителями для БМО-компонентов ГИС. В заключение полученная схема СВЧ ТУ оптимизируется для достижения поставленных требований. Указанный процесс весьма трудоемок и не всегда приводит к оптимальным результатам, иногда приходится повторять проектирование усилителя заново.

В работах [6, 98, 101] был предложен и исследован подход к автоматизированному структурно-параметрическому синтезу принципиальных схем СВЧ ТУ на основе ГА, его достоинства были рассмотрены в п. 1.5. Однако при реализации этого подхода в первоначальном варианте программы Geneamp [4, 12] также использовались идеализированные модели пассивных элементов, что приводит к уже указанным недостаткам.

Очевидно, что применение непосредственно на этапе синтеза СВЧ ТУ, изготавливаемых по технологиям ПМ, ГИС или МИС, моделей реальных пассивных элементов даст возможность значительно упростить, ускорить и сделать более точным процесс разработки этого класса устройств.

В п. 1.4.1 отмечалось, что самыми распространенными и удобными типами линейных моделей активных и пассивных элементов СВЧ устройств являются табличные модели в виде наборов ^-параметров на сетке частот (^-модели), а также компактные модели в виде эквивалентных схем (ЭС-модели). Очевидно, что при реализации автоматизированного синтеза как S-, так и ЭС-модели элементов должны быть параметрическими, т. е. отражать зависимости характеристик этих элементов от их конструктивных параметров (геометрических размеров и т. д.).

Модификация исходного алгоритма [100, 101], позволяющая осуществить синтез СВЧ ТУ на базе ГА при применении параметрических ЭС-моделей пассивных элементов, была предложена в [101] и реализована в одной из версий программы Geneamp [100]. Данный вариант программы был ориентирован на GaAs- и GaN-технологии изготовления СВЧ МИС ТУ. При этом использовались, в частности, ЭС-модели полупроводниковых и тонкопленочных резисторов, МДМ -конденсаторов, квадратных и круглых спиральных катушек индуктивности, ЛП с потерями и др., которые были встроены в программу Geneamp.

Описанный подход показал высокую эффективность и позволил проводить синтез принципиальных схем СВЧ ТУ с учетом особенностей технологии конкретного изготовителя МИС [85]. Однако он имеет два значительных недостатка:

1) Необходимо предварительно решить сложную и трудоемкую задачу построения параметрических моделей пассивных элементов в виде ЭС по измеренным ^-параметрам, причем эта задача должна заново решаться отдельно для каждой используемой технологии изготовления СВЧ ТУ.

2) Даже если предприятие-производитель предоставляет параметрические ЭС-модели компонентов, их нужно адаптировать и программно встроить в Geneamp, что также является достаточно трудоемкой задачей.

Поэтому в настоящей диссертации была поставлена задача разработать другую методику на основе ГА, которая позволяла бы осуществить автоматизированный структурный синтез СВЧ ТУ при использовании параметрических моделей пассивных элементов в виде наборов ^-параметров. Он имеет ряд достоинств. Во-первых, не требуются трудоемкие процедуры построения и интеграции в программу синтеза параметрических ЭС -моделей - здесь могут быть применены более доступные S-модели, т. е. непосредственно измеренные или полученные в результате моделирования S-параметры пассивных элементов различных типономиналов или размеров для выбранной технологии изготовления СВЧ ТУ. Во-вторых, этот подход открывает возможность синтеза не только монолитных СВЧ ТУ, но и ВЧ/СВЧ ТУ по технологиям ПМ и ГИС с использованием электронной компонентной базы для поверхностного монтажа -SMD-компонентов. В последнем случае могут быть использованы измеренные S-параметры пассивных SMD-компонентов (резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности). Эти данные дает большинство производителей (фирмы Murata, Panasonic, Coilcraft и др.). Они имеют вид наборов S-параметров на фиксированных частотах в форматах *.s2p или *. mdif, которые соответствуют ряду типономиналов изготавливаемых компонентов.

В процессе работы над таким алгоритмом оказалось, что можно, используя S-модели активных элементов и несколько усложнив процедуру, реализовать также дополнительные возможности при проектировании СВЧ ТУ, а именно выбор типов (или геометрических размеров) транзисторов и их рабочих точек по постоянному току.

2.1.2 Описание методики синтеза принципиальных схем СВЧ-усилителей на основе ГА с использованием параметрических S-моделей

Общая характеристика методики и задачи, решаемые для ее реализации

В предлагаемой методике структура синтезируемых СВЧ-усилителей, а также основные принципы и порядок синтеза ТУ на основе ГА аналогичны рассмотренным в [83, 101]. Подход позволяет проектировать линейные и

малошумящие многокаскадные СВЧ ТУ каскадного типа (рис. 1.1). Теоретически усилитель может содержать любое количество каскадов. Однако с увеличением количества усилительных каскадов возрастает поисковое пространство и время синтеза.

