Никишов Артём Юрьевич 1,2 Энергетическая эффективность генераторов хаотических колебаний микроволнового диапазона, реализованных на КМОП структурах 1 Московский Физико-Технический Московский Физико-Технический Институт Институт ( Государственный Университет Государственный Университет) chaos chaos @mail.mipt.ru 2 Институт Радиотехники и Электроники Институт Радиотехники и Электроники им. В.А. Котельникова РАН им. В.А. Котельникова РАН nikishov nikishov @cplire.ru
Энергетическая эффективность генераторов хаотических колебаний микроволнового диапазона, реализованных на КМОП структурах. Никишов Артём Юрьевич 1,2. 1 Московский Физико-Технический Институт ( Государственный Университет ) chaos @mail.mipt.ru. - PowerPoint PPT Presentation
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
*)*) Panas A.I., Kyarginsky B.E., Efremova E.V. "Ultra-wideband microwave chaotic oscillator", Panas A.I., Kyarginsky B.E., Efremova E.V. "Ultra-wideband microwave chaotic oscillator", Proc. 12th Mediterranean microwave symposium MICROCOLL-2007Proc. 12th Mediterranean microwave symposium MICROCOLL-2007, 14-16 May 2007, , 14-16 May 2007, Budapest, Hungary, pp. 145–148Budapest, Hungary, pp. 145–148
out
MSUBMSub1
Rough=0 umTanD=0.016T=0 umHu=1.0e+036 umCond=1.0E+50Mur=1Er=4.2H=1000 um
MSub
MLINTL44
MLINTL43
MLINTL42
MLINTL41
MLINTL40
MLINTL39
MLINTL38
MLINTL37
CC8C=7.0 pF
CC7C=47 pF
CC9C=47 pF
CC11C=47 pF
CC10C=7.0 pF
LL1
R=L=0.7 nH
MLINTL36
L=3700 umW=2100 umSubst="MSub1"
LL3
R=L=3 nH
LL2
R=L=5 nH
UsilitelX6
UsilitelX5
MCURVECurve4
Radius=3775 umAngle=140W=1150 umSubst="MSub1"
MCURVECurve3
Radius=3775 umAngle=140W=1150 umSubst="MSub1"
UsilitelX4
Модель мМодель микрополосковикрополосковогоого генератор хаотических колебаний генератор хаотических колебаний и его и его спектр мощностиспектр мощности
3
Основные достоинстваОсновные достоинства:: Отсутствуют микрополосковыеОтсутствуют микрополосковые линиилинии Ответвитель выполненОтветвитель выполнен на сосредоточенных элементахна сосредоточенных элементах 1 – Генератор 2 – Пять рублей
хаоса кольцевой структуры на хаоса кольцевой структуры на усилительных микросборках", усилительных микросборках", Успехи Успехи современной радиоэлектроникисовременной радиоэлектроники, 2008, , 2008, №1, с. 54–62.№1, с. 54–62.
• Panas APanas A., ., Efremova EEfremova E., ., Kyarginsky BKyarginsky B., ., Nikishov ANikishov A. «. «UWB microwave chaotic UWB microwave chaotic oscillators based on microchip», Proceeding oscillators based on microchip», Proceeding of the 15th IEEE ICECS 2008,Pages: 942-945.of the 15th IEEE ICECS 2008,Pages: 942-945.
Схема кольцевой автоколебательной системы, Схема кольцевой автоколебательной системы, реализованной на КМОП-структурахреализованной на КМОП-структурах (I)(I)
Прототип: кольцевой генератор на сосредоточенных элементахПрототип: кольцевой генератор на сосредоточенных элементах
4
1,2,31,2,3 – – СВЧ СШПСВЧ СШП КМОП усилители КМОП усилители ((усилениеусиление 1 122--22 dB dB в в диапазонедиапазоне 0 0 –– 10 10 GHz) GHz)
55 – – частотно-избирательная схема, состоящая из одного частотно-избирательная схема, состоящая из одного RC- RC- и двух и двух LC-LC-звеньевзвеньев
4 – буферный усилитель4 – буферный усилитель
Кольцевой генератор хаотических колебаний, Кольцевой генератор хаотических колебаний, выполненный на элементах КМОП технологиивыполненный на элементах КМОП технологии
Блок-схема генератораБлок-схема генератора
PortIN
RRe
RRs
RRt
CCl
mnrfMN2l=0.18u
PortOUT
I_DCI_BIAS
PortVDS
CCe
mnrfMN1l=0.18u
5
Ёмкость конденсатора, пФ
Ам
плит
уда
коле
бани
й,В
НапримерНапример::
Cap<3 Cap<3 пФпФ – – только периодические только периодические колебанияколебания
Бифуркационный параметр,Бифуркационный параметр, Cap Cap
Схема кольцевой автоколебательной системы, реализованной на Схема кольцевой автоколебательной системы, реализованной на КМОП-структурахКМОП-структурах (III)(III): :
Выбор параметров системыВыбор параметров системы1. 1. Выбор начальных параметров Выбор начальных параметров системысистемы::
2. 2. Оптимизация параметров с помощью бифуркационных Оптимизация параметров с помощью бифуркационных диаграммдиаграмм::
Начальные параметры Начальные параметры системы выбираются так, системы выбираются так, чтобы продублировать чтобы продублировать характеристики усилителей характеристики усилителей и ответвителя кольцевого и ответвителя кольцевого генератора хаотических генератора хаотических колебанийколебаний
6
МоделированиеМоделирование
ФЧХ в кольце обратной связиФЧХ в кольце обратной связи
При 1.4 В – возможен одночастотный автоколебательный режим (f1=4 ГГц)
При 1.55 В – возможен двухчастотный автоколебательный режим (f1=4 ГГц и f2=1 ГГц)
Спектральные характеристики,Спектральные характеристики,автоколебательной системы (моделирование)автоколебательной системы (моделирование)
