Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2012 №2

SiGe-технологии для высокоскоростных осциллографов LeCroy

Шиганов Алексей


Сегодня кремний-германиевые (SiGe) компоненты широко применяются в микроэлектронике для изготовления АЦП и процессоров. Они имеют хорошие показатели по надежности, энергопотреблению и степени интеграции. В новой серии высокопроизводительных осциллографов LabMaster 10 Zi компании LeCroy (США) используется SiGe-технология “8HP” 4‑го поколения от IBM (подразделение IBM Semiconductor). За лицевой панелью этих осциллографов находятся новейшие компоненты и апробированные промышленностью технологии. В области широкополосной осциллографии LeCroy предлагает инженерам инновационный продукт для ускорения процессов разработки высокоскоростных устройств и отладки встроенных систем управления реального времени на их базе (embedded systems), в очередной раз демонстрируя свое технологическое лидерство.

Для изготовления кремниево-германиевых (SiGe) полупроводников сейчас используются хорошо отработанные на протяжении десятилетий технологические процессы. Параметры и характеристики SiGe-компонентов сравнимы с возможностями КМОП-структур, созданных на основе фосфида индия (InP) или арсенида галлия (GaAs). Анализируя потенциал этих трех основных направлений развития элементной базы с точки зрения создания ЦЗО, следует отметить, что лишь SiGe и InP могут обеспечить более высокую полосу пропускания и быстродействие. Однако сегодня в сопоставимых устройствах технология InP уступает SiGe как в скорости, так и в достигнутом частотном диапазоне. Кроме того, нужно учитывать, что кремниево-германиевые микросхемы при работе выделяют значительно меньше тепла, чем их конкуренты на основе GaAs, поэтому SiGe-компоненты имеют существенно лучшую термостойкость.

Благодаря меньшей ширине запрещенной зоны (в сравнении с чистым кремнием) изготовление базы биполярного транзистора из SiGe повлияло на увеличение инжекции электронов в базу и, как результат, привело к повышению его коэффициента усиления. SiGe-технологии при изготовлении твердотельных СВЧ-компонентов олицетворяют объединение достоинств отработанной за полувековой срок кремниевой технологии и преимуществ биполярных транзисторов на гетеропереходах (НВТ). Массовое применение BiCMOS* (на основе SiGe НВТ) связано не только с высокими технико-экономическими показателями (быстродействие, теплопроводность, стоимость), но и с такими преимуществами кремний-германиевых технологий, как наличие широкого перечня активных и пассивных компонентов, удобство монтажа и отладки готовых трактов. Как следствие, компоненты на базе SiGe имеют бóльшую совместимость и взаимозаменяемость в СВЧ-устройствах.

Технология BiCMOS на кремниево-германиевой основе позволяет реализовать множество операционно-вычислительных функций на одном чипе для получения сложно-функциональных устройств (СФУ). Использование новейших технологий делает доступным изготовление сверхминиатюрных усилителей и других элементов тракта, при этом можно снизить занимаемый ими объем на материнской плате, а за счет этого — добиться общей компактности устройства. Имея реальные перспективы применения в СВЧ-измерительных приложениях, технология SiGe сфокусирована именно на широком коммерческом использовании, в отличие от технологий InP/GaAs, востребованных в узкоспециализированных направлениях. Например, устройства на основе GaAs не имеют конкурентов при изготовлении высоковольтных передатчиков, где SiGe-приборы не выдерживают высоких рабочих напряжений, так как они являются малосигнальными изделиями с небольшим пробивным напряжением (VCE = 5,5 В).

Компания LeCroy имеет длительную историю сотрудничества в сфере разработки современной микроэлементной базы с лидером отрасли — компанией IBM, которая в 1998 году первой внедрила кремний-германиевую технологию в серийное производство. Один из аргументов в пользу BiCMOS-устройств на основе SiGe — возможность их изготовления из дешевых кремниевых пластин-заготовок диаметром 200–450 мм, то есть с помощью существующего оборудования, на котором выпускаются стандартные комплементарные металло-оксидные структуры (КМОП).

Производственные возможности IBM Semiconductor позволили создать новый класс специализированных СБИС: в монокристальном модуле сочетаются высокая степень интеграции и производительность. Базисом стали прорывные электронные технологии, физико-технологические, материаловедческие новации и в первую очередь — разработка высокосортных SiGe-элементов микроэлектроники с обеспечением их эффективности и надежности. Благодаря этому компания LeCroy на протяжении последних десяти лет успешно разрабатывает и выпускает высокоскоростные системы сбора данных цифровых запоминающих осциллографов (ЦЗО). В основе успеха — постоянное развитие схемотехнических и конструктивных, а также инновационных метрологических решений при создании новых поколений осциллографов.

