РАЗРАБОТКА И ИЗМЕРЕНИЯ СВЧ КЛЮЧЕЙ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ ПО ОТЕЧЕСТВЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ КМОП 180 НМ

DEVELOPMENT AND MEASUREMENT OF MICROWAVE SWITCHES MANUFACTURED BASED CMOS 180 nm TECHNOLOGY

Kalyonov Alexander Dmitrievich

Candidate of Technical Sciences,  Senior lecturer at the Institute of Integrated Electronics, National Research University of Electronic Technology MIET,

Russia, Zelenograd

Surkov Alexey Ilyich

 Engineer, Sensart LLC,

Russia, Zelenograd

АННОТАЦИЯ

В работе представлена разработка и экспериментальное исследование дифференциального SPST‑ключа для высокоскоростных цифровых и аналоговых систем СВЧ‑диапазона. Актуальность исследования обусловлена необходимостью создания компонентов с минимальными потерями и искажениями сигнала, высокой скоростью коммутации и низким энергопотреблением на базе отечественной технологии изготовлении интегральных схем. Проектирование включает в себя схемотехническую и топологическую часть.

ABSTRACT

The paper presents the development and experimental study of a differential SPST switch for high‑speed digital and analog microwave range systems. The relevance of the research is due to the need to create components with minimal signal losses and distortions, high switching speed and low power consumption based on domestic integrated circuit manufacturing technology. The design includes a circuit design and a topological part.

Ключевые слова: ключи, потери сигнала, развязка, дифференциальный сигнал, КМОП, ИС, схемотехническое проектирование, топологическое проектирование.

Keywords: keys, signal loss, decoupling, differential signal, CMOS, IC, circuit engineering, topological design.

Разработка дифференциального SPST ключа является важной задачей в современном мире электроники, особенно в контексте высокоскоростных цифровых и аналоговых систем. Такой ключ предназначен для переключения сигналов с минимальными потерями и искажениями, что критично для систем, требующих высокого уровня точности и быстродействия [1].

Первоначально ключ такого типа разрабатывается с учетом нескольких факторов, включая электрические характеристики, такие как сопротивление в замкнутом и разомкнутом состояниях, емкость ключа и параметры вносимых искажений сигнала. Помимо этого, ключ должен обладать способностями к быстрой коммутации и низким уровнем потребляемой мощности. Это достигается путем применения специализированных полупроводниковых технологий и точных инженерных решений [2]. Например, использование MOSFET транзисторов с низким сопротивлением в открытом состоянии и продуманной топологией схемы позволяет минимизировать потери сигнала и уменьшить влияние паразитных элементов [3].

Одна из ключевых задач при этом — минимизация тепловых эффектов и иных факторов, которые могут привести к деградации характеристик устройства в процессе эксплуатации.

В рамках выполнения работы разработаны и изготовлены простой Г-образный ключ и дифференциальный SPST ключ, представленные на рисунке 1.

Рисунок 1. Схемы СВЧ ключей:

а – простой КМОП ключ, б – мостовой ключ

При проектировании топологии СВЧ ключей условие соблюдения минимального расстояния между компонентами не является важным, так как это вносит дополнительные искажения в сигнал

При разработке дифференциальных схем необходимо соблюдение следующих правил.

1) симметричное расположение элементов;

2) элементы удалены друг от друга;

3) элементы не минимальных размеров.

Симметричное расположение элементов необходимо для создания симметричного электромагнитного поля в каждом узле схемы, обеспечивая тем самым одинаковые условия для прохождения дифференциального сигнала в каждой ветви. Удаление симметричных элементов друг от друга позволит уменьшить влияние паразитных элементов/

Сигнальные площадки для работы с СВЧ сигналом имеют конфигурацию GSGSG (земля-сигнал-земля-сигнал-земля). Оставшиеся контактные площадки имеют форму квадрата 100х100 мкм.

Дорожки межсоединений, переходные отверстия, рядом расположенные структуры – все это вносит дополнительные паразитные элементы в топологию блока, изменяя его характеристики. Вместе с развитием технологии и уменьшением проектных норм происходят изменения в толщинах основных слоев [4].

Проведено измерение изготовленных ключей простого Г-образного SPST ключа и дифференциального SPST, особенностью которого является применение принципа компенсации паразитного сигнала. Кристаллы изготовлены с использованием сервиса MPW по технологии КМОП 180 нм.