Спектральная плотность мощности Спектральная плотность мощности ( (СПМСПМ)) колебаний при различном колебаний при различном напряжении питаниянапряжении питания
1.4 В (fм1=4 ГГц) 1.55 В (fм1=4 ГГц, fм2=1 ГГц )
1.65 В 1.8 В (хаотические колебания)
fм1
fм2
fм1
8
Маршрут проектирования СВЧ устройств на кристаллеМаршрут проектирования СВЧ устройств на кристалле
Спецификации
3
1. Разработка электрической
схемы
3. Разработка топологии
2. Моделирование
4. Верификация
5. Подготовка к интеграции
Топология, тесты, список
цепей
GDSII
EDIF
9
Особенности проектирования устройств в Особенности проектирования устройств в интегральном исполненииинтегральном исполнении
Погрешность номиналов пассивных элементов при Погрешность номиналов пассивных элементов при производстве достигает 15 %производстве достигает 15 %
Отличие в скорости диффузии в транзисторе от заданной Отличие в скорости диффузии в транзисторе от заданной при проектировании достигает 15 %при проектировании достигает 15 %
Разброс в напряжении питания источника Разброс в напряжении питания источника может достигать 10 %может достигать 10 %
Появление отличных от исходных параметров автоколебательной системыПоявление отличных от исходных параметров автоколебательной системы
Возможное отсутствие хаотических колебаний в Возможное отсутствие хаотических колебаний в генераторе при его конечном производствегенераторе при его конечном производстве
10
Анализ режимов работы генератора при допустимых Анализ режимов работы генератора при допустимых отклонениях в номиналах элементовотклонениях в номиналах элементов
Анализ режимов работы генератора при различных Анализ режимов работы генератора при различных допустимых скоростях диффузии в транзисторахдопустимых скоростях диффузии в транзисторах
Спектр мощности, Спектр мощности, худший случайхудший случай
Спектр мощности, Спектр мощности, лучший случайлучший случай
Спектр мощности, Спектр мощности, типичный случайтипичный случай
(Напряжение питания составляет 1.8 Вольт)(Напряжение питания составляет 1.8 Вольт)
12
Анализ режимов работы генератора при допустимых Анализ режимов работы генератора при допустимых отклонениях в номиналах элементовотклонениях в номиналах элементов
Сравнение спектральных характеристик модели автоколебательной Сравнение спектральных характеристик модели автоколебательной системы и её экспериментальной реализациисистемы и её экспериментальной реализации (для 180 нм(для 180 нм))
Сравнение спектральных характеристик модели автоколебательной Сравнение спектральных характеристик модели автоколебательной системы и её экспериментальной реализациисистемы и её экспериментальной реализации (для 180 нм(для 180 нм))
Сравнение основных характеристик модели Сравнение основных характеристик модели автоколебательной системы и её экспериментальной автоколебательной системы и её экспериментальной
Изменение энергетических характеристик генератора при Изменение энергетических характеристик генератора при уменьшении технологической нормы КМОП-структуруменьшении технологической нормы КМОП-структур
Если l1 и l2 технологические нормы КМОП-структур, а КПДl1 и КПДl2 – КПД двух генераторов, реализованных по данным технологическим нормам, то: 2
2
1
1
2
ll
КПДКПД
l
l
19
Изменение энергетических характеристик генератора при Изменение энергетических характеристик генератора при уменьшении технологической нормы КМОП-структуруменьшении технологической нормы КМОП-структур
Спектры мощности хаотических колебаний генераторов, реализованных на КМОП-структурах с нормами: 90 нм (линия – 1, диапазон частот 3-5 ГГц),180нм (линия – 2, диапазон частот 5-7 ГГц)
Технология 90 нм 180 нм 130 нм 180 нм
Диапазон частот (ГГц) 3-5 3-5 5-7 5-7
Напряжение питания (Вольт)
1.0 1.8 1.2 1.8
Ток питания в кольце обратной связи (мА)
27 36 26 27
Ток питания буферного усилителя (мА)
9.6 15 11.6 15
Общий ток питания (мА) 36.6 51 37.6 42
Мощность (мВт) 36.6 92 45.3 75.6
Излучаемая мощность (мВт)
1.4 0.73 0.85 0.56
КПД 3.9% 0.8% 1.8% 0.73%
2
2
1
1
2
ll
КПДКПД
l
l
20
Увеличение энергетической эффективности генератора при Увеличение энергетической эффективности генератора при увеличении внутреннего сопротивления в кольце обратной связиувеличении внутреннего сопротивления в кольце обратной связи
Блок-схема устройства
Технология 90 нм 130 нм 180 нм
Диапазон частот (ГГц) 7-9 5-7 3-5
Напряжение питания (Вольт) 1.0 1.2 1.8
Ток питания в кольце обратной связи (мА)
4 5.2 7.2
Ток питания буферного усилителя (мА)
9.6 11.7 15
Общий ток питания (мА) 13.6 16.9 22.2
Мощность (мВт) 13.6 20 40
Излучаемая мощность (мВт) 1.3 1.1 1
КПД 9.6% 5.5% 2.5%
2
2
1
1
2
ll
КПДКПД
l
l
Для технологии 180 нм:
Pn=1=(Ib+Ig)*Vg=92мВт
Pn=5=(Ib+Ig/n)*Vg=40мВт
21
Экспериментальная реализация системы Экспериментальная реализация системы на КМОП-технологии 130 нмна КМОП-технологии 130 нм
22
Эксперимент по передаче хаотического сигнала с Эксперимент по передаче хаотического сигнала с использованием заказных микросхемиспользованием заказных микросхем