Разработка сверхширокополосных прецизионных аналоговых перемножителей для мобильных систем автоматического управления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Гавлицкий, Александр Иванович

• Гавлицкий, Александр Иванович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гавлицкий, Александр Иванович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

АНАЛОГОВЫХ ПЕРЕМНОЖИТЕЛЕЙ В СИСТЕМАХ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ МОБИЛЬНЫМИ ОБЪЕКТАМИ

1.1. Использование аналоговых перемножителей в адаптивных систе- 15 мах автоматического управления.

1.2. Возможность использования защитных частотных интервалов в 25 устройствах связи с мобильными объектами.

1.2.1. Анализ доминирующих источников погрешности квадратур-

ных модуляторов.

1.2.2. Анализ доминирующих источников погрешности квадратур- 33 ных демодуляторов.

Выводы

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ПОВЫШЕ- 41 НИЯ ТОЧНОСТИ АНАЛОГОВЫХ ПЕРЕМНОЖИТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ

2.1. Анализ базовой архитектуры перемножителей напряжения

2.2. Анализ источников погрешности множительных ядер и 43 исследование способов снижения погрешности перемножения.

2.3. Анализ влияния объёмного сопротивления биполярных транзи- 51 сторов на линейность АП. Пути минимизации влияния объёмных сопротивлений биполярных транзисторов.

2.4. Исследование основных параметров аналоговых перемножителей, 6( разработанных на основе предложенных методов.

Выводы. ^

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИНЕЙНЫХ УЗЛОВ И УСТРОЙСТВ БЛО- 8 КОВ АППАРАТНОГО УМНОЖЕНИЯ, КВАДРАТУРНЫХ МОДУЛЯТОРОВ И КВАДРАТУРНЫХ ДЕМОДУЛЯТОРОВ

3.1. Преобразователи напряжение-ток. Схемотехнические методы ли- 8 неаризации проходной характеристики преобразователей напряже-

ние-ток.

3.1.1. Анализ погрешности преобразования напряжения в ток

3.1.2. Метод линеаризации проходной характеристики преобразо- 83 вателей напряжение-ток с помощью цепей отрицательной обратной связи.

3.1.3. Метод компенсации нелинейных составляющих тока в пре- 86 образователях напряжение-ток.

3.1.4. Мостовые преобразователи напряжение-ток. Методы ли- 105 неаризации и повышения крутизны преобразования.

3.1.5. Метод оценки нелинейности проходной характеристики 113 преобразователей напряжение-ток при численном моделировании.

3.2. Схемотехнические методы снижения фазовой ошибки баланси- 115 рующих усилителей.

3.3. Ограничители спектра выходного сигнала блоков переноса спек- 124 тра с линейной фазо-частотной характеристикой.

Выводы

ГЛАВА 4. СХЕМОТЕХНИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ 136 РЕАЛИЗАЦИЙ КВАДРАТУРНЫХ ДЕМОДУЛЯТОРОВ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА SGB25VD

4.1. Разработка и исследование квадратурного демодулятора на осно- 136 ве аналоговых перемножителей на МОП транзисторах.

4.1.1. Разработка и исследование топологии балансирующего у си- 138 лителя.

4.1.2. Разработка и исследование топологии аналогового пере- 141 множителя на МОП транзисторах.

4.1.3 Разработка и исследование топологии ограничителя спектра. 145 4.1.4. Разработка и исследование общей топологии квадратурного 147 демодулятора.

4.2. Разработка и исследование квадратурного демодулятора на осно- 151 ве аналоговых перемножителей на биполярных транзисторах.

4.2.1. Разработка и исследование топологии балансирующего уси- 153 лителя-логарифматора.

4.2.2. Разработка и исследование топологии аналогового пере-

множителя на биполярных транзисторах.

4.2.3. Разработка и исследование топологии ограничителя спектра

4.2.4. Разработка и исследование общей топологии квадратурного 160 демодулятора с аналоговыми перемножителями на биполярных транзисторах.

Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 168 ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка сверхширокополосных прецизионных аналоговых перемножителей для мобильных систем автоматического управления»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Создание базовых устройств для многочисленных систем автоматического управления, функционирующих в реальном масштабе времени, связано с реализацией блоков аппаратного умножения, широкополосность которых непосредственно влияет на качественные показатели этих систем. Эта проблема приобретает первостепенное значение при решении общей задачи управления мобильными объектами. Такое утверждение объясняется следующими положениями.

Во-первых, их взаимодействие с внешней средой изменяет как порядок, так и параметры соответствующей модели. Для решения таких задач A.A. Красовским предложен принцип самоорганизующихся оптимальных регуляторов с экстраполяцией (СОРЭ) [23], предполагающих предварительную оценку производных координат объекта фильтрами Калмана-Бьюси [22], интегральное качество которых определяется точностью реализации операции умножения.

Во -вторых, мобильность объекта требует реализации специальных устройств связи с объектами (УСО) по радиоканалу без выделения специальных частотных диапазонов. Эта классическая для современной радиотехники задача непосредственно связана с созданием специализированных сложно-функциональных (СФ) блоков, обеспечивающих трансформацию спектра ВЧ и СВЧ сигналов с относительно низким уровнем дополнительных комбинаторных частот. Решение этой задачи также связано с созданием широкодиапазонных аналоговых перемножителей. Именно поэтому высокие качественные показатели этих устройств создают необходимую техническую предпосылку для построения аппаратных средств современных систем управления мобильными объектами.

