GaAs МИС 36-разрядного последовательно-параллельного драйвера управления: пример из практики АО «Микроволновые системы»

Статья размещена в журнале «СВЧ электроника» №2/2026

 

 

 

Введение

Одно из приоритетных направлений деятельности компании АО «Микроволновые системы» — создание электронной компонентной базы (ЭКБ) для радиоэлектронных систем. Использование собственных монолитных интегральных схем (МИС) позволяет оптимизировать экономические и технические показатели разрабатываемых проектов.

 

В интересах заказчиков компанией разработан приемо-передающий канал (ППК) X-диапазона частот [1, 2] с применением дискретно-переключаемых МИС собственного исполнения: основного векторного модулятора (МИС MSP003D), дополнительного векторного модулятора (МИС MSP012D) и ступенчатого аттенюатора 0/20 дБ (МИС MSD109V). Для управления векторными модуляторами на кристаллы интегрированы параллельные драйверы, ступенчатый аттенюатор управляется парафазными сигналами. Реализация последовательно-параллельного управления МИС в составе ППК осуществляется через четыре корпусированных микросхемы 8-битных регистров сдвига и хранения, что позволяет загружать 32 бит данных управления для приемного и передающего режимов работы.

Работа по проекту МИС 36-разрядного последовательно-параллельного драйвера управления (MSP701D) велась в рамках модернизации существующего ППК X-диапазона в части способа загрузки команд в схемы управления амплитудой и фазой сигнала. Цель модернизации — замена четырех корпусированных микросхем регистров сдвига и хранения на МИС MSP701D.

 

Краткое описание схемы 36-разрядного драйвера управления и ее применение с МИС собственной разработки

Проект 36-разрядного последовательно-параллельного преобразователя кода реализован на опциональных E/D-транзисторах с длиной затвора 500 нм, входящих в технологический процесс, в основе которого лежат нормально открытые GaAs полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов с длиной затвора 150 нм.

Схемотехника МИС MSP701D состоит из ряда логических вентилей: инвертор, 2И-Не, 2ИЛИ-Не, 3ИЛИ-Не. На рис. 1 изображены эквивалентные схемы логических элементов. Все необходимые логические вентили реализованы на основе семейства DCFL-логики на полевых транзисторах (логические схемы с непосредственными связями). Основные преимущества использования данной логики по сравнению с другими логическими семействами на GaAs техпроцессе — простота реализации, низкое потребление тока и малая занимаемая площадь на кристалле [3].

 

 

 

 

К явному недостатку цифровых схем на GaAs технологическом процессе можно отнести отсутствие полевых транзисторов с дырочным типом проводимости канала (канал p-типа), что ограничивает схемотехнические возможности. Как результат, схемы управления получаются больших размеров и имеют большее потребление тока по сравнению со схемами управления, разработанными по Si технологическому процессу, где имеется полноценная комплементарная пара полевых транзисторов. Однако реализация схем управления в GaAs технологическом базисе актуальна для компании, и это связано с экономической целесообразностью для необходимого объема МИС.

D-триггеры, схемы мультиплексоров и входная функциональная схема состоят из логических вентилей. D-триггеры образуют регистры сдвига и хранения, выполняющие функцию преобразования из последовательного кода в параллельный. Благодаря схемам мультиплексоров можно выбирать необходимый набор загружаемых бит данных в зависимости от режима работы прием/передача ППК. Габаритные размеры МИС MSP701D составляют 5100×2100 мкм, потребление I = 1,3 мА/бит, напряжение питания +5 В. На рис. 2 изображены топология драйвера управления и функциональная схема.

 

 

На функциональной схеме выделены шесть основных блоков.

1. Входной преобразователь напряжения (IVT) — входная схема драйвера, выполняющая преобразование (сдвиг) сигнала из TTL (CMOS) в DCFL-логику.

2. Логические элементы, необходимые для улучшения нагрузочной способности схем IVT и для организации правильной работы всей МИС.

3. Регистры сдвига и хранения, выполняющие основную функцию — преобразование кода из последовательного в параллельный.

4. Мультиплексоры — схемы, позволяющие по сигналу T/R выбирать соответствующий набор загружаемых данных.

5. Выходной преобразователь напряжения (OVT) — выходная схема драйвера, выполняющая функцию преобразования сигнала из DCFL-логики обратно в сигнал уровня TTL (CMOS).

6. Преобразователь напряжения, обеспечивающий питание внутренних цепей драйвера.

На кристалле также имеется СВЧ-часть, обеспечивающая сквозное прохождение СВЧ-сигнала X-диапазона частот с контактных площадок приемного и передающего каналов основного векторного модулятора MSP003D в модернизируемом приемо-передающем канале (ППК-М). Расположение контактных площадок МИС MSP701D выбрано с учетом удобства подключения к МИС векторного модулятора MSP003D.

Как уже отмечалось, работа велась в рамках модернизации существующего ППК X-диапазона в части способа загрузки команд в схемы управления амплитудой и фазой сигнала, то есть замены габаритных корпусированных сдвиговых регистров. На рис. 3 показаны верхняя и нижняя части уже существующей платы ППК с обозначением дискретно-переключаемых МИС, заменяемых четырех микросхем регистров сдвига и хранения и часть проекта ППК-М с расположением МИС MSP701D.