Структурная схема АБ проектируемого СВЧ ТУ может содержать один или несколько КД, показанных на рис. 1.3. В частности, АБ состоит из:

- АЭ различных типов (ПТ и БТ) в разных схемах включения (например, для БТ - с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором, для ПТ - с общим истоком, общим затвором и общим стоком);

- включенных различным способом КД (КЦ и ОС), которые будем называть ПБ.

СКЦ представляют собой произвольное число каскадно -включенных звеньев из последовательных и параллельных элементарных цепей, которые также называются ПБ (рис. 1.17).

В качестве исходных данных пользователь задает [83]:

- структурную схему СВЧ ТУ (число УК, наличие входной, выходной и межкаскадных СКЦ (в многокаскадных СВЧ ТУ));

- ограничения на структуру каждого УК;

- ограничения на структуру каждой СКЦ;

- ограничения на значения параметров пассивных элементов;

- набор возможных АЭ и их рабочих точек с целью оптимального выбора при синтезе ТУ;

- требования к комплексу характеристик усилителя в полосе частот.

В процессе синтеза программа, исходя из требований к характеристикам ТУ, автоматически генерирует структуру и значения элементо в всех пассивных цепей (КД, ОС и СКЦ), выбирает типы (размеры) и рабочие точки транзисторов. Особенностью программы Geneamp является возможность полного контроля структуры и значений параметров элементов синтезируемых усилителей, что позволяет получать практически реализуемые решения.

Для осуществления структурно-параметрического синтеза СВЧ ТУ с использованием ^-моделей элементов, а также автоматического выбора усилительных элементов и их режимов работы необходимо решить ряд задач: модифицировать исходную версию программы Geneamp, включая дополнение новыми алгоритмами, доработку внутренней структуры программы, программного кода, пользовательского интерфейса и т. д.

Модификация структуры и пользовательского интерфейса программы Geneamp будет рассмотрена в п. 3.4. В этом подразделе опишем модификацию методики и алгоритмов синтеза.

Расширение состава базовых элементов и моделирование характеристик СВЧ ТУ

В первоначальной реализации программы Geneamp [101] все Л£С-элементы представлены в виде двухполюсников, соответственно, двухполюсниками являются ПБ (КД и ветви СКЦ). Использование данной программы значительно облегчает и ускоряет моделирование ТУ, так как можно использовать эффективный специализированный алгоритм [68, 123].

Как уже отмечалось, в рассматриваемой методике используются обобщенные структуры усилителя, усилительного каскада и СКЦ, аналогичные описанным в [6, 98] (рис. 1.2, 1.3). Однако теперь, помимо идеальных ЖС-элементов, в составе ПБ (КД и ветвей СКЦ) могут быть применены различные типы пассивных сосредоточенных и распределенных элементов, описываемые своими ^-моделями.

Важно отметить, что ^-модели пассивных элементов учитывают влияние различных паразитных параметров (подложки, подводящих контактов и др.), в результате чего модель пассивного компонента становится четырехполюсной. Таким образом, для реализации синтеза СВЧ ТУ на базе ^-моделей [94, 102] реальных пассивных элементов необходимо применить более общий по сравнению с [101] алгоритм моделирования сигнальных и шумовых характеристик усилителя.

Наиболее общим является метод узловых потенциалов [32], позволяющий выполнять расчет характеристик линейных шумящих цепей любой конфигурации.

Однако необходимость решать системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) значительно замедляет моделирование радиоэлектронных устройств.

Так как рассматриваемый класс СВЧ ТУ может быть описан в виде некоторого объединения четырехполюсников (рис. 2.1), для моделирования может быть использован алгоритм, основанный на нахождении сигнальных и шумовых параметров соединений четырехполюсников. При этом для нахождения характеристик СВЧ ТУ достаточно знать соотношения, определяющие матрицы сигнальных и шумовых параметров трех типов соединений четырехполюсных цепей - каскадного, последовательного и параллельного (рис. 2.1). Расчет характеристик осуществляется по итерационной схеме, при которой на каждом шаге находятся сигнальные и шумовые матрицы того или иного соединения четырехполюсников. Так как в рассмотренном подходе сигнальные и шумовые параметры соединений четырехполюсников находятся по аналитическим формулам и не требуется решения СЛАУ, он является гораздо более быстродействующим по сравнению с методом узловых потенциалов.

а) б) в)

Рисунок 2.1 - Типы соединений четырехполюсников: каскадное (а); последовательное (б); параллельное (в)

Вариант подобного алгоритма, позволяющего рассчитать характеристики шумящей активной цепи, описан в [32] . Однако он основан на переходе на каждом шаге расчета, в зависимости от способа соединения составляющих четырехполюсников, к различным системам сигнальных и шумовых параметров (к матрицам А-, У-, 2-параметров). В связи с этим подход приводит к усложнению алгоритма и возрастанию времени моделирования.

