Никишов Артём Юрьевич 1,2

Энергетическая эффективность генераторов хаотических колебаний микроволнового

диапазона, реализованных на КМОП структурах

11Московский Физико-Технический ИнститутМосковский Физико-Технический Институт((Государственный УниверситетГосударственный Университет))

chaoschaos@mail.mipt.ru

22Институт Радиотехники и Электроники им. Институт Радиотехники и Электроники им. В.А. Котельникова РАНВ.А. Котельникова РАН

nikishovnikishov@cplire.ru

2

Микрополосковый генератор хаотических колебанийМикрополосковый генератор хаотических колебаний и его и его спектр мощностиспектр мощности

Микрополосковый кольцевой генератор хаотических Микрополосковый кольцевой генератор хаотических колебанийколебаний*)*)

*)*) 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

Спектральная плотность мощности (эксперимент)

ССЫЛКИ:ССЫЛКИ:• "Сверхширокополосный СВЧ генератор "Сверхширокополосный СВЧ генератор

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

Cap>5 Cap>5 пФпФ – – возможны хаотические возможны хаотические 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)

Типичная бифуркационная диаграммаТипичная бифуркационная диаграмма

f2

Условия Найквиста – Михайлова возбуждения колебаний:Условия Найквиста – Михайлова возбуждения колебаний:• КК>=1>=1 – баланс амплитуд (где К – усиление в кольце обратной связи); – баланс амплитуд (где К – усиление в кольце обратной связи);• Ф=360 Ф=360 *n*n – баланс фаз (Ф – набег фазы в кольце обратной связи, – баланс фаз (Ф – набег фазы в кольце обратной связи, nn целое целое

число)число)

АЧХ в кольце обратной связиАЧХ в кольце обратной связи

Напряжение Напряжение питанияпитания

1.1. 1.4 1.4 ВВ2.2. 1.55 1.55 ВВ3.3. 1.65 1.65 ВВ4.4. 1.8 1.8 ВВ

f1

7

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

R – R – элемент:элемент:

PortIN

RRe

RRs

RRt

CCl

mnrfMN2l=0.18u

PortOUT

I_DCI_BIAS

PortVDS

CCe

mnrfMN1l=0.18u

Источник тока:Источник тока:

Выходная мощность (дБм):Выходная мощность (дБм):

R=100 R=100 Ом: Ом: I=2.7 I=2.7 ммAA -5 -5 -4.-4.55

R=140 R=140 ОмОм: I=3.3 : I=3.3 мАмА --3 -33 -3

Принципиальная схема усилителяПринципиальная схема усилителя

Бифуркационная диаграммаБифуркационная диаграмма Бифуркационная диаграммаБифуркационная диаграмма

Спектр мощности, Спектр мощности, R=140 R=140 ОмОм

Спектр мощности, Спектр мощности, R=1R=1000 0 ОмОм

Спектр мощности, Спектр мощности, I=2.7 I=2.7 мАмА

Спектр мощности, Спектр мощности, I=I=33..33 мАмА

11

Анализ режимов работы генератора при различных Анализ режимов работы генератора при различных допустимых скоростях диффузии в транзисторахдопустимых скоростях диффузии в транзисторах

PortIN

RRe

RRs

RRt

CCl

mnrfMN2l=0.18u

PortOUT

I_DCI_BIAS

PortVDS

CCe

mnrfMN1l=0.18u

Бифуркационная диаграммаБифуркационная диаграмма

Принципиальная схема усилителяПринципиальная схема усилителя

Выходная мощность (дБм):Выходная мощность (дБм):

1) Лучший случай: -2 дБм1) Лучший случай: -2 дБм

2) Типичный случай: -3 дБм 2) Типичный случай: -3 дБм

3) Худший случай: -4 дБм3) Худший случай: -4 дБм

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

С0С0 – – элемент:элемент: С1С1 – – элемент:элемент:

Частотно-избирательная схемаЧастотно-избирательная схема

Бифуркационная диаграммаБифуркационная диаграммаБифуркационная диаграммаБифуркационная диаграмма

Спектр мощности, С=6Спектр мощности, С=6 пФпФ

Спектр мощности, ССпектр мощности, С==3 пФ3 пФ

Спектр мощности, ССпектр мощности, С==0.80.8 пФпФ

Спектр мощности, ССпектр мощности, С==55 пФпФ

13

Анализ режимов работы генератора при различном Анализ режимов работы генератора при различном напряжении питаниянапряжении питания