Указанная задача относится к области аналоговой микросхемотехники и микроэлектроники. Однако традиционное направление развития современ-

ной электроники подразумевает улучшение параметров микроэлектронных систем и блоков за счёт улучшения параметров активных элементов при переходе на более прогрессивный технологический процесс без значительного улучшения схемотехники. В случае цифровой схемотехники такой подход оправдывает себя: зачастую топология для нового технологического процесса может быть получена масштабированием уже имеющейся для технологического процесса предыдущего поколения. Однако, для аналоговой микроэлектроники экстенсивное развитие сопряжено со значительными трудностями. Более того, переход на субмикронные технологические циклы не приносит ожидаемого улучшения параметров конечных изделий. Топология для нового технологического процесса не может быть получена простым масштабированием, необходима частичная или полная переработка.

В идеальном случае схемотехническая конфигурация аналоговых узлов должна разрабатываться с учётом возможностей и ограничений конкретного технологического процесса, на базе которого планируется выпуск этих узлов и интегральных схем. Однако, экстенсивный путь развития микроэлектроники привел к перекосу в сторону развития технологии против развития схемотехники. В частности, патент на аналоговый перемножитель Джильберта [56] зарегистрирован в 1977 году, конфигурация множительного ядра Кимуры [61] датирована уже 1999 годом. В промежутке между этими двумя конфигурациями присутствуют только незначительные модификации множительного ядра Джильберта [47-53, 58, 59, 62-64, 66, 70, 71].

Как показали исследования ведущих аналоговых схемотехников (Прокопенко H.H., Крутчинского С.Г., Короткова A.C., Дворникова О.В.) разработка аналоговых устройств с учётом базовых ограничений конкретного технологического цикла позволяет получить не только конкурентоспособную, но и, по некоторым параметрам, превосходящую зарубежные аналоги продукцию на основе морально устаревших технологических процессов. Таким образом, исследование базовых аналоговых узлов, разработка аналоговых перемножителей и квадратурных демодуляторов на их основе для пер-

спективного отечественного кремний-германиевого технологического цикла 80В25\Т) является актуальной задачей.

Объектом исследования являются сложно-функциональные блоки систем автоматического управления.

Предметом исследований является схемотехника аналоговых перемножителей напряжения и линейных узлов квадратурных модуляторов и демодуляторов.

Целью диссертационной работы является разработка широкополосных аналоговых перемножителей со сверхнизкой нелинейностью проходной характеристики и погрешностью перемножения для мобильных систем автоматического управления.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи;

1. Произвести анализ целесообразности применения аналоговых перемножителей в самоорганизующихся оптимальных регуляторах с экстраполяцией.

2. Произвести анализ структуры квадратурных модуляторов и демодуляторов для выделения доминирующих источников погрешности.

3. Произвести анализ источников погрешности аналоговых перемножителей. Сформулировать требования и рекомендации по настройке для отдельных узлов аналоговых перемножителей.

4. Произвести анализ источников нелинейности проходной характеристики преобразователей напряжение-ток.

5. На основании произведённого анализа разработать принципиальные схемы преобразователей напряжение-ток со сверхнизкой нелинейностью проходной характеристики.

6. Разработать принципиальные схемы балансирующих усилителей с минимальной амплитудной и фазовой ошибкой.

7. Разработать интегральный активный ограничитель спектра с линейной фазовой характеристикой.

8. На основе разработанных узлов спроектировать топологию интегральных квадратурных демодуляторов с аналоговыми перемножителями, построенными на различных типах активных компонентов. Произвести измерение основных параметров разработанных квадратурных демодуляторов.

Научная новизна.

В рамках диссертационной работы получены следующие новые научные результаты:

1. Предложен новый способ оценки нелинейности проходной характеристики преобразователей напряжение-ток, в отличие от известных, не требующий решения трансцендентных уравнений или построения номограмм;

2. Предложен метод линеаризации проходной характеристики преобразователей напряжение-ток, снижающий влияние режимно-зависимых параметров активных элементов;

3. Предложен метод частотной коррекции балансирующих усилителей, позволяющий получить идентичные амплитудные и фазовые характеристики без применения интегральных или гибридных индуктивностей.

Практическая значимость.

1. Предложенные схемотехнические конфигурации и рекомендации по настройке аналоговых перемножителей и преобразователей напряжение-ток могут использоваться в различных аналоговых узлах устройств как автоматики и вычислительной техники, так и систем обработки и преобразования сигналов, аппаратуры связи.

2. Разработанные топологии квадратурных демодуляторов позволяют приступить к выпуску отечественных однокристальных квадратурных демодуляторов, способных работать в сверхшироком диапазоне частот.

3. Применение отдельных узлов и схемотехнических решений, предложенных в настоящей работе при разработке других аналоговых устройств (например, различных усилителей), позволяет повысить линейность проходной характеристики.

4. Предложенный метод частотной коррекции позволяет отказаться от использования интегральных или гибридных индуктивностей при построении балансирующих усилителей.

Методы исследования основываются на использовании методов сигнальных графов, операторного метода анализа передаточных характеристик цепей и классических методов теории цепей. Экспериментальные исследования выполнены на ЭВМ с применением программ моделирования электронных схем Р SPICE, среды Cadence Virtuoso и высокоточных моделей компонентов.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и результатов, сформулированных в диссертации, подтверждается результатами математического анализа, включая анализ набора практических схем, логическими выводами, компьютерным моделированием, актами внедрения, публикациями, патентами, апробацией работы на международных и всероссийских научно-технических конференциях.

Реализация результатов работы.

