Основы разработки радиофизических систем в интегральных микросхемах

ПРЕДИСЛОВИЕ
В данном учебном пособии собраны необходимые теоретические сведения для освоения студентами основ аналоговой интегральной схемотехники с применением современных полупроводниковых технологий.
Построение сложных радиофизических систем требует понимания и умения проектировать элементарные однокаскадные усилители мощности со схемами их смещения, а также операционные усилители с схемами контроля выходной синфазной составляющей, разработка и применение которых необходимы в высокочастотных радио
трактах.
Данные фундаментальные знания требуются при проектировании радиочастотных трактов в интегральных микросхемах.

Глава 1
Введение
Нас окружают ¾цифровые¿ устройства: цифровые камеры, цифровые телевизоры, цифровая сотовые телефоны
и Wi-Fi, интернет и т. д. Почему же тогда нас все еще
интересуют аналоговые схемы? Разве аналоговый дизайн
не стар и не вышел из моды? Появятся ли через десять
лет даже рабочие места для разработчиков аналоговых
устройств?
Интересно, что эти вопросы поднимались каждые пять
лет на протяжении последних 50 лет, но в основном теми,
кто либо не понимал аналогового дизайна, либо не хотел
иметь дело с его проблемами. Далее мы узнаем, что аналоговый дизайн по-прежнему важен, актуален и сложен,
и останется таковым в ближайшие десятилетия.
1.
Интегральная микросхема
1.1.
Обнаружение и обработка сигналов
Современные реалии микроэлектронной промышленности таковы, что реализация радиотехнических трактов

зачастую происходит в интегральном исполнении и представляет собой как законченное самостоятельное решение,
так и входящий в состав более сложной системы сложно
функциональный блок, в финальном варианте представляя собой готовую к применению микросхему. Основываясь на рынке памяти и микропроцессоров, технологии
интегральных схем также охватили аналоговые конструкции, обеспечивая сложность, скорость и точность, которых
невозможно было бы достичь с помощью дискретных реализаций. Современные разработчики стараются уходить
от дискретных прототипов для прогнозирования поведения и производительности современных аналоговых схем.
Многие электронные системы выполняют две основные функции: они воспринимают (принимают) сигнал, а
затем обрабатывают и извлекают из него информацию.
Ваш сотовый телефон принимает радиочастотный (РЧ,
англ. RF, radio-frequency) сигнал и после его обработки передает голосовую информацию или данные. Точно так же
ваша цифровая камера определяет интенсивность света,
излучаемого различными частями объекта, и обрабатывает результат для извлечения изображения.
Мы интуитивно знаем, что сложная задача обработки предпочтительно выполняется в цифровой области. Фактически, мы можем задаться вопросом, можем ли мы напрямую оцифровать сигнал и избежать каких-либо операций в аналоговой области. На рисунке 1.1 показан пример, в котором радиочастотный сигнал, принимаемый антенной, оцифровывается аналого-цифровым преобразователем (АЦП, англ. ADC, analog-to-digital converter) и полностью обрабатывается в цифровой области. Отправит ли
этот сценарий разработчиков аналоговых и радиочастотных устройств в бюро по трудоустройству?

Рис. 1.1. Гипотетический радиоприемник с прямой оцифровкой
сигнала.
Ответ категорический - нет. АЦП, который мог бы
оцифровывать крошечный радиочастотный сигнал, потреблял бы гораздо больше энергии, чем современные приемники сотовых телефонов. Более того, даже если бы этот
подход был серьезно рассмотрен, только разработчики аналоговых сигналов смогли бы разработать АЦП. Ключевым моментом, в этом примере, является то, что интерфейс считывания по-прежнему требует высокопроизводительной аналоговой конструкции.
Другой интересный пример проблем возникает при
изучении сигналов мозга. Каждый раз, когда нейрон в вашем мозгу ¾срабатывает¿, он генерирует электрический
импульс высотой в несколько милливольт и длительностью в несколько сотен микросекунд, см. рис. 1.2 (а). Для
мониторинга активности мозга нейронная записывающая
система может использовать десятки ¾зондов¿ (электродов), см. рис. 1.2 (b), каждый из которых воспринимает серию импульсов. Теперь сигнал, производимый каждым датчиком, должен быть усилен, оцифрован и передан по беспроводной сети, чтобы пациент мог свободно