Типичный случайТипичный случай

Бифуркационные диаграммыБифуркационные диаграммы

Лучший случайЛучший случайХудший случайХудший случай

14

Экспериментальная реализация системы Экспериментальная реализация системы на КМОП-технологии 180 нмна КМОП-технологии 180 нм

Топология системыТопология системы Фото интегральной схемыФото интегральной схемы(размер (размер 0.7x0.8 0.7x0.8 мммм22))

Фото в корпусе Фото в корпусе QFNQFN

Спектральная плотность мощности Спектральная плотность мощности выходного сигналавыходного сигнала

FoFo FeFe

15

Одночастотный автоколебательный Одночастотный автоколебательный режим:режим:

fэ1

fм1

fм2

fэ2

fэ1

fм1

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))

модель:модель: ffмм11=4 =4 ГГц, ГГц, VVsupsup=1.4 =1.4 ВольтВольт

эксперимент:эксперимент: ffээ11==3.23.2 ГГц, ГГц, VVsupsup=1.=1.55 ВольтВольт

Двухчастотный автоколебательный Двухчастотный автоколебательный режим:режим:

модель:модель: ffмм11=4 =4 ГГц, ГГц, ffм2м2=1 ГГц, =1 ГГц, VVsupsup=1.=1.5555 ВольтВольт

эксперимент:эксперимент: ffээ11==3.23.2 ГГц, ГГц, ffээ22=0.6 =0.6 ГГц, ГГц, VVsupsup=1.=1.77 ВольтВольт

16

fэ1

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))

Двухчастотный автоколебательный Двухчастотный автоколебательный режим:режим:

модель:модель: VVsupsup=1.=1.6565 ВольтВольт

эксперимент:эксперимент: VVsupsup==22..33 ВольтВольт

Хаотический автоколебательный Хаотический автоколебательный режим:режим:

модель:модель: VVsupsup=1.=1.88 ВольтВольт

эксперимент:эксперимент: VVsupsup==22..55 ВольтВольт

17

Сравнение основных характеристик модели Сравнение основных характеристик модели автоколебательной системы и её экспериментальной автоколебательной системы и её экспериментальной

реализации (180нм)реализации (180нм)

Параметры (хаотический режим)Параметры (хаотический режим) Модель ЭкспериментНапряжение питания, ВольтНапряжение питания, Вольт 1.8 2.5Ток питания, мАТок питания, мА 25 27Выходная мощность, дБмВыходная мощность, дБм 0.4 0.12Центральная частота, ГГцЦентральная частота, ГГц 4 3.2Диапазон генерации, ГГцДиапазон генерации, ГГц 1.2 0.8КПДКПД 0.9% 0.2%

18

Изменение энергетических характеристик генератора при Изменение энергетических характеристик генератора при уменьшении технологической нормы КМОП-структуруменьшении технологической нормы КМОП-структур

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)

19.5 26 36

Ток питания буферного усилителя (мА)

9.6 11.6 15

Общий ток питания (мА) 29.1 37.6 51

Мощность (мВт) 29.1 45.3 92

Излучаемая мощность (мВт)

1 0.85 0.73

КПД 3.5% 1.8% 0.8%Спектры мощности хаотических колебаний генераторов, реализованных на КМОП-структурах с нормами: 180 нм (линия – 1, диапазон частот 3-5 ГГц), 130 нм (линия – 2, диапазон частот 5-7 ГГц),90 нм (линия – 3, диапазон частот 7-9 ГГц)

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

приёмник приёмник CMOS 130 CMOS 130 нм нм TSMCTSMC

передатчик передатчик CMOS 180 CMOS 180 нм нм SilterraSilterra

Источник:Источник:хаотические радиоимпульсы, 100 нс хаотические радиоимпульсы, 100 нс длит., 100 нс защ. интервал., длит., 100 нс защ. интервал., мощность -10 дБм. мощность -10 дБм.

РасстояниеРасстояние: 0.15 м.: 0.15 м.

23

Характеристика работы модулятора ICL010 (TSMC130nm)

Длительность 10 нс, скважность 10 нс Длительность 20 нс, скважность 20 нс

Длительность 40 нс, скважность 40 нс Длительность 80 нс, скважность 80 нс

Длительность 200 нс, скважность 200 нс