Основные исследования, результаты которых представлены в диссертации, проводились в рамках следующих научно-технических проектов кафедры «Информационные системы и радиотехника» ЮРГУЭС:

• проекта ЮРГУЭС РНП.2.1.2.1127, 2.1.2/9532 «Теоретические основы проектирования нелинейных и управляемых СФ-блоков для СВЧ систем связи и телекоммуникаций нового поколения» (аналитическая ведомственная целевая программа Минобрнауки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-20011 годы)»);

• проекта ЮРГУЭС РНП.2.1.2/7267, 2.1.2/9537 «Теоретические проблемы обеспечения радиационной стойкости аналоговых интегральных микросхем» (аналитическая ведомственная целевая программа Минобрнауки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)»);

• проекта ЮРГУЭС - 14.07.ХД по договору № SHKT/R&D/48/2007 от 1.04.07 с фирмой Intel (США) «Разработка сложных радиочастотных бло-

ков на основе технологии SiGe для современных беспроводных систем связи».

Результаты диссертационной работы внедрены на предприятиях ФГУП НИИМА «Прогресс» при производстве однокристального квадратурного демодулятора и ОАО «Интеграл» (г. Минск) при разработке экспериментального образца микросхемы широкополосного усилителя сигналов лавинных фотодиодов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы изложены, докладывались и одобрены на следующих научно-технических конференциях, семинарах: 3-я конференции IEEE International Conférence on Circuits and Systems for Communications - ICCSC06 (July 6-7, Bucharest, Romania, 2006); 4-я конференция European Conférence on Circuits and Systems for Communications - ECCSC 08 (July 10-11, Bucharest, Romania, 2008); «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем» (г. Москва, Институт проблем проектирования в микроэлектронике РАН, 2008, 2010 г.); Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА. (ФГУП «НПП Пульсар», 2009 г.); ежегодных международных научно-практических семинарах «Проблемы аналоговой микросхемотехники» (г. Шахты, ЮРГУЭС, 20062007 гг.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 16 работ из которых 7 работ в материалах международных и всероссийских научно-технических конференций, 1 статья в научном журнале, 5 статей в центральных рецензируемых изданиях, включенных в список ВАК, 3 патента РФ.

На защиту выносится:

- Схемотехнический способ повышения точности перемножения аналоговых сигналов с учётом существующих технологических ограничений электронной компонентной базы, направленный на линеаризацию масштаб-

ной функции преобразования, обеспечение фазовой идентичности каналов, расширение частотного и динамического диапазонов.

- Новые схемотехнические решения, направленные на интеграцию балансирующих усилителей и логарифмирующих преобразователей, обеспечивающих расширение динамического диапазона и диапазона рабочих частот устройств переноса спектра и обеспечение идентичности амплитудных и фазовых проходных характеристик.

- Схемотехника драйверных преобразователей и ограничителей спектра, направленная на исключение паразитной амплитудной модуляции, повышение точности преобразования ортогональных сообщений 4M сигналов.

- Разработка энергоэкономичных с низким уровнем паразитных спектральных составляющих квадратурных модуляторов и демодуляторов с широким диапазоном рабочих частот и возможностью интеграции в специализированные системы-на-кристалле.

- Способ оценки нелинейности проходной характеристики преобразователей напряжение-ток.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 102 наименования, и двух приложений. Основной текст работы изложен на 158 страницах машинописного текста, поясняется 105 рисунками и 14 таблицами.

В первой главе рассматриваются целесообразность применения аналоговых перемножителей (АП) в системах автоматического управления. Произведён анализ целесообразности использования аналоговых перемножителей (АП) в самоорганизующихся оптимальных регуляторов с экстраполяцией. Предложено для повышения точности оценки производной и быстродействия циклических фильтров Калмана-Бьюси (ФКБ) в наблюдателях соответствующих регуляторов использовать АП. В частности, как видно из рис. 1.7, 1.8, использование предложенных в работе АП в ФКБ второго порядка по-

зволяет в несколько раз повысить точность оценки производной и увеличить быстродействие наблюдателя.

С целью эффективного использования диапазона рабочих частот предложено для организации устройств связи с мобильными объектами использовать существующие защитные частотные интервалы посредством применения прецизионных квадратурных модуляторов (КМ) и квадратурных демодуляторов (КД) в соответствующей аппаратуре связи.

Произведён анализ доминирующих источников погрешности КМ и КД. Сформулированы задачи частных исследований в области микросхемотехники этих устройств. Приведено исследование параметров КМ и КД, выпускаемых серийно. Показана необходимость разработки серийно пригодных АП, КМ КД как сложно-функциональных блоков соответствующих систем.

Во второй главе произведён анализ погрешности множительных ядер Джильберта и Кимуры на основе биполярных транзисторов. Предложена схемотехническая модификация множительного ядра Кимуры, позволяющий расширить диапазон рабочих частот. Рассмотрена возможность использования МОП транзисторов в качестве активных элементов множительного ядра Кимуры и его модификации. Произведён анализ влияния объёмных сопротивлений баз биполярных транзисторов на линейность АП. Сформулированы рекомендации по минимизации составляющей, обусловленной влиянием объёмных сопротивлений баз биполярных транзисторов. Произведено численное моделирование параметров АП на основе рассмотренных множительных ядер.