 

 

 

Управляемые GaAs-микросхемы собственной разработки в ППК и ППК-М.

1. МИС MSP003D представляет собой 3-портовый кристалл, содержащий в своем составе три двухпозиционных коммутатора, обеспечивающих переключение приемного и передающего режимов; малошумящий усилитель на входе приемного канала; 6-разрядный фазовращатель с номинальным вносимым фазовым сдвигом 5,625°; 11,25°; 22,5°; 45°; 90° и 180°; 5-разрядный аттенюатор с номинальным вносимым ослаблением 0,9; 1,8; 3,6; 7,2 и 14,4 дБ, два буферных усилителя в общем плече; предварительный усилитель мощности на выходе передающего канала; цепи стабилизации затворного смещения активных элементов усилителей и цифровой драйвер управления. Основные электрические параметры для МИС MSP003D представлены в таблице 1.

 

 

2. Дополнительный векторный модулятор MSP012D — это 2-портовая МИС, содержащая в своем составе 2-разрядный фазовращатель с номинальным вносимым фазовым сдвигом 1,4° и 2,8°; 3-разрядный аттенюатор с номинальным вносимым ослаблением 0,5; 1,0 и 2,0 дБ и цифровой драйвер управления. МИС MSP012D предназначена для получения дополнительных степеней свободы в вопросе диаграммообразования, а также возможности реализации амплитудной/фазовой коррекции каждого канала в отдельности. Основные электрические параметры для МИС MSP012D представлены в таблице 2.

 

3. МИС 1-разрядного адаптационного аттенюатора MSD109V с вносимым ослаблением 20 дБ, предназначена для расширения динамического диапазона по входу приемного канала. Основные электрические параметры для МИС MSD109V представлены в таблице 3.

 

 

 

Для управления представленными МИС в режимах работы прием/передача за один цикл загрузки и раскрытия полного функционала кристаллов необходимо 36 бит данных; используя четыре микросхемы 8-разрядных регистров возможно загрузить только 32 бит, то есть происходит вынужденное урезание функционала ППК.

Замена четырех микросхем регистров сдвига и хранения на МИС MSP701D позволяет уменьшить габариты и массу ППК-М, увеличить скорость загрузки данных, облегчить трассировку платы и расширить в полной мере управление ППК-М.

Измерение и проверка работоспособности МИС MSP701D осуществлялись в составе макета ППК. Было демонтировано четыре микросхемы сдвиговых регистров и на крышку отсека с МИС MSP012D и MSP003D смонтирована миниатюрная печатная плата с 36-разрядным драйвером управления, все необходимые выводы кристалла были разварены методом ультразвуковой сварки, а площадки миниатюрной платы соединены проволочными перемычками на соответствующие места ППК. На рис. 4 представлена макетная плата ППК для проверки работоспособности МИС MSP701D.

 

 

Рис. 4. Макетная плата ППК с МИС MSP701D

 

Для управления режимами работы «прием/передача», а также загрузки команд с персонального компьютера были разработаны устройство сопряжения и программа управления. Частота загрузки тактовых сигналов составляла 50 МГц. Работоспособность драйвера управления проверялась по измерению СВЧ-характеристик МИС MSP003D, MSP012D и MSD109V. На рис. 5 показаны измеренные частотные зависимости для макетов ППК с МИС MSP701D и микросхемами регистров для основных состояний аттенюаторов и фазовращателей.

 

 

Для корректной оценки работоспособности макета ППК в режиме передачи проводилось измерение в канале без предварительного и оконечного усилителей мощности, поскольку при их наличии характеристики ослабления находились бы в компрессии и были трудно различимы между собой.

На приведенных характеристиках частотные зависимости с МИС MSP701D совпали с зависимостями в ППК с микросхемами регистров. При использовании разработанного последовательно-параллельного драйвера в ППК-М для МИС MSP012D будет осуществляться раскрытие полного функционала для аттенюатора, что видно из графиков.

Для оценки работоспособности 16384 состояний (8-bit PhS+6-bit ATT) ППК под управлением МИС MSP701D были сняты амплитудно-фазовые созвездия на частоте 9,2 ГГц для режимов работы прием/передача (рис. 6).

 

 

 

 

 

 

Рис. 6. Амплитудно-фазовые созвездия для ППК с МИС MSP701D

 

Также на макете ППК с МИС MSP701D были измерены времена переключения основных разрядов амплитуды и фазы. Временем переключения считается время относительно 0,5 уровня фронта импульса выгрузки данных до уровня 0,9 огибающей измеренных сигналов амплитудного и фазового детекторов. Измеренные значения времен сопоставимы с временами переключения ППК с четырьмя микросхемами регистров и составляют десятки наносекунд. Измеренные значения времен приведены в таблице 4.

 

 

 

Заключение

В статье представлены результаты проектирования и измерения GaAs МИС 36-разрядного последовательно-параллельного драйвера управления, разработанного для модернизации существующего ППК X-диапазона частот. МИС MSP701D показала свою работоспособность в составе макета ППК и может быть применена в составе конструкции ППК-М, что позволит уменьшить габаритные размеры и облегчить трассировку платы. После полной характеризации параметров и разработки сопроводительной документации МИС будет предложена для внешнего потребления.