Схемотехніче моделювання НВЧ пристроїв

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

"КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"

УДК 621.38

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

СХЕМОТЕХНІЧЕ МОДЕЛЮВАННЯ НВЧ ПРИСТРОЇВ

05.13.12 - Системи автоматизації проектувальних робіт

КИРЮША БОГДАН АН АТОЛІЙОВИЧ

Київ - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі "Системи автоматизованого проектування" Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

Петренко Анатолій Іванович, доктор технічних наук, професор, НТУУ "КПІ", кафедра САПР, завідувач кафедри.

Офіційні опоненти:

Поплавко Юрій Михайлович, доктор технічних наук, професор, НТУУ "КПІ", кафедра мікроелектроніки, професор.

Наритник Теодор Миколайович, кандидат технічних наук, інститут електроніки та зв'язку, директор.

Провідна установа: Харківський державний технічний університет радіоелектроніки, 61726, Харків, пр. Леніна, 14.

Захист відбудеться 16.10.2006 р. о 14-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.08 у Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, корп. 12, ауд. 114.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці НТУУ "КПІ" (03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37).

Автореферат розісланий 16.09. 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.002.08, доктор технічних наук, професор Савін В.Г.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дисертації. Зростання вимог до швидкості передачі та обробки інформації у сучасному суспільстві вимагає від розробників електронної техніки постійного підвищення частоти роботи пристроїв, тому за таких умов зростає потреба у вітчизняних САПР для НВЧ смуги.

Для впровадження в схемотехнічні САПР можливостей моделювання НВЧ пристроїв існує багато підходів, що відрізняються як за призначенням, так і за вимогами. Найменшою похибкою, традиційно, відрізняються найбільш розрахунково-ємні системи, що спираються на моделі фізичних процесів "низького" рівня. Використання таких засобів на ранніх стадіях проектування, коли потрібно розглянути багато варіантів рішень та відкинути найменш корисні, є неефективним. Потреба у точному моделюванні з використанням чисельно-ємних методів виникає вже на кінцевих етапах розробки і викликана тим, що результати такого моделювання найближчі до результатів вимірювань реальних приладів.

Найбільш інтелектуально ємною є робота інженера на етапі пошуку та попередньої перевірки різних варіантів побудови пристрою, що зумовлює підвищені вимоги до точності схемних моделей, які переважно використовуються саме на цьому етапі розробки. Головними перевагами схемотехнічного моделювання є простота інтеграції в існуючі САПР, низькі системні вимоги, велика кількість засобів обробки результатів (оптимізація, тестування, синтез схем і т.п.).

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота безпосередньо пов'язана з планами наукових досліджень, які виконуються на кафедрі САПР по створенню та розвитку пакета схемотехнічного моделювання ALLTED.

Результати дисертаційної роботи використовуються в рамках проектів: НИР "Математическое моделирование электрофизических процессов и структур микроэлектромеханических сенсоров", НТУУ "КПИ", 2001 г., тема №2383; НДР "Розробка методології та інструментарію моделювання мікроелектромеханічних структур (МЕМС) та великих інтегральних схем (ВІС)", НТУУ "КПИ", 2003 р., тема №2512; НДР "Створення новітніх підходів та методів параметричної оптимізації мікроелектромеханічних структур та інтегральних схем", НТУУ "КПИ", 2003 р., тема №2718.

Метою дисертаційної роботи є створення набору схемних моделей НВЧ елементів, необхідних для проектування найбільш вживаних НВЧ пристроїв, а саме, пасивних мікрополоскових та активних НВЧ пристроїв. Для досягнення цієї мети в роботі поставлено та вирішено наступні задачі:

- дослідити найбільш поширені сучасні засоби НВЧ моделювання придатних для використання в якості джерела емпіричних даних;

- визначити вимоги до сучасних моделей мікрополоскових НВЧ елементів, які б відповідали як потребам розробників НВЧ пристроїв, так і обмеженням схемотехнічних САПР;

- випробувати існуючи схемні моделі НВЧ елементів та визначити джерела їх невідповідності сучасним вимогам проектування;

- визначити та проаналізувати поширені методи побудови і впровадження моделей НВЧ елементів з метою визначення найбільш пристосованих для вирішення поставленої задачі;

- визначити моделі НВЧ елементів, які задовольняють вимогам проектування та сформулювати рекомендації до їх використання;

- розробити нові моделі тих НВЧ елементів, для яких досліджені схемні моделі не відповідають за точністю або смугою частот;

- виконати порівняльний аналіз результатів моделювання тестових прикладів з використанням сформованого набору моделей та більш точних засобів моделювання.

Об'єктом дослідження є автоматизоване проектування НВЧ пристроїв.