Краеугольный камень архитектуры новых продуктов LeCroy — применение SiGe-технологий в техническом моделировании, что позволило достичь в осциллографах рекордных скоростей аналогово-цифровых операций. Многолетнее и широкое использование SiGe-сборок, а также непрерывный процесс их развития и успешного применения доказали правильность выбранного направления. Серийно выпускаемые LeCroy осциллографы Hi-End класса линеек WavePro, WaveMaster и LabMaster представляют собой унифицированные платформы для создания измерительных комплексов высокой производительности. Они отличаются от других, менее продвинутых и ранее выпускавшихся ЦЗО бóльшим количеством функционально насыщенных SiGe-компонентов. При их выпуске применены:

  • микро- и нанометрические технологии обработки материалов и компонентов;
  • сложнофункциональные блоки (и на их основе СБИС «система на кристалле»);
  • микросхемные малошумящие операционные усилители;
  • методы прецизионного контроля сборки готовых блоков.

Практика применения новейших поколений кремний-германиевых компонентов (с последовательным приростом скорости переключения транзисторов) дала ощутимый результат в виде увеличения полосы пропускания и скорости быстродействия цифровых осциллографов.

За последние 5–7 лет эти микрокомпоненты прошли несколько стадий своего совершенствования, что позволило выпустить продукты мирового класса, которые востребованы в решении самых сложных прикладных задач. Так, если в 2002 г. компания LeCroy применила в WaveMaster 8000-й серии микрочипы технологического исполнения 5HP SiGe, то в 2009 г. при изготовлении моделей осциллографов серий WaveMaster 8 Zi и LabMaster 9 Zi была использована улучшенная версия 7HP SiGe 3-го поколения (BiCMOS с нормой 0,18 мкм). С помощью этого технологического процесса были изготовлены СВЧ-компоненты входного тракта, что критически важно для достижения максимальной полосы пропускания реального времени. В компонентах 7HP SiGe использовалась шестислойная металлическая соединительная структура, обеспечивающая максимальную гибкость в дизайне и компоновке электронных цепей, что чрезвычайно важно для обеспечения достоверности и целостности анализируемых сигналов.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП), разработанный компанией LeCroy на базе 7HP SiGe, стал одним из ключевых элементов в наборе аппаратных решений, определивших высокую производительность осциллографов в линейке WaveMaster 8 Zi. АЦП этой серии принадлежит к числу наиболее быстродействующих интегральных схем своего типа. В системе синхронизации и сбора данных этих осциллографов использовались новейшие на тот момент специализированные интегральные сборки (чипсет Apollo и др.).

Очередные запатентованные программно-аппаратные решения воплотились в широкополосной осциллографической системе LabMaster 9 Zi-A (рис. 1), которая предназначена для многоканальных измерений в СВЧ-диапазоне и обеспечивает до пяти аналоговых каналов с полосой пропускания 45 ГГц, до десяти каналов с полосой 30 ГГц и до двадцати каналов с полосой 20, 16 или 13 ГГц.

Мультиканальная система LabMaster 9 Zi-A

Рис. 1. Мультиканальная система LabMaster 9 Zi-A

Мультиканальная система LabMaster 9 Zi-A имеет настраиваемую конфигурацию по следующей схеме: один ведущий модуль и несколько управляемых модулей сбора данных.

Инновационная мультиканальная система синхронизации ChannelSync характеризуется значением межканального джиттера 350 фс с. к. з. (тип.). Единая архитектура всего рабочего диапазона (13–45 ГГц) обеспечивает возможность модернизации полос пропускания с учетом потребностей пользователя.

Новый (SiGe) полупроводниковый процесс от IBM на основе биполярных КМОП-транзисторов, внедренный LeCroy, имеет наименование 8HP SiGe (0,13 мкм). Он имеет следующие технические спецификации:

  • литографическая SiGe BiCMOS-технология;
  • высококачественные SiGe npn-транзисторы (частота Ft = 200 ГГц);
  • 130-нм КМОП полевые транзисторы 1,5/2,5 В;
  • 5-слойная металлическая соединительная структура;
  • общие медные уровни межсоединений, толстая алюминиевая металлизация сверху;
  • полный набор пассивных компонентов.

Биполярные кремний-германиевые КМОП-структуры, выполненные по более совершенной технологии с нормой 130 нм, обеспечили удвоение производительности по сравнению с устройствами предыдущего поколения. Это позволило создать в 2010 г. осциллограф с рекордно большой (на тот момент) полосой пропускания в реальном времени (45 ГГц) и частотой дискретизации 120 ГГц. В обновленной серии WM 8 Zi-A (с индексом «А») компания LeCroy применила высокоскоростной однокристальный кремниево-германиевый АЦП с частотой дискретизации 40 ГГц (Apollo Chipset 2-го поколения). Сочетание передовой элементной базы, технологии цифрового чередования полос пропускания (DBI) 5-го поколения и потоковой архитектуры обработки сигналов X-Stream II обеспечило прирост измерительных ресурсов и производительности, исключительную точность согласования и воспроизведения сигнала во всей полосе пропускания, а также значительное снижение уровня собственных шумов (~25%). Разработчики осциллографа WaveMaster 845Zi-A (рис. 2) предоставили пользователю возможность выбора: задействовать одновременно все четыре канала с полосой пропускания 20 ГГц или два канала с полосой пропускания 30 ГГц (при объединении двух каналов). При необходимости, объединив все каналы в тракт, можно для исследования высокоскоростных и широкополосных сигналов получить полосу пропускания до 45 ГГц (одноканальный режим).

