Диссертация (1090806), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Будет использованамикрополосковая подача сигнала.—46 —2 РАЗРАБОТКА МАЛОШУМЯЩЕГО УСИЛИТЕЛЯ2.1 Моделирование активных и пассивных элементовРазвитиесредствпроектированияимоделированиястимулируетсямаксимальным сокращением сроков изготовления и уменьшением количестваитераций для достижения требуемых характеристик. Результатом сокращенияколичества итераций стало развитие так называемого «успеха с первого прохода»(от англ. «first pass success»), когда необходимые характеристики с высокойповторяемостью достигаются за один цикл изготовления МИС [62].
Дляобеспечения «успеха с первого прохода» необходима высокая точностьмоделирования и проектирования, их соответствие реальным элементам,адекватные библиотеки элементов для широкого диапазона частот, а также учетвлияния элементов друг на друга. Актуальной задачей является созданиесобственной библиотеки элементов, отражающей особенности технологииизготовителя и позволяющей значительно ускорить и упростить процесспроектирования СВЧ МИС. Ограничивающим фактором является то, что процесссоздания собственной библиотеки элементов является сложной и трудоемкойнаучно-практической задачей, а также слабо развит на российских предприятиях[63].Уже много лет для анализа поведения активных и пассивных компонентовэлектрических цепей при прохождении СВЧ сигнала используют S-параметры.Они удобны тем, что описывают компонент как «черный ящик», в котором заданыотношения между падающими и отраженными волнами, при этом не имеетзначения, что находится внутри этого «черного ящика» (рисунок 2.1) [64].
Такойподход удобен и производителям компонентов, в таком случае они могут нераскрывать внутреннюю часть своего компонента или устройства, ограничившисьлишь его S-параметрами.—47 —Рисунок 2.1 – Схема модели S-параметровСогласно рисунку 2.1: a1, a2 - комплексные амплитуды волн, входящих вчетырехполюсник (падающие волны); b1, b2 - комплексные амплитуды волн,выходящих из четырехполюсника (отраженные волны).Для четырехполюсника соотношения между сигналами определяютсяследующими выражениями:# = ## ∙ # + #^ ∙ ^(2.1)^ = ^# ∙ # + ^^ ∙ ^(2.2)где параметры S11 и S22 - коэффициенты отражения входа и выходасоответственно, при подключении согласованных нагрузок (отраженный сигналотсутствует) ко всем остальным входам.
Параметры S12 и S21 – коэффициентыпередачи со выхода на вход и со входа на выход соответственно.S-параметры реальных пассивных или активных элементов снимаются припомощи специального оборудования, например векторного анализатора цепей, имогут отображаться в виде графиков или на диаграмме Смита и использоваться всистемах автоматизированного проектирования (САПР) [65]. Недостатком Sпараметров является то, что они снимаются в линейном, то есть малосигнальномрежиме (при малом входном сигнале).
Для анализа поведения элементов внелинейном режиме и учёта нелинейных искажений необходимо использовать Xпараметры, для снятия которых используется специальный прибор – анализаторцепей PNA-X.Измеренные S-параметры являются одной из основных характеристик какпассивных элементов, так и транзисторов. По своей сути S-параметры являютсявекторными значениями прошедших и отраженных волн четырехполюсника и при—48 —их помощи аналитически находятся:− оценка областей неустойчивости (соответствует |S11| и |S22| > 1) иустойчивости (соответствует |S11| и |S22| < 1);− оптимальные импедансы согласующих цепей;− оценка наблюдаемого коэффициента передачи и КСВН.Оценка максимального достижимого коэффициента усиления [66]:1.
Случай абсолютной устойчивости (K > 1), в этом случае максимальноеусиление, которое может быть достигнуто называется KMAG (Maximum AvailableGain):_`a = |9JL9LJ|( − ^ − 1)(2.3)2. В случае неустойчивого транзистора (K < 1), в этом случае усиление награни потери устойчивости называется KMSG (Maximum Stable Gain):_Fa = |9JL9LJ|(2.4)где K – коэффициент устойчивости, определяемый формулой: =#K 9LL J K 9JJ J ? ∆ J^ 9LJ 9JL≥1Δ = S11·S22 – S12·S21(2.5)(2.6)MaxGain – параметр, используемый при измерениях транзисторов, которыйв зависимости от коэффициента K в данной точке, отображает Kmag или Kmsg дляданной частоты.|h21| – коэффициент усиления по току (отношение токов I2 к I1).За последние десятилетия персональные компьютеры совершенствовались,возрастала вычислительная мощность, а сверхмощные компьютеры уже непревышают по размерам персональные рабочие станции.
Постоянный роствычислительных возможностей открывал новые возможности для моделирования,в частности связанные с решением уравнений Максвелла. В таких условияхограничивающим фактором моделирования являются уже не вычислительныемощности, а неточность моделей и их пригодность (особенно в области—49 —сверхвысоких частот).Моделирование пассивных элементов значительно проще, они линейны и какправило не зависят от внешних факторов (например, проходящего ВЧ-сигнала), ихможно разделить на компоненты с сосредоточенными параметрами и компонентыс распределенными параметрами. Компоненты с сосредоточенными параметрамиэто классические резисторы, индуктивности, конденсаторы.