В третьей главе произведён анализ погрешности простейшего преобразователя напряжение-ток (ПНТ) на основе дифференциального каскада. Установлено, что для работающих при высоких напряжениях питания ПНТ требуемый уровень нелинейности проходной характеристики можно обеспечить выбором параметров элементов при соответствующем снижении крутизны преобразования. Понижение питающего напряжение приводит к повышению нелинейности преобразования, причём дальнейшая корректировка параметров элементов ПНТ не приводит к существенному повышению ли-

нейности. С целью снижения нелинейности преобразования предложен схемотехнический метод компенсации нелинейных составляющих выходного тока ПНТ. Предложено пять различных схемотехнических конфигураций ПНТ с повышенной линейностью проходной характеристики, три из которых признаны изобретениями. Произведён анализ и сформулированы рекомендации для настройки предложенных ПНТ.

Предложена схема балансирующего усилителя (БУ) для технологического процесса 8СВ25ЛТ) с верхней граничной частотой 11,79 ГГц. Синтезирована цепь частотной коррекции для БУ на основе дифференциального каскада. Произведено численное моделирование параметров такого БУ, подтверждающее эффективность предложенного метода частотной коррекции. Разработана принципиальная схема активного ограничителя спектра с линейной фазовой характеристикой с интегрированным буферным каскадом.

В четвёртой главе выполнено инженерное проектирование КД как наиболее сложного сложно-функционального блока для технологического процесса 8СВ25УБ.

Первый вариант принципиальной схемы ориентирован на БиКМОП базис, второй вариант выполнен только на транзисторах ИРЫ типа.

С целью учёта влияния паразитных параметров полупроводникового кристалла и металлизации произведена разработка топологии и произведена экстракция паразитных параметров. Установлено, что особенность реализации резистивных элементов приводит к существенному ограничению диапазона рабочих частот в силу влияния их паразитных емкостей.

Для расширения диапазона рабочих частот предложено использовать в множительном ядре биполярные транзисторы. Показано позитивное влияние предложенных схемотехнических решений линейных узлов и устройств, рассмотренных в третьей главе на основные параметры сложно-функциональных блоков.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

В приложениях приведены акты внедрения.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Гавлицкий, Александр Иванович

Выводы.

Использование частотной коррекции в балансирующем усилителе позволяет уменьшить фазовую погрешность в широком диапазоне частот более чем в 10 раз по сравнению с нескорректированным усилителем и схемотехническими конфигурациями с перекрёстными связями, обеспечивающими необходимую идентичность АЧХ каналов (таблицы 4.1, 4.5).

Применение аналоговых перемножителей на основе МОП транзисторов целесообразно в устройствах, работающих в Ь и Б диапазонах и имеющих повышенные требования к линейности проходной характеристики, но только при условии непосредственной подачи дифференциальных сигналов на входы перемножителя.

Применение аналоговых перемножителей на основе биполярных транзисторов позволяет создавать квадратурные демодуляторы, способные функционировать в Ь, 8, С, X и, частично, Ки диапазонах. Использование балансирующих усилителей с частотной коррекцией и токовым выходом позволяет получить низкую результирующую нелинейность проходной характеристики и низкую погрешность перемножения при сохранении широкой полосы рабочих частот (таблица 4.4 ).

Использование в дифференциальных усилителях с отрицательной обратной связью по напряжению парных источников тока и одиночного резистора позволяет снизить постоянную составляющую до двух раз по сравнению с аналогичным усилителем с одиночным источником тока (на примере активного ограничителя спектра) (таблицы 4.3, 4.7).

Экстракция параметров топологии показывает степень влияния паразитных параметров полупроводникового кристалла и металлизации на основные характеристики аналоговых узлов и сложно-функциональных блоков, что позволяет выделить узел или устройство, приводящее неудовлетворительному результату. Особенность предложенных схемотехнических решений позволяет уменьшить количество итераций прототипирования [1]. Так, ограничение частотного диапазона рассмотренного демодулятора может быть скомпенсировано корректировкой номинала одного или двух элементов (С1, С2 или ЯП рис.3.29, 4.12). Это, как видно из рис.3.29 приводит к необходимой коррекции ФЧХ всего тракта преобразования (рис.3.31).

Кроме этого, особенность схемотехнической реализации активного ограничителя спектра (инструментального усилителя) (рис.3.33, 3.34) позволяет использовать паразитные ёмкости на подложку для формирования как АЧХ, так и ФЧХ ограничителя спектра без увеличения параметрической чувствительности схемы.

Анализ параметров, полученных при моделировании разработанных квадратурных демодуляторов с учётом паразитных параметров топологии, подтверждает верность положений, сформулированных в первой главе, а именно:

- использование в блоках переноса спектра аналоговых перемножителей с низкой погрешностью перемножения вместо нелинейных смесителей позволяет резко сократить число и уровень паразитных составляющих выходного спектра;

- снижение уровня паразитных составляющих выходного спектра блоков переноса спектра позволяет существенно (в два раза) расширить диапазон рабочих частот квадратурных модуляторов и квадратурных демодуляторов;

- использование методов схемотехнической интеграции, параметрической компенсации, частотной и нелинейной коррекции позволяет создавать не только конкурентоспособную, но и не имеющую аналогов элементную базу даже на основе морально устаревших технологических циклов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При решении поставленных задач получены результаты, на основании которых можно сделать следующие выводы:

1. Проведённый анализ параметров серийно выпускаемых квадратурных модуляторов и демодуляторов показал, что, вследствие использования нелинейных смесителей для осуществления операции переноса спектра, такие устройства имеют ограниченный диапазон рабочих частот, зачастую определяемый не технологическими ограничениями, а параметрами интегральных ограничителей спектра. В свою очередь, использование «линейных» аналоговых перемножителей позволяет расширить диапазон рабочих частот до теоретически достижимого (с учётом технологических ограничений).

2. Выделены доминирующие источники погрешности квадратурных модуляторов и демодуляторов.