Предметом дослідження моделі елементів для проектування НВЧ пристроїв.

Методи дослідження. У роботі використані методи математичного моделювання, диференційного числення та чисельні методи. В якості джерела емпіричних даних використано результати моделювання за методом моментів. Для апроксимації деяких формул за емпіричними даними використано декілька методів оптимізації, зокрема градієнтні методи, методи випадкового пошуку та генетичний алгоритм. Перевірка отриманих результатів здійснювалася шляхом проведення обчислювальних експериментів на ЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів. В дисертаційній роботі досліджено і розроблено набір схемних моделей пасивних мікрополоскових та активних НВЧ пристроїв. При цьому:

1. Визначені граничні умови для застосування схемотехнічного моделювання при проектуванні НВЧ пристроїв, які сформульовані у вигляді набору співвідношень геометричних розмірів та граничних частот.

2. Досліджені існуючі схемні моделі мікрополоскових компонентів з метою визначення головних чинників їх похибки. До головних джерел похибки досліджених моделей мікрополоскових компонентів віднесено: відсутність врахування розподілу носіїв зарядів на високих частотах по поверхні провідників та впливу розподілення напруженості у діелектрику на відстанях до двох товщин підкладки; відсутність або низька точність врахування взаємного впливу мікрополоскових компонентів.

3. Запропоновано базовий набір нових моделей мікрополоскових компонентів, який відрізняється від досліджених моделей кращою точністю (до 0.5 %), універсальністю та широкосмуговістю(до 15ГГц).

4. Розроблено та перевірено на прикладах моделей спосіб визначення параметрів елементів моделей мікрополоскових компонентів, який базується на використанні як експериментальних даних, так і даних, отриманих з застосуванням методу моментів.

5. Розглянуто існуючі моделі потужних гетеротранзисторів та польових транзисторів, на підставі порівняльного аналізу яких сформульовані рекомендації з застосування цих моделей для окремих типів пристроїв та умов використання.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Розроблені схемні моделі мікрополоскових компонентів і моделі польових транзисторів впроваджені у вітчизняну програму ALLTED в вигляді підсистеми RF-аналізу, ефективність яких підтверджено розрахунками кількох тестових НВЧ пристроїв.

2. На підставі дослідження моделей НВЧ польових транзисторів та гетеротранзисторів сформульовано рекомендації до їх практичного використання в залежності від типу проектованих НВЧ пристроїв.

3. Запропоновано нову схемну модель ідеальної лінії, яка має постійне значення амплітудно-частотної характеристики.

4. Запропоновано вісім нових та модифікованих схемних моделей мікрополоскових НВЧ елементів, що мають кращі характеристики за смугою частот та похибкою моделювання порівняно з сучасними аналогами пакетів HSPICE та Microwave office 2004.

Запропоновані моделі впроваджено до складу пакету ALLTED та порівняно з відповідними моделями пакетів HSPICE і Microwave office 2004. Моделі перевірено на тестових прикладах проектування НВЧ пристроїв: фільтрі, підсилювачі та подільнику.

Особистий внесок здобувача. Автором виконано основну частину теоретичних досліджень. Розроблено та впроваджено нові моделі мікрополоскових НВЧ елементів. Проведено тестування запропонованого набору моделей. У публікаціях, написаних у співавторстві, автору належать: розробка та обґрунтування нової моделі ідеальної та мікрополоскової ліній [1], рекомендації до використання моделей НВЧ польових транзисторів [2], рекомендації до використання моделей потужних гетеротранзисторів [3], нова модель оптимального повороту на 90 градусів [4].

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи доповідалися на:

- наукових семінарах кафедри САПР з 2002-2006 років,

- міжнародній науково-технічній конференції "Проблеми електроніки", м. Київ, 17-19 червня, 2001р.,

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 5 наукових праць, серед яких 4 в провідних фахових виданнях.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, трьох розділів, висновків, списку використаних джерел, додатку. Загальний обсяг дисертації 190 сторінок, в тому числі 130 сторінка основного тексту, 104 бібліографічних найменування на 10 сторінках, 110 рисунків, 14 таблиць, 5 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність, показано зв'язок проблеми з науковими програмами, планами та темами, сформульовано методи та основні завдання досліджень, наукову новизну та практичне значення отриманих результатів. Наведено дані про впровадження результатів роботи, її апробацію, публікації та особистий внесок здобувача.

