Данилов В.С. Микроэлектроника СВЧ

и т. д.), паразитные емкости (последовательную и параллельную составляющие) и добротность Q или величину потерь.

Весьма трудной задачей является моделирование конденсаторов со встречно-штыревой структурой, обладающих достаточно большой паразитной емкостью между электродами конденсатора и земляной шиной. Однако достоинство конденсаторов этого типа заключается в том, что они могут быть изготовлены при использовании одного уровня металлизации.

Конденсаторы, изготовленные на основе металл – диэлектрик – металл, более компактные, что и определяет значительно меньшие для них величины паразитных емкостей. Для изготовления конденсаторов такого типа необходимы два уровня металлизации.

Резисторы могут быть выполнены с использованием процесса ионной имплантации в общем технологическом цикле изготовления кристалла. Величины сопротивлений определяются поверхностным сопротивлением ионно-легированных слоев. На паразитные параметры резисторов оказывают влияние размер и соотношение длины и ширины резисторов, которые определяются сопротивлением резистора и максимально допустимым током через него. Тонкопленочные резисторы изготавливаются методом распыления тугоплавких или композиционных материалов. Такие резисторы меньше зависят от температуры.

Передающие линии, выполненные на арсениде галлия, имеют несколько большие потери, чем аналогичные линии, реализованные на подложке из окиси алюминия. Расчеты показывают, что для микрополосковой линии с волновым сопротивлением 50 Ом потери, приведенные к единице длины волны сигнала, практически не зависят от частоты. Так как длина передающих линий в схемах примерно обратно пропорциональна рабочей частоте, существенного роста потерь при переходе к более высоким частотам в твердотельных схемах не происходит. Импеданс передающих линий находится обычно в пределах 30...100 Ом. Длина волны сигнала в твердотельных схемах СВЧ на арсениде галлия примерно втрое меньше длины волны той же частоты в вакууме. Изготовить микрополосковые линии на таких схемах с импедансом, превышающим 100 Ом, весьма сложно, так как ширина передающих линий должна быть очень малой, а сам импеданс при этом начинает зависеть от толщины металлической пленки. По этой причине наиболее удобны для практической реализации линии с импедансом

30...100 Ом.

264 Глава 8. ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ СВЧ-СХЕМ

Индуктивные элементы конструктивно могут быть трех типов

(рис. 8.9):

а – элемент состоит из передающей линии с высоким импедансом, включенным между двумя передающими линиями с низким импедансом. В соответствующем диапазоне частот такой элемент имеет свойства распределенной индуктивности, и при ее проектировании может использоваться модель, применяемая при разработке распределенной передающей линии с разрывами на концах, шунтированной паразитной емкостью;

б – индуктивная петля по свойствам существенно не отличается от первого типа, так как оба элемента имеют слабую магнитную связь между различными участками. Работа индуктивной петли также может быть описана на основе модели распределенной линии с разрывами на концах;

в – спиралевидные индуктивные элементы могут за счет сильной индуктивной связи между различными участками иметь достаточно большую величину индуктивности при незначительной занимаемой площади. Однако из-за существования в таких элементах большого числа последовательных и параллельных паразитных емкостей, приводящих к появлению резонансных частот, моделирование их работы является сложной задачей. Спиралевидные элементы успешно применяются в интегральных схемах, работающих на относительно низких частотах. В настоящее время по мере совершенствования моделей, позволяющих повысить точность проектирования, область их применения расширяется.

Рис. 8.9. Типы индуктивных элементов

Рис. 8.10. Эквивалентные схемы спиралевидной индуктивности (а) и МДМ-конденсатора (б)

Примеры эквивалентных схем спиралевидной индуктивности (а) и МДМ-конденсатора (б) показаны на рис. 8.10. Для каждого элемента необходимо составление эквивалентной схемы, только тогда можно добиться совпадения расчета с экспериментом, причем максимально должны быть учтены и паразитные индуктивности и емкости, включенные параллельно и последовательно с интересующим элементом.

Таким образом, при разработке интегральной схемы приходится иметь дело не с идеальными элементами интегральной схемы, а с эквивалентными схемами реальных элементов, но построенными из соответствующих «идеальных» компонентов.