Для устранения описанного недостатка в алгоритме моделирования по сравнению с [32] применены следующие изменения:

1) При расчете параметров соединения четырехполюсников используется единственная система сигнальных и шумовых параметров четырехполюсников, а именно матрица рассеяния 5 и матрица спектральных плотностей шумовых волн а. Однако для случая расчета шумовых волновых матриц а для последовательного и параллельного типа включения в литературе не удалось найти аналитических соотношений.

2) В частном случае, когда один из четырехполюсников вырождается в двухполюсную цепь, для расчета матриц 5 и а всех типов соединений использовались более простые аналитические формулы [68, 123].

3) Для любого типа соединения пассивных четырехполюсников вычислялась только результирующая матрица рассеяния 5, матрица а такого соединения находилась непосредственно по матрице 5.

Указанные изменения позволили упростить алгоритм и повысить скорость вычислений при моделировании ТУ по сравнению с методом [ 32]. Для расчёта 5- и а-параметров соединения четырёхполюсников были использованы формулы, приведенные в [34, 71]. После вычисления 5- и а-параметров всего усилителя с помощью формул (1.1)-(1.9) рассчитываются его характеристики - коэффициент усиления О, коэффициент шума ¥„ входной и выходной коэффициенты отражения |5п| и |522| , коэффициент устойчивости к.

Автоматический выбор типов (геометрических размеров) и режимов работы транзисторов по постоянному току

Одним из недостатков программы Geneamp V! [101] является то, что при синтезе СВЧ ТУ параметры транзисторов (^-параметры и шумовые параметры) задаются самим пользователем. То есть программа не позволяет во время синтеза автоматически выбрать тип используемого транзистора (технологии ПМ и ГИС) либо их конструкцию и размеры (технология МИС), а также режимы работы транзисторов по постоянному току для каждого усилительного каскада для реализации оптимальных параметров.

Для реализации такого выбора на базе ГА введем понятие экземпляра транзистора, который характеризуется совокупностью числовых параметров. К параметрам экземпляра транзистора относятся: порядковый номер типа транзистора (либо порядковый номер конструкции транзистора, ширина затвора и т. д. при интегральном исполнении), значения токов или напряжений, определяющих рабочую точку транзистора, и др. Таким образом, экземпляры транзистора могут отличаться как типом (конструкцией) транзистора, так и режимом по постоянному току. Каждому экземпляру транзистора соответствует уникальный номер от 1 до N, где N — число отличных друг от друга экземпляров. Далее для каждого экземпляра транзистора задается набор и шумовых параметров в заданном диапазоне частот, которые определяются путем предварительного моделирования транзистора либо измерений. Далее будет рассмотрено представление экземпляра транзистора в бинарной строке.

Модификация способа кодирования-декодирования хромосомы

Рассмотрим изменение способа кодирования-декодирования хромосомы, описывающей СВЧ ТУ, для реализации синтеза СВЧ ТУ с использованием моделей элементов, а также автоматического выбора усилительных элементов и их режимов работы.

В исходной версии программы Оепеашр у1 [101] использовались только идеализированные модели пассивных элементов Я, С, Ь и ЛП. При этом длина хромосомы в битах Ьатр, описывающей многокаскадный усилитель, рассчитывается по формуле (1.13).

В модифицированном алгоритме в схеме СВЧ ТУ могут быть использованы аналогичные исходному алгоритму типы элементов. Однако в новом алгоритме каждому типу элемента, помимо идеализированной модели, может соответствовать от 1 до N различных моделей реальных элементов (например, БМО-компоненты разных производителей).

Отметим также, что для реализации синтеза топологии СВЧ ТУ в новой версии программы Оепеашр у2 (п. 2.2), помимо стандартных типов пассивных элементов (резистор, конденсатор, катушка индуктивности и ЛП), используются специальные

элементы, которые представляют собой определенные фрагменты схем и топологий СВЧ ТУ (например, дискретный конденсатор с установочными площадками, МДМ-конденсатор с подводящими ЛП, заземляющее отверстие, цепь питания транзистора, контактные площадки МИС ТУ и др.), описываемые S-моделями.

Из-за добавления новых типов элементов и моделей формулы расчета длины участков хромосомы (генов), описывающих активные (Lac) и пассивные (Lmn) блоки СВЧ-усилителя, должны быть изменены.

В частности, расчет размера гена, описывающего параметры ПБ, по-прежнему осуществляется по формуле:

(2.1)

^тп / ^b i ,

где Иъ - число ветвей в согласующей цепи;

1ЬI - размер гена /-й ветви.

Однако для расчета длины участка хромосомы, описывающей саму ветвь, необходимо теперь использовать формулу, отличную от формулы (1.14):

1+ I + Ьр I* 1) + + Ьипс , (2.2)

1=1

где Ие1 - число пассивных элементов в ветви;

Ь1е - количество битов, выделяемых под тип элемента (резистор, конденсатор, катушка индуктивности, ЛП, фрагмент цепи 1 ... фрагмент цепи N (п. 2.2));