Компоненты сраспределенными параметрами зависят от габаритов элемента и к ним относятся,например, микрополосковые линии и тонкопленочные резисторы. Как правило вСАПР существует собственная библиотека стандартных элементов как длясосредоточенных элементов, так и для распределенных. Однако необходимоучитывать, что библиотеки описывают элементы в идеальной среде и безвзаимного электромагнитного воздействия других элементов схемы, хотя зачастуюэто взаимное влияние компонентов друг на друга оказывает существенное влияниена функционирование схемы и без учета этого влияния можно получитьнекорректные результаты.В качестве простого примера рассмотрим микрополосковую линию. В видепрямой линии она обладает самой маленькой паразитной связью, при этом если еёпредставить в виде меандра, то паразитная связь возрастёт, а самой большойпаразитной связью обладает микрополосковая линия в виде сжатого меандра.
Чемближе и более плотно расположены элементы, тем более существенная паразитнаясвязь между ними возникает [67].Основой расчета в САПР является приближенное решение уравненийМаксвелла, согласно заданным граничным и начальным условиям. В передовыхСАПР в основном используют три типа – метод моментов, метод конечныхэлементов, метод конечных разностей во временной области.Метод моментов (MoM)Такой способ моделирования часто называется 2.5D, или планарным 3D—50 —методом. Особенностью этого метода является то, что в качестве искомойвеличины выступает распределение тока на металлических поверхностях и какследствие разбивка на ячейки происходить только в металлических структурах.Сетка в методе моментов имеет планарный вид и оказывается значительно прощечем объемная сетка двух других методов.
Меньшее количество ячеек сеткиповышает скорость и эффективность моделирования. Метод моментов хорошоподходит для сложных многослойных планарных структур. Еще однимпреимуществом является то, что используется лишь одна матрица для всехвходных портов, то есть увеличение количества портов не приводит ксущественному увеличению времени расчета.Из планарности моделируемых структур следует основной недостатокметода моментов – он не подходит для моделирования произвольных трехмерныхструктур, то есть структура может быть объемной, но обязательно должна бытьлибо многослойной в плоскости XY, либо планарной и вытянутой по вертикаливдоль оси Z через несколько наложенных друг на друга слоев. Такой метод хорошоподходит для моделирования СВЧ МИС, которые обычно состоят из несколькихслоев (металлов и диэлектриков), расположенных сверху вниз и соединительныхпроводников.Метод конечных элементов (FEM)Метод конечных элементов является полноценным трёхмерным методом,что позволяет использовать его для анализа не только многослойных, но ипроизвольно объемных структур.
В нём моделируемый объект располагается вопределенном объеме, ограничивающем область расчета. Весь объем разбиваетсяс помощью сетки из тетраэдрических ячеек, а в объеме вблизи объекта эта сеткаделается более плотной. Неизвестной величиной в методе конечных элементовявляется величина поля, которое аппроксимируется по всем тетраэдрам. Как и вметоде моментов, в этом методе используется лишь одна матрица для всех входных—51 —портов.Данный метод является наиболее гибким и хорошо подходит длямоделирования паразитного влияния корпусирования, или влияния соседнихизлучателей-антенн друг на друга, но при этом для геометрически сложныхобъектов требуется большое число ячеек разбиения и, как следствие, довольномощные рабочие станции.Метод конечных разностей во временной области (FDTD)Метод конечных разностей во временной области, как и метод конечныхэлементов, является полноценным трёхмерным и может быть использован дляанализа структур произвольной формы.
В отличие от метода моментов и методаконечных элементов, в которых уравнения Максвелла решаются в косвеннойформе, в методе конечных разностей происходит решение уравнений Максвелла вявной форме. Как и в FEM весь объем области моделирования разбивается нагексаэдрическиеячейки,азатемиспользуетсяалгоритмпошаговогоинтегрирования во времени и последовательно обновляются значения поля вкаждойячейке,такимобразомявноотслеживаетсяпрохождениеэлектромагнитных волн через исследуемую структуру.Существенным преимуществом, по сравнению с FEM, является отсутствиенеобходимости применения матриц. К недостаткам можно отнести необходимостьотдельного моделирования для каждого порта, поэтому метод не являетсяоптимальным для моделирования схем с большим количеством портов.Наиболее характерным применением метода FDTD является моделированиевстроенных антенн, такой метод позволяет выявлять изменения характеристикантенн от встраивания в корпус или при приближении антенны к человеческомутелу.—52 —Выбор методаПри выборе оптимального метода необходимо учитывать множествофакторов:− геометрия модели – планарная, многослойная или произвольная объемная;− связьсхемотехническогомоделированияиэлектродинамическогомоделирования;− тип амплитудно-частотной характеристики;− число портов.Таким образом, для планарных компонентов лучше всего подходит методмоментов, для произвольных объемных компонентов (переходные соединения,разъемы, корпусы, объемные антенны и т.д.) метод конечных элементов и методконечных разностей во временной области.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