У першому розділі "моделі НВЧ компонентів" розглянуто витоки, розвиток та перспективи НВЧ моделювання, розглянуто найбільш поширені методи та засоби автоматизованого проектування НВЧ пристроїв. Розглянуто найбільш поширені в НВЧ САПР методи та засоби створення моделей НВЧ пристроїв. Насамперед, проведено порівняння потенційних можливостей емпіричних, табличних та фізично обґрунтованих схемних моделей для частотного та часового аналізу. Узагальнені переваги та недоліки застосування штучних нейронних мереж при моделюванні та оптимізації на різному рівні точності. Досліджено походження багатьох з найбільш вживаних схемних моделей НВЧ пристроїв. Обґрунтовано вибір схемних моделей для розширення бібліотеки моделей САПР ALLTED, замість інших розглянутих можливостей, до яких відносяться: табличні моделі, ШНМ, метод гармонійного балансу. В якості еталону для оцінки похибки схемних моделей обрано результати моделювання мікрополоскових пристроїв за методом моментів.

Другий розділ "Моделі НВЧ компонентів" присвячений ґрунтовному дослідженню існуючих схемних моделей, методів створення схемних моделей та створенню нових моделей мікрополоскових компонентів.

Перший підрозділ другого розділу присвячено розробці нової моделі ідеальної лінії та її впровадженню для моделювання мікрополоскової лінії. В якості моделі мікрополоскової лінії без втрат найчастіше використовується модель ідеальної лінії, оскільки при малих геометричних розмірах та великих частотах втрати, викликані активною складовою опору, незначні. Моделі ідеальних ліній, які можна використовувати як для частотного, так і для часового аналізу, можна розділити на дві групи:

- моделі, в яких часові затримки реалізовано на елементах пам'яті;

- схемні моделі із затримками на RLC ланках.

Основним недоліком моделей першої групи є низька чутливість до близько розташованих частот, пов'язана з обмеженою кількістю часових відликів. Приклад такої моделі наведено на рис. 1а, де I₁ та I₂ - керовані джерела струму на елементах пам'яті, що реалізують часову затримку Дt, Z₀ - хвильовий опір лінії.

Рис. 1. Базові моделі мікрополоскових ліній.

Моделі другої групи будуються на основі класичної моделі ідеальної лінії (рис. 1б), основним недоліком якої є її фільтруючі властивості, яких не має мати ідеальна лінія(рис. 2). Тому для зменшення впливу ефекту фільтрації збільшують кількість ланок, які складають модель (без суттєвого впливу ефекту фільтрації можна створити LC ланку з фазовим зсувом до 3^о), що досягається шляхом зменшення значень L та C. В деяких пакетах схемного моделювання, часову затримку ідеальної лінії реалізують шляхом модифікації алгоритму обчислень (наприклад, модифікація У-матриць), але таке рішення не є прикладом схемного моделювання.

Рис. 2. АЧХ LC ланки.

В дисертаційній роботі запропоновано нову модель ланки ідеальної лінії, еквівалентну схему якої наведено на рис. 3.

Рис. 3. Нова еквівалентна схема ланки ідеальної лінії.

Параметри елементів моделі з рис. 3 для ідеальної лінії з хвильовим опором Z та фазовим зсувом ц на частоті F розраховуються за формулами:

, (1)

За умови узгодження хвильових опорів входу та навантаження з хвильовим опором лінії, коефіцієнт передачі каскаду нової моделі ланки ідеальної лінії дорівнює одиниці, незалежно від частоти. Фазовий зсув нової моделі ланки ідеальної лінії є лінійно залежним від частоти та може досягати 45^о. Покращені характеристики моделі з рис. 3 досягнуто завдяки введенню від'ємної індуктивності, яка нейтралізує фільтруючи якості LC ланки(рис. 4).

У другому підрозділі другого розділу дослідженню основні джерела похибки існуючих схемотехнічних моделей, потенційні можливості схемного моделювання мікрополоскових ліній, розроблено нові моделі мікрополоскових компонентів та отримано формули розрахунку параметрів елементів окремих моделей.

Рис. 4. АЧХ та ФЧХ нової ланки ідеальної лінії.

До головних джерел похибки схемних моделей мікрополоскових компонентів віднесено:

- похибка опису внутрішніх процесів у мікрополоскових неоднорідностях,

- похибка із-за взаємного впливу фрагментів мікрополоскового пристрою,

- похибка, яка викликана відсутністю врахування зовнішнього впливу, змін параметрів матеріалів при зростанні температури.

Похибки другого та третього типу в цій роботі свідомо не враховуються, оскільки їх подолання вимагає збільшення обсягу розрахунків, яке не більш ефективне, ніж безпосереднє використання методу моментів. Тому головну увагу при розробці схемних моделей віддано врахуванню похибок першого типу. Сформульовано наступні обмеження використання схемних моделей для проектування НВЧ пристроїв:

1. Співвідношення ширини мікрополоскових ліній до товщини підкладки визначаються смугою найбільш вживаних хвильових опорів ліній (від 25 Ом до 80 Ом), що відповідає відношенням ширини до товщини від 0.25 до 4.