Для квадратурных модуляторов такими источниками являются коэффициент ослабления синфазного сигнала инструментального усилителя, напряжение смещения нуля балансирующих усилителей, фазовая неидентичность квадратурных каналов и нелинейность проходной характеристики и погрешность перемножения аналоговых перемножителей, причём их влияние приводит к появлению паразитных составляющих выходного спектра с комбинационными частотами.

Для квадратурных демодуляторов доминирующими источниками погрешности являются: напряжение смещения нуля балансирующих усилителей, фазовая неидентичность каналов и погрешность перемножения аналоговых перемножителей, причём основная погрешность обусловлена фазовой неидентичностью квадратурных каналов (соотношение 1.24), остальные составляющие погрешности могут быть ослаблены за счёт повышения селективности активного ограничителя спектра.

3. Анализ источников погрешности аналоговых перемножителей показал, что минимизация нелинейности проходной характеристики в режиме управляемого усилителя и погрешности перемножения в режиме квадратора возможна несколькими путями: согласование плотности токов транзисторов множительного ядра и логарифмических преобразователей на входе множительного ядра с целью устранения влияния объёмного сопротивления базы транзисторов; минимизация нелинейности проходной характеристики преобразователей напряжение-ток за счёт устранения влияния режимно-зависимого дифференциального сопротивления перехода эмиттер-база.

4. Предложен метод расширения частотного диапазона множительного ядра Кимуры за счёт уменьшения эквивалентной паразитной ёмкости на выходе ядра.

5. С помощью численного моделирования произведён анализ влияния типа активных компонентов (МОП и биполярные транзисторы) на основные характеристики аналоговых перемножителей. На основании полученных результатов сформулированы рекомендации по возможным областям применения аналоговых перемножителей на биполярных и МОП транзисторах.

6. Предложен новый метод оценки нелинейности проходной характеристики преобразователей напряжение-ток. Полученное аналитическое выражение позволяет выделить доминирующие факторы, влияющие на нелинейность проходной характеристики. Данный метод оценки адаптирован для применения при численном моделировании. Предложенный метод также позволяет оценивать нелинейность проходной характеристики при численном моделировании других линейных и нелинейных аналоговых узлов и устройств.

7. В результате проведённых исследований разработаны новые схемотехнические конфигурации преобразователей напряжение-ток с повышенной линейностью проходной характеристики. Сформулированы практические рекомендации по настройке компенсирующих цепей с целью минимизации нелинейности проходной характеристики этих преобразователей напряжение-ток.

8. На основе предложенных схемотехнических конфигураций преобразователей напряжение-ток и множительных ядер разработано несколько конфигураций как относительно высоковольтных так и сверхнизковольтных прецизионных аналоговых перемножителей.

9. Предложен метод частотной коррекции дифференциального усилителя, позволяющий разрабатывать балансирующие усилители с идентичной амплитудной характеристикой и минимальной фазовой ошибкой без использования гибридных и интегральных индуктивностей.

10. Разработан интегральный ограничитель спектра с линейной фазовой характеристикой без применения интегральных и гибридных индуктивностей.

11. Разработана топология кристалла и межсоединений двух вариантов квадратурных демодуляторов с аналоговыми перемножителями на основе биполярных и полевых транзисторов с изолированным затвором для перспективного отечественного кремний-германиевого технологического процесса 8СВ25УБ. Произведено численное моделирование параметров как отдельных узлов квадратурных демодуляторов, так самих квадратурных демодуляторов с учётом влияния паразитных параметров топологии, полученных с процедурой экстракции.

12. Анализ результатов численного моделирования разработанных квадратурных демодуляторов с учётом влияния паразитных параметров топологии позволяет сделать вывод, что использование предложенных в настоящей работе схемотехнических методов линеаризации проходных характеристик и частотной коррекции позволяет создавать сверхширокополосные квадратурные модуляторы и демодуляторы с низким уровнем паразитных спектральных составляющих. Квадратурные модуляторы и демодуляторы с такими качественными показателями позволяют использовать защитные интервалы без влияния на соседние частотные диапазоны, а их сверхширокопо-лосность создаёт возможность адаптации для решения конкретной задачи без внесения изменений в топологию микросхем. Отдельно следует отметить возможность применения разработанных квадратурных модуляторов и демодуляторов как СФ-блоков в микроэлектронных «системах на кристалле» и системах в корпусе» для организации фильтров с ортогональным преобразованием сигналов.

Результаты диссертационной работы внедрены на предприятии ФГУП НИИМА «ПРОГРЕСС» при производстве однокристального квадратурного демодулятора и в ОАО «МНИЛИ» при разработке экспериментального образца микросхемы широкополосного усилителя сигналов лавинных фотодиодов, что подтверждается актами внедрения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гавлицкий, Александр Иванович, 2012 год

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Адамов, Д. Эффективная разработка и производство мелкосерийных заказных СБИС / Адамов Д. // Современная электроника. 2011. № 4. - С. 1012.

2. Гавлицкий, А.И. Аналоговые перемножители как базовые ячейки нелинейных СФ-блоков / Старченко Е.И., Гавлицкий А.И. // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники: Сб. материалов международного науч.-практ. семинара. Шахты: ЮРГУЭС, 2007. - С. 143 - 149.

3. Гавлицкий, А.И. Влияние типа активных компонентов на характеристики сложно-функциональных блоков на примере аналогового перемножителя / Гавлицкий А.И., Старченко Е.И. // Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА. Материалы научно-технической конференции. - М.: ФГУП «НПП Пульсар», 2009. - С. 32-35.