Способы согласования импeдансов. При разработке твердотель-

ных интегральных схем СВЧ-диапазона способы согласования импедансов можно разбить на три группы: согласование с помощью активных элементов, с помощью обратной связи и с использованием пассивных элементов. Использование конкретного способа согласования предопределяет структуру схемы, размер кристалла и параметры готового прибора. Согласование каскадов в СВЧ-схеме с помощью активных элементов позволяет обеспечить согласование в широком диапазоне частот при незначительных размерах площади, занимаемой схемой на кристалле. Однако для реализации такой группы способов согласования необходимо изготовление на кристалле специальных полевых транзисторов с определенной шириной затвора, необходимой для получения заданной крутизны. Кроме того, достаточно тяжело обеспечить выполнение условий согласования для произвольных значений коэффициентов отражения сигнала на входе и выходе.

Группа способов, в которых используется обратная связь, позволяет получить широкий диапазон рабочих частот схемы при низком уровне шума, но требует применения активных элементов с высокой крутизной, занимающих на кристалле слишком большие площади.

Согласование при помощи пассивных элементов допускает наибольшую гибкость в выборе топологии схемы и размеров полевых транзисторов, но при этом необходимо значительное увеличение площади под размещение согласующих элементов.

При данных способах согласования удается обеспечить оптимальное соотношение между коэффициентом усиления и диапазоном рабочих частот схемы. При активном способе согласования входных цепей схемы используют включение активных элементов по схеме с общим затвором. Входной импеданс таких схем на низких частотах равен величине, обратной крутизне активного элемента. Выходной импеданс схем с общим затвором очень большой и в значительной степени зависит от величины нагрузки. При соответствующем выборе параметров нагрузки каскада на полевом транзисторе с общим затвором может быть легко реализована схема генератора. Для активного согласования выходных цепей каскада на полевых транзисторах с общим затвором используют каскады с общим стоком или истоком. В этом случае выходной импеданс схемы в широком диапазоне частот равен обратной крутизне полевого транзистора. Так как работа схемы на полевых транзисторах с общим стоком зависит от импеданса входной цепи, на ее основе также можно построить генератор.

Таким образом, схемы на полевых транзисторах с общим затвором и общим стоком могут быть применены для реализации активного согласования цепей в широком диапазоне частот, но необходимо учитывать, что такие схемы могут самовозбуждаться.

Хорошие результаты согласования входных и выходных цепей и управления коэффициентом усиления по напряжению усилителей на полевых транзисторах достигаются применением обратной связи. На частотах, значительно меньших граничной частоты fт передачи тока в транзисторе, неплохие результаты удается получить, используя обратную связь через сопротивления. На более высоких частотах для компенсации влияния паразитных элементов полевого транзистора в цепи обратной связи кроме резисторов включаются и реактивные подстроечные элементы.

Использование согласования импедансов с помощью пассивных элементов в интегральных схемах основывается на опыте, накопленном при разработке схем СВЧ на дискретных элементах. Применение пассивных элементов является наиболее универсальным способом согласования импедансов по отношению к любому типу интегральных схем СВЧ. Однако его реализация связана с увеличением площади кристалла интегральной схемы, особенно при использовании пассивных элементов с распределенными параметрами. По согласованию импедансов пассивными элементами имеется обширная литература.

Сравнение рассмотренных способов согласования импедансов выявляет их относительные преимущества и недостатки по таким важным характеристикам, как величина занимаемой площади на кристалле, чувствительность к изменению параметров, гибкость процесса проектирования и т.д. Использование активных схем согласования позволяет осуществить изготовление малошумящих, широкополосных интегральных схем, имеющих очень малую площадь кристалла. Однако эти схемы не обладают высокой стабильностью работы и накладывают ограничения на мощность усилителей. Использование обратных связей целесообразно в тех случаях, когда требуется высокая стабильность характеристик схемы при изменении параметров элементов, а к ширине полосы усиливаемых частот и шумовым характеристикам предъявляются умеренные требования. Обратная связь накладывает ограничения, заключенные в требовании высокой крутизны активных элементов, что приводит к росту потребляемой мощности. Согласование пассивными элементами осуществляется только с сосредоточенными параметрами с целью экономии площади, позволяет обеспечить оптимальное соотношение частот, скомпенсировать падение усиления с ростом частоты возможными изменениями напряжения смещения. Однако пассивные элементы схемы согласования занимают наибольшую по сравнению с другими типами схем площадь кристаллов, а согласование при использовании этих схем может нарушаться даже при незначительных изменениях параметров элементов.