При измерении на вход ключа подается синусоидальный сигнал с частотами 0,1 – 3 ГГц и контролируется коэффициент передачи на выходе.

Измерения параметров ключей проводились на зондовой станции, позволяющей измерять СВЧ параметры МИС непосредственно на кристалле. Для измерения применяются следящие установки: зондовая станция с возможностью подключить СВЧ иглы с конфигурацией GSG (ground-signal-ground, земля-сигнал-земля), такое подключение обеспечивает корректность измеренных параметров с минимальными потерями на проводах [5].

На рисунке 2 представлены фотографии кристаллов под зондовым микроскопом простого КМОП ключа (а) и мостового дифференциального СВЧ ключа (б).

Рисунок 2. Фотография простого КМОП ключ (а) и мостовой дифференциальный СВЧ ключ (б)

На рисунках 3 и 4 показано сравнение экспериментальных данных Г-образного ключа (рисунок 3б, 4б) и мостового дифференциального (рисунок 3а, 4а) в открытом и закрытом состоянии соответственно.

Рисунок 3. Зависимость коэффициента передачи (S21) от частоты в открытом состоянии:

 а – мостовой ключ, б – Г-образный ключ

Рисунок 4. Зависимость коэффициента передачи (S21) от частоты в закрытом состоянии:

а – простой КМОП ключ, б – мостовой ключ

В таблице 1 представлено сравнение экспериментальных значений простого Г-образного КМОП ключа, спроектированного мостового SPST ключа с зарубежным и отечественным аналогами.

Таблица 1.

Сравнение экспериментальных значений простого КМОП ключа и мостовой схемы с аналогами

Из рисунков 3, 4 и таблицы 1 видно, что параметры мостового ключа лучше, чем у простого КМОП и отечественных аналогов. К достоинствам разработанного СВЧ ключа, представленных в таблице 4.3, можно отнести относительно малые потери (1,5  дБ) и достаточно высокий уровень развязки (36 дБ), при этом диапазон частот достигает 3 ГГц. Однако, зарубежные аналоги превосходят параметры разработанного ключа, но стоит отметить, что при использовании дифференциального сигнала применяется два SPST ключа.

Заключение

В рамках проведённого исследования выполнен полный цикл проектирования и экспериментального исследования дифференциального SPST‑ключа для СВЧ‑систем на базе отечественной технологии КМОП 180 нм. Разработанная конструкция дифференциального SPST‑ключа на технологии КМОП 180 нм обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики в СВЧ‑диапазоне. Применение мостовой дифференциальной схемы с компенсацией паразитного сигнала позволяет существенно улучшить параметры ключа по сравнению с традиционными Г‑образными решениями. Результаты экспериментальных измерений подтверждают адекватность выбранных схемотехнических и топологических решений.

Список литературы:

1. Репин В. В., Дроздецкий М. Г., Мухин И.И., Современные КМОП ключи для СВЧ диапазона // Электронная техника. Серия 3. Микроэлектроника. – 2015, №2.
2. Zhe Fan, Kaixue Ma, Shouxian Mou, and Fanyi Meng, China A High-Isolation Ku-Band SPDT Switch in 0.25μm SiGe BiCMOS Technology IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, VOL. 65, NO. 1, JANUARY 2018.
3. A. F. Berezniak and A. S. Korotkov, Solid-State Microwave Switches: Circuitry, Manufacturing Technologies and Development Trends. Review (Part 1) Saint Petersburg State Polytechnical University, St. Petersburg, Russia Received in final form March 5, 2013.
4. Калёнов, А. Д. Методика проектирования дифференциального СВЧ ключа / А.Д. Калёнов, В. В. Лосев // Интеллектуальные системы и микросистемная техника: сборник трудов научно-практической конференции, пос. Эльбрус, 03–09 февраля 2021 года. – Москва: Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники», 2021. – С. 62-67.
5. Елесин В.В., Назарова Г.Н. Методика оптимизации параметров SPDT-ключей для монолитных фазовращателей и аттенюаторов СВЧ диапазона / Елесин В.В., Назарова Г.Н. // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. научн. трудов. - М.: МИФИ - 2008. - С. 114-120.