4. Гавлицкий, А.И. Квадратурные модуляторы для технологического процесса SGB25VD. Опыт практической разработки / Крутчинский С.Г., Старченко Е.И., Гавлицкий А.И., Малышев И.В. // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2008. Сборник научных трудов / под общ. ред. акад. А.Л. Стемпковского. - М.: ИППМ РАН, 2008. - С. 313317.

5. Гавлицкий, А.И. Квадратурные демодуляторы СВЧ диапазона. Опыт практической разработки / Крутчинский С.Г., Старченко Е.И., Гавлицкий А.И., Репин В.В. // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2008. Сборник научных трудов / под общ. ред. акад. А.Л. Стемпковского. - М.: ИППМ РАН, 2008. - С. 318-324.

6. Гавлицкий, А.И. Квадратурные демодуляторы для СВЧ диапазона. Опыт топологической разработки / Старченко Е.И., Гавлицкий А.И., Будяков A.C., Ионов П.Л. // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2010. Сборник научных трудов / под общ. ред. акад. РАН А.Л. Стемпковского. - М.: ИППМ РАН, 2010. - С. 593-597.

7. Гавлицкий, А.И. Особенности схемотехники сверхнизковольтных прецизионных аналоговых перемножителей напряжения / Гавлицкий А.И. // Известия ЮФУ. Технические науки. Тематический выпуск. «Актуальные проблемы производства и потребления электроэнергии». - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. №5 (94). С. 101-108.

8. Гавлицкий, А.И. Патент № 2282892 Российская Федерация Преобразователь напряжение-ток / Старченко Е.И., Гавлицкий А.И.: МПК 7 H03F/45 заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «ЮРГУЭС». - № 2005114551/09, заявл. 13.05.2005, опубл. 14.06.2006. Бюл. №32.

9. Гавлицкий, А.И. Патент № 2307460 Российская Федерация Преобразователь напряжение-ток / Старченко Е.И., Гавлицкий А.И.: МПК 7 H03F/45 заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «ЮРГУЭС». - № 2006109624/09, заявл. 27.03.2006, опубл. 27.09.2007. Бюл. №27.

10. Гавлицкий, А.И. Патент № 2402869 Российская Федерация Преобразователь напряжение-ток / Старченко Е.И., Гавлицкий А.И.: МПК 7 H03F/45 заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «ЮРГУЭС». - № 2009113397/09, заявл. 09.04.2009, опубл. 27.10.2009. Бюл. №27.

11. Гавлицкий, А.И. Прецизионные интегральные аналоговые перемножители напряжения / Старченко Е.И., Гавлицкий А.И. // Проблемы машиностроения и технического обслуживания в сфере сервиса: межвузовский сборник научных трудов. Шахты: ЮРГУЭС, 2006. - С. 54 - 60.

12. Гавлицкий, А.И. Схемотехника мостовых прецизионных преобразователей напряжение-ток / Старченко Е.И., Гавлицкий А.И. // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники: сб. материалов V Международного научно-практического семинара / под ред.Н.Н Прокопенко. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2006. с. 54-59.

13. Гавлицкий, А.И. Схемотехника RC/2-фильтров ВЧ и СВЧ диапазонов / Крутчинский С.Г., Будяков A.C., Гавлицкий А.И. // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники: Сб. материалов международного науч.-практ. семинара. Шахты: ЮРГУЭС, 2007. - С. 133 - 142.

14. Дворников, O.B. Аналоговый биполярно-полевой БМК с расширенными функциональными возможностями / Дворников О.В., Чеховской В.А. // Chip News, №2, 1999. - с. 21-23.

15. Дворников, О.В. Комплексный подход к проектированию радиацион-ностойких аналоговых микросхем. Часть 1. Учет влияния проникающей радиации в "Spice-подобных" программах / Дворников О.В., Гришков В.Н. // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем -

2010. Сборник трудов IV Всероссийской научно-технической конференции / под общ. ред. академика РАН A.J1. Стемпковского. - М.: ИППМ РАН, 2010. -С. 301-306.

16. Дворников, О.В. Обеспечение радиационной стойкости BJT-JFET аналоговых ИС / Дворников О.В. // Минск: НЦФЧВЭ. 1998. - 32 с. - Деп. в Бе-лИСА 30.09.98, № Д199871.

17. Дворников, О.В. Программируемый операционный усилитель, стойкий к воздействию потоков нейтронов / Дворников О.В., Чеховский В.А. // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники: сб. материалов Межд. науч.-практ. семинара. - Шахты: ЮРГУЭС, 2002. — С. 19-23.

18. Дворников, О.В. Проектирование аналоговых микросхем для прецизионных измерительных систем. / Абрамов И.И., Дворников О.В. // Минск: Акад. упр. при Президенте Респ. Беларусь, 2006. - 286 с.

19. Дворников, О.В. Универсальная аналоговая микросхема для датчиков / Дворников О.В., Чеховский В.А., Дятлов B.JI. // Современная электроника. -

2011.-№3.-С. 56-65.

20. Дорф, Р. Современные системы управления / Дорф Р., Бишоп Р. // Пер. с англ. - М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2004,- 832 е.: илл.

21. Капустян, В.И. Проектирование активных RC-фильтров высокого порядка. / Капустян В.И. // М.: Радио и связь, 1982. - 159 с.

22. Красовский, A.A. Адаптивные полиномиальные наблюдатели и идентификация в критических режимах // Аит. - 1996. - №10. - с.142-155.

23. Красовский, A.A. Адаптивный оптимальный регулятор с переменным порядком наблюдателя и временем экстраполяции //АиТ. - 1994. №11.- с.97-112.