2. Довжина окремої мікрополоскової неоднорідності має мати фазову довжину лінії до 10^о. В підрозділі 2.1 було продемонстровано обмеження вживання моделі за фазовим зсувом, що припадає на розміри мікрополоскового компоненту. Ті самі обмеження стосуються і всіх інших мікрополоскових компонентів.

3. Частотні обмеження цілком визначаються фазовою довжиною лінії та товщиною і параметрами підкладки. Для найбільш вживаних матеріалів (Полікор, Кварц, GaAs) частотна межа для схемних моделей складає близько 15 ГГц.

Головним критерієм вибору між вдосконаленням формул розрахунку параметрів існуючих схемних моделей та створенням нової еквівалентної схеми було обрано наступний алгоритм:

1. Для моделі окремого компоненту створюється набір тестових прикладів, параметри яких рівномірно покривають смугу обмежень, сформульовану для схемних моделей мікрополоскових компонентів.

2. За методом моментів розраховуються S-параметри тестових прикладів, які надалі використовуються в якості еталону для порівняння.

3. Розраховуються S-параметри найбільш досліджуваної схемної моделі мікрополоскового компоненту (надалі "старої" моделі), та у випадку їх відповідності за характеристиками сформульованим вимогам (частота до 15ГГц при похибці до 0.5 %) виконання алгоритму припиняється.

4. Якщо "стара" модель не відповідає вимогам, визначаються оптимальні за похибкою значення параметрів елементів. Для цього використовуються градієнтні та статистичні методи оптимізації.

5. Якщо отримані за рахунок оптимізації моделі тестових прикладів відповідають вимогам за похибкою та смугою частот, то визнається достатнім модифікація формул розрахунку параметрів елементів моделі.

6. Якщо оптимізовані моделі не відповідають вимогам за похибкою та смугою частот, то визнається за необхідне розробка нової схемної моделі.

Для вдосконалення існуючих моделей та при розробці нових моделей використовувалась наступна процедура апроксимації нових формул розрахунку параметрів елементів:

1. Визначаються параметри мікрополоскової неоднорідності, які мають вплив на ємності та індуктивності моделі.

2. Визначається взаємний вплив окремих параметрів моделі, при дотриманні яких значення ємностей та індуктивностей моделі нехтувано мало змінюються.

3. Кожній з визначених закономірностей призначається набір параметрів, які будуть використовуватись для апроксимації.

4. Формулюється узагальнена параметризована формула розрахунку параметрів для кожної окремої складової моделі, яка містить усі визначені на кроках з першого по третій закономірності.

5. Виконується параметрична оптимізація нової формули розрахунку параметрів нової формули за відповідністю S-параметрам тестових прикладів.

6. В разі успіху, з формули виключаються усі закономірності, параметри яких нехтувано малі, та виконується повторна оптимізація.

7. У разі відповідності похибки отриманої моделі сформульованим вимогам формула перевіряється на додаткових тестових прикладах. У протилежному випадку процедура повторюється з першого пункту.

У випадках, коли використання еквівалентної схеми "старої" моделі не дає змогу отримати достатньо якісний результат, виникає потреба в розробці нової еквівалентної схеми. Для цього використовувалось декілька підходів: дослідження розподілення напруженностей по поверхні компоненту; розбиття компоненту на більш прості складові; введення до складу моделі нових параметризованих елементів та їх оптимізація.

Рис. 5. Топології та еквівалентні схеми мікрополоскових неоднорідностей, для яких були запропоновані нові формули розрахунку параметрів елементів.

До недоліків таких підходів слід віднести їх емпіричне походження, яке вимагає великого обсягу розрахунків та не завжди може гарантувати якість отриманого результату. Але такий підхід добре піддається автоматизації, а наявність сучасних САПР, з засобами моделювання за методом моментів, дає змогу вчасно відкинути свідомо хибні варіанти. В Для перевірки ефективності такого підходу використовуються розраховані для комплексних прикладів характеристики вдосконалених "старих" та розроблених "нових" моделей мікрополоскових компонентів.

До переліку вдосконалених моделей мікрополоскових компонентів, запропонованих в дисертації, належать: мікрополосковий "стрибок" (рис. 5а), асиметричний мікрополосковий "стрибок" (рис. 5б), "обрив" (рис. 5в), "закоротка" (рис. 5 г).

Формули розрахунку параметрів елементів моделі "стрибка":

,,, (2)

де Z1 та Z2 - хвильовий опір ліній, які утворюють "стрибок".