перемещаться, см. рис. 1.2 (c). Электроника считывания,
обработки и передачи в этой среде должна потреблять
небольшое количество энергии по двум причинам: (1) чтобы позволить использовать небольшую батарею в течение
нескольких дней или недель, и (2) чтобы минимизировать
повышение температуры микросхемы, которая в противном случае может повредить ткани пациента. Среди функциональных блоков, показанных на рис. 1.2 (c), усилители,
АЦП и ВЧ-передатчик - все это аналоговые схемы, которые потребляют большую часть энергии.
Рис. 1.2. (а) форма волны напряжения, генерируемая в результате
нейронной активности, (b) использование датчиков для измерения
действующих потенциалов, и (c) обработка и передача сигналов.

Цифровые и аналоговые сигналы
Использование аналоговых схем не ограничивается
аналоговыми сигналами. Если цифровой сигнал настолько мал и/или настолько искажен, что цифровой вентиль
не может его правильно интерпретировать, тогда должен
вмешаться разработчик аналоговых сигналов. Например,
рассмотрим длинный USB-кабель, по которому скорость
передачи данных между двумя ноутбуками составляет сотни мегабит в секунду. Как показано на рис. 1.3, портативный компьютер 1 передает данные по кабелю в виде последовательности единиц и нулей.
Рис. 1.3. Эквализация для компенсации затухания высоких частот
в кабеле USB.
К сожалению, кабель имеет ограниченную полосу пропускания, ослабляя высокие частоты и искажая данные,
когда они достигают портативного компьютера 2. Это
устройство теперь должно выполнять считывание и обработку, первое из которых требует аналоговой схемы (называемой ¾эквалайзером¿), которая корректирует искажения. Например, поскольку кабель ослабляет высокие частоты, мы можем спроектировать эквалайзер для усиле8

ния таких частот, как концептуально показано на рис. 1.3
в виде графика
Читатель может задаться вопросом, может ли задача выравнивания на рис. 1.3 быть выполнена в цифровой
области. То есть, можем ли мы напрямую оцифровать полученный искаженный сигнал с цифровой коррекцией для
кабеля с ограниченной полосой пропускания, а затем выполнять стандартную обработку сигнала USB? Действительно, это возможно, если требуемый здесь АЦП требует
меньшей мощности и меньшей сложности, чем аналоговый
эквалайзер. После подробного анализа аналоговый дизайнер решает, какой подход использовать, но мы интуитивно
знаем, что при очень высоких скоростях передачи данных,
например, десятки гигабит в секунду, аналоговый эквалайзер оказывается более эффективным, чем АЦП.
Вышеупомянутая задача выравнивания иллюстрирует общую тенденцию в электронике: на более низких скоростях более эффективно оцифровывать сигнал и выполнять требуемую функцию в цифровой области, тогда как
на более высоких скоростях мы реализуем функцию в аналоговом домене. Граница скорости между этими двумя парадигмами зависит от характера проблемы, но со временем она достаточно сильно увеличилась.

Популярность аналогового дизайна
Несмотря на огромный прогресс в полупроводниковой технологии, аналоговый дизайн по-прежнему сталкивается с новыми проблемами, что требует инноваций. Анализируя статистику объемов публикаций касаемо аналоговых схем в открытых источниках можно видеть, что данная тема остается популярной.
Рис. 1.4. Количество статей по аналоговому дизайну,
опубликованных в ISSCC за 2010-2014 годы.
В качестве примера, на рис. 1.4 показано количество
статей по аналоговым технологиям, опубликованных на
Международной конференции по твердотельным схемам
(ISSCC) за 2010-2014 годы [1], где ¾аналог¿ определяется как статья, требующая знаний в области проектирования аналоговых микросхем. Легко заметить, что большинство статей связано с аналоговым дизайном. Это верно даже при том, что аналоговые схемы обычно намного менее
сложные, чем цифровые; АЦП содержит несколько тысяч