24. Красовский, A.A. Аналитическая теория самоорганизующихся систем управления с высоким уровнем искусственного интеллекта / Красовский A.A., Наумов А.И. // Известия РАН. Теория и системы управления. - 2001. -№1. - С. 69-75.

25. Красовский, A.A. Выбор и оптимизация микроэлектропривода // Теория и системы управления. - 1997. - №3. - с. 167-176.

26. Красовский, A.A. Циклическое оценивание при первичной обработке сигналов датчиков // АиТ. - 1988. - №6. с.52-60., Красовский A.A. Алгоритмические основы оптимальных адаптивных регуляторов нового класса // АиТ. - 1995. - №9. с. 104-116.

27. Крутчинский, С.Г. Высокочастотная коррекция СВЧ устройств цепями высокого порядка / Крутчинский С.Г., Грипинский С.А. // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2010. Сборник трудов IV Всероссийской научно-технической конференции / под общ. ред. академика РАН А.Л. Стемпковского. - М.: ИППМ РАН, 2010. - С. 587-592.

28. Крутчинский, С.Г. Нестандартные аппаратные средства адаптивных регуляторов и систем пассивной локации / С.Г. Крутчинский // Автоматика и телемеханика. -2001. -N 7. - С. 138-147

29. Крутчинский, С.Г. Синтез высокопроизводительных наблюдателей систем автоматического управления / Крутчинский С.Г., Чибизов Д.Г. // Электроника и связь: Тематический сборник по материалам Международной научно-технической конференции «Проблемы физической и биомедицинской электроники». - Киев, 1997. - №2. - с.274-275.

30. Крутчинский, С.Г. Синтез структур прецизионных аналоговых устройств / Крутчинский С.Г. // Известия РАН «Теория и системы управления». -2000.-№6.-С. 164-172.

31. Крутчинский, С.Г. Структурный синтез аналоговых электронных схем: монография // РнД: Изд-во Северо-Кавказского научного центра высшей школы. 2001 180 с.

32. Кузовков, Н.Т. Модальное управление и наблюдающие устройства. / Кузовков Н.Т. // М.: Наука, 1976. - 184 с.

33. Кулаков, В.М. Действие проникающей радиации на изделия электронной техники. / Кулаков В.М., Ладыгин Е.А., Шаховцов В.И. и др. (всего 5 авторов) // М.: Сов. радио, 1980. - 224 с.

34. Литюк, В.И. Условия применения аналоговых перемножителей в блоках образования квадратурных составляющих / Литюк, В.И. // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники: Сб. материалов IV Международного научно-практического семинара / под ред. H.H. Прокопенко. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2005. - 26-28 с.

35. Разевиг, В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesigLab 8.0 / Разевиг В.Д. // М.: Солон-Р, - 704 е.: ил. (Серия «Системы проектирования»).

36. Справочник по расчету и проектированию ARC-схем / Под ред. А. А. Ланнэ. -М. : Радио и связь, 1984.

37. Старченко, Е.И. Аналоговые перемножители напряжения со стабильной фазовой характеристикой / Старченко Е.И., Щекин А.Д. // Международный НТЖ «Электроника и связь». - Киев, 2002. -№ 14.- с. 117 - 122.

38. Старченко, Е.И. Особенности схемотехники операционных усилителей, стойких к воздействию потока нейтронов / Старченко Е.И. // Микропроцессорные аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, теория и вопросы применения: материалы III Международ, научно-практической конф. - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2003. - С. 19-23.

39. Старченко, Е.И. Принципы проектирования низковольных прецизионных аналоговых перемножителей напряжения / Е.И.Старченко - Альтернативные естественновозобновляющиеся источники энергии и энергосберегающие технологии. Матер, выездной сессии секции энергетики отделения

энергетики, машиностроения и процессов управления РАН. - Ессентуки, 1215 апреля 2005.: В 2-х ч. Ч 2 / Под ред. Я.Б. Данилевича. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2005. - С. 155 - 163.

40. Тимонтеев, В.Н. Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектронной аппаратуре / Тимонтеев В.Н., Величко Л.М., Ткаченко В.А. - М.: Радио и связь, 1982.

41. Устюжанинов, В.Н. Радиационные эффекты в биполярных интегральных микросхемах. / Устюжанинов В.Н., Чепиженко А.З. // М.: Радио и связь, 1989. - 144 с.

42. Херпи, М. Аналоговые интегральные схемы / Херпи М.; пер. с англ. -М.: Радио и связь, 1984.

43. Шац, С.Я. Элементы теории операционных усилителей / Шац С.Я., Ла-мекин В.Ф., Майборода А.Н. // Зарубежная радиоэлектроника № 2 1979, с. 97-116.

44. Якубовский, С.В. Аналоговые и цифровые интегральные схемы. Справочник. / Якубовский С.В. и др., всего семь человек; Под. ред. С. В. Якубовского. - М: Сов. Радио, 1979. - 336 с. : ил.

45. Ashburn, P. SiGe Hererojunction Bipolar Transistors / Ashburn P. - Wiley & Sons, 2003.-286p.

46. Babanezad, J.N. A 20-V Four-Quadrant CMOS Analog Multiplier/ J.N.Babanezad, G.C.Temes // IEEE Jornal of Solid-State Circuit, vol.sc-20, December 1985, pp.1158-1168.