Формули розрахунку параметрів елементів моделі асиметричного "стрибка": схемна модель надвисокочастотний мікрополосковий

, , , (3)

де Z1 та Z2 - хвильовий опір ліній, які утворюють асиметричний "стрибок".

Ємність "обриву" мікрополоскової лінії розраховується за формулою:

, (4)

де W - ширина мікрополоскової лінії, h - товщина підкладки, е_r - діелектрична проникність підкладки.

Індуктивність "закоротки" мікрополоскової лінії розраховується за формулою:

, (5)

де W - ширина мікрополоскової лінії, h - товщина підкладки.

У таблиці 1 наведено максимальні частоти, на яких "старі" та модифіковані моделі забезпечують похибку меншу за 0.5 %.

Таблиця 1. Порівняння максимальних частот "старих" та модифікованих моделей з рис. 5

Модель	"Стрибок"	Асиметричний "стрибок"	"Обрив"	"Закоротка"
"Стара" модель	7 ГГц	7 ГГц	15 ГГц	9 ГГц
Модифікована модель	14 ГГц	16 ГГц	22 ГГц	15 ГГц

До переліку нових моделей мікрополоскових компонентів, запропонованих в дисертаційній роботі, належать: поворот(рис. 6а), "оптимальний" поворот(рис. 6б), Т-з'єднання(рис. 6в), Х-з'єднання(рис. 6г), розвилка з обривом(рис. 7а), зв'язані лінії(рис. 7б).

Рис. 6. Топології та еквівалентні схеми запропонованих в дисертаційній роботі моделей.

Ємність С моделі повороту мікрополоскової лінії розраховується за формулою:

(6)

де h - товщина підкладки, е_r - діелектрична проникність підкладки.

Ємність С моделі оптимального повороту мікрополоскової лінії розраховується за формулою:

(7)

де h - товщина підкладки, е_r - діелектрична проникність підкладки.

Рис. 7. Топології та еквівалентні схеми запропонованих в дисертаційній роботі компонентів.

Формули розрахунку параметрів елементів моделі Т-з'єднання:

, , (8)

, (9)

, (10)

, (11)

де Z1 та Z2 - хвильовий опір ліній, які утворюють з'єднання.

Формули розрахунку параметрів елементів моделі Х-з'єднання:

(12)

, (13)

, (14)

де Z - хвильовий опір ліній, які утворюють з'єднання, W - ширина мікрополоскових ліній, h - товщина підкладки, е_r - діелектрична проникність підкладки.

Формули розрахунку параметрів елементів моделі розвилки з обривом:

, , (15)

, (16)

, (17)

де Z1 та Z2 - хвильовий опір ліній, які утворюють з'єднання, h - товщина підкладки, S - відстань між лініями.

Формули розрахунку параметрів елементів моделі зв'язаних ліній:

, (18)

, (19)

, (20)

де Z1 та Z2 - хвильовий опір зв'язаних ліній з парним та непарним збудженням, С_Line- ємність за формулою (1).

У таблиці 2 наведено максимальні частоти, на яких "старі" та запропоновані моделі забезпечують похибку меншу за 0.5 %.

Таблиця 2. Порівняння максимальних частот "старих" та запропонованих моделей з рис. 6 та рис. 7

Модель	Поворот	Т-з'єднання	Х-з'єднання	Розвилка з обривом	Зв'язані лінії
"Стара" модель	11 ГГц	9 ГГц	5 ГГц	-	-
Модифікована модель	18 ГГц	15 ГГц	14 ГГц	15 ГГц	12 ГГц

В третьому підрозділі другого розділу наведено огляд сучасних НВЧ моделей потужних польових транзисторів. За результатами огляду створено класифікацію моделей польових транзисторів за похибкою, призначенням та врахованими фізичними ефектами. Класифікацію моделей оформлено у вигляді таблиці, яка входить до складу дисертації. Обмеження до розмірів автореферату не дають змоги навести створену класифікацію, оскільки в таблиці використовуються дані з опису кожної з досліджених моделей польових транзисторів. За результатами досліджень та класифікації моделей польових транзисторів сформульовано рекомендації до вживання найбільш вдалих з досліджених моделей.

На рис. 8 наведено еквівалентну схему моделі MESFET/pHEMT транзистора, з одним або декількома затворами, яка відрізняється найменшою похибкою при частотах до 10ГГц. Цю еквівалентну схему запропоновано Вудом Дж. та Рутом Н. у грудні двохтисячного року в IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. Для визначення параметрів компонентів використовується методика автоматизованого розрахунку параметрів моделі на підставі експериментальних даних, яка запропонована розробниками моделі. Модель супроводжується формулами масштабування параметрів "паразитних" елементів. Формули обчислення параметрів елементів "внутрішніх" складової моделі є сплайн-інтерполяцією результатів вимірювань. За своєю структурою ця еквівалентна схема є відтворенням лінеаризованих S-параметрів. Параметри елементів моделі частотно незалежні.