Общие принципы проектирования твердотельных интеграль-

ных схем СВЧ. При создании интегральных схем приходится решать такие вопросы, как выбор толщины подложки и ширины передающей линии, способа заземления и подвода напряжения питания, определение размеров активных элементов и максимального размера кристалла и т.д. Многие из этих вопросов имеют прямое отношение к технологии

производства кристаллов и поэтому не могут однозначно решаться проектировщиком схемы без участия технологов, а это в свою очередь предопределяет или ограничивает выбор схемотехнических решений, возможных для реализации необходимой интегральной схемы.

Одним из важнейших вопросов, решение которого требуется на начальном этапе проектирования интегральной схемы, является выбор толщины пластины полупроводникового материала, от которой зависит и толщина подложки для микрополосковых передающих линий. Однако этот выбор может быть сделан только на основе компромиссного решения, учитывающего несколько важных и противоречивых факторов.

Импеданс микрополосковых передающих линий зависит от отношения ширины линии к толщине подложки. При использовании тонких подложек проектировщик ограничен в возможных пределах выбора импедансов передающих линий и сталкивается с необходимостью использования очень узких линий для получения высокого значения импеданса. Например, ширина передающей линии, имеющей импеданс 100 Ом, реализованной на подложке из арсенида галлия толщиной 125 мкм, должна составлять 10 мкм. Потери в передающих линиях, изготовленных на подложках из высокоомного арсенида галлия, определяются главным образом резистивными потерями в металлических линиях. Эти потери возрастают примерно обратно пропорционально ширине линии. Таким образом, использование подложек меньшей толщины при соответствующем уменьшении ширины передающих линий приводит к росту потерь в линиях, а значит, и к ухудшению шумовых характеристик схем.

Проблемы отвода тепла, выделяемого при работе активных приборов, приводят к необходимости уменьшения толщины подложки до минимально возможной величины. Уже в настоящее время при изготовлении дискретных полевых транзисторов средней мощности применяют подложку толщиной не более 50 мкм. Следовательно, проблемы отвода тепла и уменьшений потерь сигнала в схеме находятся в явном противоречии. Некоторое улучшение теплоотвода может быть достигнуто за счет увеличения площади, занимаемой активными приборами на кристалле, однако это резко снижает процент выхода годных кристаллов за счет увеличения поражаемой поверхности.

Существенное ограничение толщины подложки связано с необходимостью уменьшения размеров кристалла интегральной схемы. Одно

из важнейших правил, используемых при проектировании интегральных схем СВЧ-диапазона с микрополосковыми линиями, определяет, что для уменьшения паразитных связей расстояние между элементами схемы должно в два-три раза превышать толщину подложки. В действительности этим правилом нередко пренебрегают, но тем не менее стремятся не располагать элементы друг от друга на расстоянии меньшем, чем одна-две величины толщины подложки. Таким образом, толщина подложки определяет в значительной степени размеры кристалла интегральной схемы, и его дальнейшее уменьшение требует применения более тонких подложек.

На выбор толщины подложки также влияет необходимость уменьшения индуктивности соединений элементов схемы с земляной шиной, выполняемых через окна в подложке, расположенные по периметру кристалла. Для формирования этих окон можно использовать несколько технологических приемов; их выбор определяет максимальную величину толщины подложки. Кроме того, для больших многофункциональных интегральных схем, у которых размеры сторон кристаллов нередко достигают нескольких миллиметров, определенная проблема заключается в хрупкости, которая проявляется особенно сильно при уменьшении толщины подложки. Это вызывает необходимость совершенствования процессов монтажа кристаллов в корпус.

Из сказанного следует, что при расчете теплового режима и электрических характеристик элементов интегральных схем СВЧ-диапа- зона требуется принятие ряда компромиссных решений при определении некоторых исходных параметров и прежде всего толщины подложки. В настоящее время при проектировании и изготовлении интегральных схем общепринятым стало использование подложек толщиной от 100 до 150 мкм [15].