Энергетическая эффективность генераторов хаотических колебаний микроволнового диапазона, реализованных на КМОП структурах

Микрополосковый генератор хаотических колебаний и его спектр мощности
Микрополосковый кольцевой генератор хаотических колебаний*)
*) Panas A.I., Kyarginsky B.E., Efremova E.V. "Ultra-wideband microwave chaotic oscillator", Proc. 12th Mediterranean microwave symposium MICROCOLL-2007, 14-16 May 2007, Budapest, Hungary, pp. 145–148
Модель микрополоскового генератор хаотических колебаний и его спектр мощности

Основные достоинства:
Отсутствуют микрополосковые
линии
Ответвитель выполнен
на сосредоточенных элементах
1 – Генератор 2 – Пять рублей
Спектральная плотность
мощности (эксперимент)
ССЫЛКИ:
"Сверхширокополосный СВЧ генератор хаоса кольцевой структуры на усилительных микросборках", Успехи современной радиоэлектроники, 2008, №1, с. 54–62.
Panas A., Efremova E., Kyarginsky B., Nikishov A. «UWB microwave chaotic oscillators based on microchip», Proceeding of the 15th IEEE ICECS 2008,Pages: 942-945.
Схема кольцевой автоколебательной системы, реализованной на КМОП-структурах (I)
Прототип: кольцевой генератор на сосредоточенных элементах

1,2,3 – СВЧ СШП КМОП усилители (усиление 12-2 dB в диапазоне 0 – 10 GHz)
5 – частотно-избирательная схема, состоящая из одного RC- и двух LC-звеньев
4 – буферный усилитель
Кольцевой генератор хаотических колебаний,
выполненный на элементах КМОП технологии
Блок-схема генератора

Ёмкость конденсатора, пФ
Амплитуда колебаний,В
Например:
Cap<3 пФ – только периодические колебания
Cap>5 пФ – возможны хаотические колебания
Бифуркационный параметр, Cap
Схема кольцевой автоколебательной системы, реализованной на КМОП-структурах (III):
Выбор параметров системы
1. Выбор начальных параметров системы:
2. Оптимизация параметров с помощью бифуркационных диаграмм:
Начальные параметры системы выбираются так, чтобы продублировать характеристики усилителей и ответвителя кольцевого генератора хаотических колебаний

Моделирование
ФЧХ 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 диаграмма
f2
Условия Найквиста – Михайлова возбуждения колебаний:
К>=1 – баланс амплитуд (где К – усиление в кольце обратной связи);
Ф=360 *n – баланс фаз (Ф – набег фазы в кольце обратной связи, n целое число)
АЧХ в кольце обратной связи
Напряжение питания
1.4 В
1.55 В
1.65 В
1.8 В
f1

Спектральные характеристики,
автоколебательной системы (моделирование)
Спектральная плотность мощности (СПМ) колебаний при различном напряжении 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

Маршрут проектирования СВЧ устройств на кристалле

Особенности проектирования устройств в интегральном исполнении
Погрешность номиналов пассивных элементов при производстве достигает 15 %
Отличие в скорости диффузии в транзисторе от заданной при проектировании достигает 15 %
Разброс в напряжении питания источника
может достигать 10 %
Появление отличных от исходных параметров автоколебательной системы
Возможное отсутствие хаотических колебаний в генераторе при его конечном производстве

Анализ режимов работы генератора при допустимых отклонениях в номиналах элементов
R – элемент:
Источник тока:
Выходная мощность (дБм):
R=100 Ом: I=2.7 мA
-5 -4.5
R=140 Ом: I=3.3 мА
-3 -3
Принципиальная схема усилителя
Бифуркационная диаграмма
Бифуркационная диаграмма
Спектр мощности, R=140 Ом
Спектр мощности, R=100 Ом
Спектр мощности, I=2.7 мА
Спектр мощности, I=3.3 мА

Анализ режимов работы генератора при различных допустимых скоростях диффузии в транзисторах
Бифуркационная диаграмма
Принципиальная схема усилителя
Выходная мощность (дБм):
1) Лучший случай: -2 дБм
2) Типичный случай: -3 дБм
3) Худший случай: -4 дБм
Спектр мощности, худший случай
Спектр мощности, лучший случай
Спектр мощности, типичный случай
(Напряжение питания составляет 1.8 Вольт)

Анализ режимов работы генератора при допустимых отклонениях в номиналах элементов
С0 – элемент:
С1 – элемент:
Частотно-избирательная схема
Бифуркационная диаграмма
Бифуркационная диаграмма
Спектр мощности, С=6 пФ
Спектр мощности, С=3 пФ
Спектр мощности, С=0.8 пФ
Спектр мощности, С=5 пФ

Анализ режимов работы генератора при различном напряжении питания
Типичный случай
Бифуркационные диаграммы
Лучший случай
Худший случай

Экспериментальная реализация системы
на КМОП-технологии 180 нм
Топология системы
Фото интегральной схемы
(размер 0.7x0.8 мм2)
Фото в корпусе QFN
Спектральная плотность мощности выходного сигнала
Fo
Fe

Одночастотный автоколебательный
режим:
fэ1
fм1
fм2
fэ2
fэ1
fм1
Сравнение спектральных характеристик модели автоколебательной системы и её экспериментальной реализации (для 180 нм)
модель: fм1=4 ГГц, Vsup=1.4 Вольт
эксперимент: fэ1=3.2 ГГц, Vsup=1.5 Вольт
Двухчастотный автоколебательный
режим:
модель: fм1=4 ГГц, fм2=1 ГГц, Vsup=1.55 Вольт
эксперимент: fэ1=3.2 ГГц, fэ2=0.6 ГГц, Vsup=1.7 Вольт

fэ1
Сравнение спектральных характеристик модели автоколебательной системы и её экспериментальной реализации (для 180 нм)
Двухчастотный автоколебательный
режим:
модель: Vsup=1.65 Вольт
эксперимент: Vsup=2.3 Вольт
Хаотический автоколебательный
режим:
модель: Vsup=1.8 Вольт
эксперимент: Vsup=2.5 Вольт

Сравнение основных характеристик модели автоколебательной системы и её экспериментальной реализации (180нм)

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

Изменение энергетических характеристик генератора при уменьшении 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)

Увеличение энергетической эффективности генератора при увеличении внутреннего сопротивления в кольце обратной связи
Блок-схема устройства
Для технологии 180 нм:
Pn=1=(Ib+Ig)*Vg=92мВт
Pn=5=(Ib+Ig/n)*Vg=40мВт

Экспериментальная реализация системы
на КМОП-технологии 130 нм

Эксперимент по передаче хаотического сигнала с использованием заказных микросхем
приёмник CMOS 130 нм TSMC
передатчик CMOS 180 нм Silterra
Источник:
хаотические радиоимпульсы, 100 нс длит., 100 нс защ. интервал., мощность -10 дБм.
Расстояние: 0.15 м.