Рис. 8, 9. Багатофункціональна модель гетеротранзистора.

В четвертому підрозділі другого розділу наведено огляд сучасних НВЧ моделей потужних гетеротранзисторів. За результатами огляду створено класифікацію моделей гетеротранзисторів за похибкою, призначенням та врахованими фізичними ефектами. Класифікацію моделей оформлено у вигляді таблиці, яка входить до складу дисертації. За результатами досліджень та класифікації моделей гетеротранзисторів, обрано найбільш універсальну модель для впровадження в сучасні нелінійні САПР.

На рис. 9 зображена еквівалентна схема простої багатофункціональної фізично обґрунтованої моделі гетеротранзистора для великого сигналу, яка включає ефект самонагрівання та пристосована як для "однопальчикових", так і "багатопальчикових" гетеротранзисторів на GaAs. Ця модель запропонована Широковим М. та Черепко С. у травневому номері IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 2002 року. В цій моделі врахування температурного ефекту реалізовано за допомогою залежного джерела напруги I_BE, керованого струмом колектора. Для отримання параметрів елементів моделі використовуються як аналітичні розрахунки, так і емпіричні дані. Застосування моделі обмежено пристроями з площею емітера до 50 мкм² та частотою до 8 ГГц для великих сигналів і до 34 ГГц для малих сигналів. Ця модель має наступні особливості:

- може бути використана як однопальчикових, так і багатопальчикових гетеротранзисторів;

- в моделі враховано ефект самонагрівання за допомогою введення додаткового елементу (джерела напруги ІНУТ, керованого струмом), що впливає на напругу база-емітер залежно від струму колектора;

У третьому розділі "впровадження та тестування нових моделей у пакеті ALLTED" дисертаційної роботи викладено процедуру впровадження моделей НВЧ компонентів до складу пакету ALLTED. Наведено формули розрахунку хвильових опорів незалежних та зв'язаних мікрополоскових ліній, які було використано під час впровадження моделей. Описано особливості впровадження до складу САПР ALLTED засобів розрахунку S-параметрів. Проведено експериментальне випробування запропонованих в дисертаційній роботі моделей для комплексних прикладів, розглянутих в пакетах HSPICE та Microwave Office 2004. Узагальнені результати тестування наведено в таблиці 3.

Таблиця 3. Результати моделювання комплексних прикладів для пакетів ALLTED та HSPICE

Критерій оцінки	Подільник потужності	Фільтр	Підсилювач
Кількість вузлів ALLTED	361	134	78
Розмір матриці ALLTED	718x718	252x252	152x152
Похибка ALLTED	11 %	9,3 %	3,8 %
Кількість вузлів HSPICE	137	90	43
Розмір матриці HSPICE	290x290	183x183	92x92
Похибка HSPICE	16,3 %	21,1	5,4 %

Додатки складаються з п'яти частин(А,Б,В,Г,Д), у яких наведено тексти опису тестових схем і завдань на моделювання та тексти програм з впровадження нових моделей та засобів розрахунку S-параметрів.



ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі досліджено і розроблено широко функціональний набір схемних моделей НВЧ компонентів, а саме, пасивних мікрополоскових та активних НВЧ пристроїв. Основні результати, отримані в дисертаційній роботі:

1. В результаті досліджень існуючих схемних моделей мікрополоскових компонентів були визначені джерела похибки схемних моделей, які обмежують можливості проектування НВЧ пристроїв: відсутність врахування розподілу носіїв зарядів на високих частотах по поверхні провідників та впливу розподілення напруженості у діелектрику на відстанях до двох товщин підкладки; відсутність або низька точність врахування взаємного впливу мікрополоскових компонентів.

2. Визначені граничні умови для застосування схемного моделювання при проектуванні НВЧ пристроїв, які сформульовані у вигляді набору співвідношень геометричних розмірів та граничних частот.

3. За результатами досліджень існуючих схемних моделей та аналізу властивостей ЕМ моделей мікрополоскових компонентів, розроблено нові схемні моделі мікрополоскових компонентів: мікрополоскова лінія, поворот, оптимальний поворот, Т-з'єднання, Х-з'єднання, зв'язані лінії, розголудження з обривом.

4. Розроблено спосіб визначення параметрів моделей мікрополоскових компонентів, який базується на використанні як експериментальних даних, так і даних отриманих шляхом моделювання за методом моментів. Розроблені формули розрахунку параметрів моделей мікрополоскових компонентів, які забезпечують розширення смуги частот при моделюванні НВЧ пристроїв: стрибок, асиметричний стрибок, закоротка, обрив.