47. Bowers, D. Analog multiplier with improved linearity. US Patent # 4,572,975.

48. Branson, R. Mixer using four quadrant multiplier with reactive feedback elements. US Patent # 6,255,889.

49. Can, S. Folded analog signal multiplier circuit. US Patent # 5,877,974.

50. Colli et al. Four-Quadrant BiCMOS Analog multiplier US Pat #5,587,682.

51. Cranford, Jr. et al. Low voltage CMOS analog multiplier with extended input dynamic range US Pat #5,842,446.

52. Doing, G. et al. Analog multiplier. US Patent #6,810,240.

53. Erba, S. et al. Low-noise, high-linearity analog multiplier. US Patent # 7,088,169.

54. Gavlicky, A.I. Analogous voltage multiplier based on bipolar transistors and MOSFET / Krutchinsky S.G., Starchenko E.I., Gavlicky A.I. // Fourth European Conference on Circuits and Systems for Communications (ECCSC08). July 1011, 2008, Politehnica University, Bucharest, Romania, pp 91 -94.

55. Gavlicky, A.I. Precision analogue multiplier / Krutchinsky S.G., Prokopenko N.N., Starchenko E.I., Gavlicky A.I. // Third IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communications (ICCSC'06). July 6- 7, 2006, Politehnica University. - Bucharest, Romania, pp 165 - 170.

56. Gilbert, B. Multiplier Circuit / US patent # 4,156,283.

57. Gruner, D. 6 GHz SiGe power amplifier with on-chip transformer combining / Gruner D., Boeck G. // IEEE MTT-S International. - 2007. Pp. 790-794.

58. Hadjichristos, A. Low noise Gilbert multiplier cells and quadrature modulators. US Patent # 5,847,623.

59. Hallen, T. FT multiplier amplifier with low-power blasting circuit. US Patent # 6,320,467.

60. Henn, C. New Ultra High-Speed Circuit Techniques with Analog ICS / Henn C., Burr-Brown International GmbH. - Burr-Brown Corporation, AB-183. Printed in U.S.A. May, 1993.

61. Kimura, K. Analog multiplier using quadritail circuits. US Patent # 5,889,425.

62. Kostiainen, P. et al. Integrated multiplier circuit. US Patent # 6,373,317.

63. Liu, S. Four-quadrant multiplier. US Patent # 5,557,228.

64. Matsugaki, Y. et al. Multiplier. US Patent # 7,024,448.

65. Mitra, A.K. Low-sensitivity high frequency active R-filters. / Mitra A.K., Aatre V.K. // IEEE Trans., 1976, c.CAS-23, #11, pp.670-676.

66. Muraoka, T. Analog multiplier. US Patent # 5,886,916.

67. Prokopenko, N.N. Method of rising the upper level frequency limit of wideband amplifier/ Prokopenko N.N., Starchenko E.I. /1st IEEE International Conference on Circuit and System for Communication, St. Petersburg, 2002, pp. 24 - 27

68. Schmalz, К. Circuit Design in SiGe BiCMOS technology / Schmalz К. Innovations for high performance microelectronics www.ihp-microelectronics.com (электронный ресурс).

69. Starchenko, E.I. Low-Voltage Precision Analogue Multiplier with wide Frequency Range. / Starchenko E.I., Dvornikov O.V., Shchyokin D.I. - (электронный ресурс) - 2nd IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communications. Moscow, 2004 (156.pdf).

70. Stepp, R. Multiplier-input four-quadrant multiplier. US Patent # 5,115,409.

71. Trankle, G. Multiplier circuit. US Patent # 7,026,857.

72. Voinigescu, S.P., Design Methodology and Applications of SiGe BiCMOS Cascode Opamps with up to 37-GHz Unity Gain Bandwith / Voinigescu S.P., Beerkens R., Dickson Т.О., Chalvatzis T. // IEEE CSICS, Techn. Digest, Nov. 2005, pp. 283-286.

73. http ://www. analog. com/static/imported-files/data_sheets/ADL53 86.pdf

74. http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADL5373.pdf

75. http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADL5370.pdf

76. http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADL5372.pdf

77. http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD8346.pdf

78. http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADL5382.pdf

79. http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADL5387.pdf

80. http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADL8347.pdf

81. http ://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/DAC8248.pdf

82. http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD7541A.pdf

83. http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD7533.pdf

84. http://www.datasheetarchive.com/dl/Datasheets-32/DSA-621211.pdf

85. http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/infineon/1 -tda61305 .pdf

86. http ://www. datasheetcatalog.org/datasheet/infmeon/1 -pmb2330.pdf

87. http://www.datasheetcatalog.org/datasheets/228/454935_DS.pdf

88. http://www.datasheetcatalog.org/datasheets2/22/227866_l .pdf

89. http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/Temic/mXyzusut.pdf

90. http://www.datasheetcatalog.org/datasheets/270/303429_DS.pdf

91. http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/MitsubishiElectricCorporation/ mXtzxtx.pdf

92. http ://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX2021 .pdf

93. http ://www.hittite.com/content/documents/data_sheet/hmc495lp3 .pdf

94. http ://www.hittite.com/content/documents/data_sheet/hmc4961p3 .pdf

95. http://www.onsemi.com/pub/Collateral/MC1496-D.PDF

96. http://www.rfmd.com/CS/Documents/STQ-1016(Z)_Datasheet.pdf

97. http://www.rfmd.com/CS/Documents/SRF-1016Z.pdf

98. http://www.rfmd.com/CS/Documents/SRF-2016Z.pdf

99. http://www.skyworksinc.com/uploads/documents/103034F.pdf

100. http://www.skyworksinc.com/uploads/documents/200473B.pdf

101. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/trf370315.pdf

102. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/dac8811.pdf