5. Сформульовані рекомендації до застосування моделей потужних гетеротранзисторів і польових транзисторів при проектуванні НВЧ пристроїв, на підставі аналізу існуючих моделей.

6. Перевіркою розроблених моделей мікрополоскових компонентів, на тестових прикладах підтверджено більш високу точність моделей у порівнянні з аналогічними моделями HSPICE, та розширення частотної смуги для проектування НВЧ пристроїв в пакеті ALLTED.



ОСНОВНІ ПРАЦІ, ОПУБЛІКОВАНІ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Петренко А.И., Кирюша Б.А., Проектирование СВЧ устройств с помощью ALLTED// Электроника и связь. - 2001. - Т. 1, №13. - С. 3-6.

2. Петренко А.И., Кирюша Б.А., Модели СВЧ полевых GaAs транзисторов для САПР// Электроника и связь. - 2002. - Т. 1, №17. - С. 74-85.

3. Петренко А.И., Кирюша Б.А., Обзор моделей гетеротранзисторов для СВЧ диапазона// Электроника и связь. - 2002. - Т. 1, №16. - С. 3-16.

4. Кирюша Б.А., Нова модель оптимального повороту на 90 градусів// сб. "Электроника и связь". тематический выпуск "Проблемы электроники", ч.2, 2006. - С. 117-120.

5. Петренко А.И., Чкалов А.В., Кирюша Б.А., Исследование динамики и синтез управления упругим манипулятором в составе системы ALLTED// Журнал, Электроника и связь. -2000. -Т.1, №8 - С. 44-48.



АНОТАЦІЯ

Кирюша Б.А. Схемотехнічне моделювання НВЧ пристроїв. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.12 - Системи автоматизації проектувальних робіт. - Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут". - Київ, 2006.

Дисертація присвячена дослідженню та розробці схемних моделей НВЧ пристроїв для вітчизняної схемотехнічної САПР ALLTED. Визначені переваги, недоліки та умови використання схемних моделей мікрополоскових НВЧ пристроїв. Запропоновано нові схемні моделі ідеальної та мікрополоскової ліній, які мають постійне значення амплітудо-частотної характеристики. На підставі досліджень топологій найбільш вживаних НВЧ пристроїв, сформовано набір мікрополоскових неоднорідностей та виконано дослідження їх моделей для сучасних САПР. Розроблено нові формули розрахунку параметрів елементів мікрополоскових компонентів: "стрибок", асиметричний "стрибок", "обрив", "закоротка". Розроблено нові схемні моделі мікрополоскових компонентів: поворот, "оптимальний" поворот, Т-з'єднання, Х-з'єднання, розвилка з обривом, зв'язані лінії. Проведено дослідження та сформовано класифікацію моделей потужних польових транзисторів та гетеротранзисторів.

Порівняльним моделюванням підтверджено, що створений за результатами дисертаційної роботи, набір моделей компонентів дає змогу моделювати роботу НВЧ пристроїв та переважає за похибкою моделі, які використовуються в пакеті схемотехнічного проектування HSPICE.

Ключові слова: ALLTED, моделювання, мікрополоскові компоненти, гетеротранзистори, НВЧ польові транзистори, метод моментів.



АННОТАЦИЯ

Кирюша Б.А. Схемотехническое моделирование СВЧ устройств. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.12 - Системы автоматизации проектировочных работ. - Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт". - Киев, 2006.

Диссертация посвящена исследованию и разработке схемных моделей СВЧ устройств для отечественной схемотехнической САПР ALLTED. Было проведено исследование хронологии развития методов и средств моделирования СВЧ устройств. Коротко рассмотрены методы, получившие наибольшее распространение. В качестве эталона для оценки погрешности схемных моделей выбраны результаты моделирования по методу моментов. Выбор метода моментов, в качестве критерия оценки погрешности объясняется, высокой точностью моделирования по отношению к схемотехническому моделированию и простотой задания параметров подложек и компонентов. Определены преимущества и недостатки использования схемотехнического моделирования микрополосковых СВЧ устройств. Сформулированы граничные условия применения схемных моделей для проектирования СВЧ устройств. Исходя из граничных условий, определены требования к схемотехническим моделям СВЧ устройств.

Предложена новая схемная модель идеальной линии, которая не обладает зависимостью коэффициента передачи от частоты. На базе новой модели идеальной линии создана модель микрополосковой линии без потерь. Сформирован широкофункциональный набор микрополосковых компонентов для схемных САПР, на базе исследований топологий наиболее распространенных микрополосковых СВЧ устройств (фильтры, усилители, смесители, делители). Проведен поиск и исследование характеристик существующих моделей микрополосковых компонентов. Сформулирован алгоритм поиска наиболее эффективных способов уменьшения погрешности схемных моделей СВЧ компонентов и расширения их полосы частот. Для перечня моделей микрополосковых компонентов, сформированного для пакета ALLTED, выполнен поиск и анализ существующих моделей микрополосковых компонентов. Для моделей, эквивалентные схемы которых могли быть эффективно использованы при модифицированных формулах расчета параметров элементов, аппроксимированы новые формулы расчета параметров емкостей и индуктивностей. Новые формулы были предложены для моделей микрополосковых компонентов: "скачок", ассиметричный "скачок", "обрыв", "закоротка". Разработаны новые эквивалентные схемы моделей микрополосковых компонентов: поворот, "оптимальный" поворот, Т-соединение, Х-соединение, развилка с обрывом, связанные линии. Структура описания процесса разработки новых моделей микрополосковых неоднородностей была единой для всех предложенных моделей и стала основой для разработки общего алгоритма разработки эмпирических схемотехнических моделей СВЧ компонентов. В качестве источника эмпирических данных для тестирования новых моделей использовались результаты моделирования по методу моментов специально сформированных наборов тестовых примеров.

Выполнен обзор и классификация моделей мощных полевых транзисторов и гетеротранзисторов, на основании которых сформулированы рекомендации к использованию тех из моделей, которые в наибольшей степени удовлетворяют требованиям пакета ALLTED и поставленным задачам моделирования. В качестве исходных данных, при составлении обзора использовались публикации разработчиков моделей СВЧ гетеротранзисторов в журнале IEEE Mirowave journal. Проверка приведенных в публикациях данных выполнялась с использованием пакетов HSPICE, Microwave office, Applac, Serenade, ALLTED. Выбор пакета в каждом конкретном случае определялся наличием встроенной в пакет модели и средствами пакета, необходимыми для интеграции новых моделей в библиотеку. В качестве эталона для проверки моделей транзисторов использовались табличные модели гетеротранзисторов.

Для полевых транзисторов выполнено сравнение разработанной классификации с классификацией моделей СВЧ полевых транзисторов пакета HSPICE, которая более известна под названием BSIM. Модели полевых транзисторов, характеристики которых попали в диапазон решаемых в работе задач, подвергались проверке, аналогичной моделям гетеротранзисторов. Одна из моделей полевых транзисторов была использована в комплексном примере малошумящего усилителя.

В число тестовых примеров для комплексного тестирования предложенных в работе моделей вошли: микрополосковый фильтр, микрополосковый делитель мощности, малошумящий усилитель. Сравнительное моделирование показало, что созданный по результатам диссертационной работы набор моделей отдельных компонентов не только дает возможность правильно моделировать работу СВЧ устройств, но и обладает меньшей погрешностью по сравнению с моделями, которые используются в пакете схемотехнического проектирования HSPІCE.

Ключевые слова: ALLTED, моделирования, микрополосковые компоненты, гетеротранзисторы, СВЧ полевые транзисторы, метод моментов.



ANNOTATION

Kyrysha B.A. Schematic based simulation of RF components. - Manuscript.

This thesis pursues effective ways for building the models for circuit design CAD (Computer-Aided Design) tools, based on the example of microstrip device modeling. The methods for RF device modeling have been reviewed for the period from 1970s to these days. The moment method is selected in this thesis as the best reference modeling method to estimate the model accuracy. The cons and pros of the schematic - i.e. RLC - simulation are clearly presented in this thesis. The limitations for application of the schematic modeling are developed and proved. The new model of the ideal line is proposed. The main advantage of the new ideal line model is that, the amplitude-frequency characteristic is constant and independent from the frequency. Also, a new lossless model of the microstrip line was developed. Further on, a set of the microstrip discontinuity models is selected and researched. New approx formulas were proposed for microstrip discontinuities, namely, jump, asymmetric jump, open end, shunt. New equivalent circuits were proposed for the set of microstrip discontinuities, based on the following concepts rotation, optimal rotation, Т-junction, Х-junction, broken split, and coupled lines. Also, this thesis presents an original approach to analysis and classification of the modern models of the heterojunction bipolar transistors and FET transistors. The recommendations for the heterojunction bipolar transistor and FET's models application in modern CAD tools are formulated.

A comparative study presented in this thesis has shown that the proposed models not only offer adequate simulation accuracy, but also exceed the corresponding HSPICE models in effectiveness.

Keywords: ALLTED, analogue circuit simulation, microstrip discontinuities, heterojunction bipolar transistor, HEMT, JFET, MOS transistor, the moment method.

Размещено на Allbest.ru

...