Работа с осциллографом серии WaveMaster 8 ZI-A

Рис. 2. Работа с осциллографом серии WaveMaster 8 ZI-A

За счет контроля профиля распределения германия в кристалле кремния разработчикам компонентов удалось значительно улучшить частотные характеристики SiGe-транзисторов вплоть до максимально доступной частоты. Эта технология позволила не только увеличить быстродействие СВЧ-компонентов и схем, но и существенно повлиять на снижение их уровня энергопотребления и соответственно — тепловыделения. Непревзойденные характеристики кремний-германиевых компонентов (скорость переключения транзисторов ~200 ГГц), высочайшее качество и стабильность технологических линий IBM Semiconductor и инновации обеспечили увеличение полосы пропускания для удовлетворения растущих потребностей при разработке новейших стандартов связи, систем передачи данных и создании перспективных компьютеров.

В сегменте осциллографов класса Hi-End компания LeCroy начала применять обновленную интегральную технологию 8HP SiGe 4-го поколения. В январе 2012 года было объявлено о выпуске новой серии LabMaster 10 Zi. В этих осциллографах достигнута полоса пропускания 60 ГГц, максимальная дискретизация 160 Гвыборок/с и память до 1024 Мбит/канал. Таким образом, впервые в отрасли цифровой осциллографии достигнута верхняя граница полосы пропускания реального времени 60 ГГц. Это значение превышает аналогичные показатели ближайших конкурентов.

Основной управляющий модуль, работающий совместно с одним модулем сбора данных, по сути, представляет собой широкополосный осциллограф (рис. 3), имеющий четыре канала с полосой пропускания 36 ГГц или два канала с полосой пропускания 60 ГГц (при объединении каналов). Более того, с помощью архитектуры ChannelSync можно синхронизировать до пяти типовых модулей сбора данных. За счет этого возможно расширение производительности LabMaster 10 Zi до уникальной осциллографической платформы: двадцать каналов с полосой пропускания 36 ГГц или десять каналов с полосой пропускания 60 ГГц (рис. 4).

Осциллограф LabMaster 10-60Zi

Рис. 3. Осциллограф LabMaster 10-60Zi
Модульная 20-канальная осциллографическая система

Рис. 4. Модульная 20-канальная осциллографическая система

Модульная архитектура LabMaster 10 Zi обеспечивает разделение процесса сбора данных и функций их постобработки, которые включают отображение входного сигнала и управление осциллографом. Основной управляющий модуль (блок MCM-Zi) имеет широкоформатный сенсорный дисплей, органы настройки и встроенную систему многоканальной синхронизации (ChannelSync). Все эти элементы находятся под управлением высокопроизводительного многоядерного процессора серверного типа. Модули сбора данных на базе технологий 8HP SiGe и DBI обеспечивают оцифровку сигналов с частотой до 36 ГГц (непосредственная дискретизация на однокристальном АЦП), и на их основе можно анализировать сигналы частотой до 60 ГГц при одновременной парной работе двух модулей (объединение двух каналов).

Благодаря сегментированной внутренней памяти достигнута исключительная длина записи, максимально высокая скорость выборки, обеспечена поддержка интеллектуальных режимов TriggerScan и WaveScan, улучшены другие важные характеристики и параметры (таблица). Ядром функционирования является передовая архитектура сбора данных (система Front-End на рис. 5) с высокоточным отслеживанием и усилением моментов перепадов напряжения, которая сочетается с технологией цифрового чередования полос (DBI) 7-го поколения.

Архитектура сбора данных осциллографов LabMaster 10 Zi

Рис. 5. Архитектура сбора данных осциллографов LabMaster 10 Zi

Таблица. Характеристики и параметры серии осциллографов LabMaster

Параметры WaveMaster 845Zi-A LabMaster 9 Zi-A LabMaster 10 Zi (new)
Полоса пропускания, ГГц 45 45 50 60
Число каналов 1 (4×20 ГГц, 2×30 ГГц) 1 (с возможностью увеличения до 5),
4 (20×20 ГГц, 2 (10×30 ГГц)
2 (с возможностью увеличения до 10),
4 (20×36 ГГц)
2 (с возможностью увеличения до 10),
4 (20×36 ГГц)
Дискретизация (4 канала), Гвыборок/с 40 40 80 80
Дискретизация (2 канала), Гвыборок/с 80 80 160 160
Дискретизация (1 канал), Гвыборок/с 120 120 160 160
Память (стандартная), Мбит/канал 20 20 20 20
Максимальная память сбора данных, Мбайт 768 768 1024 1024
Сенсорный дисплей 15,4″ WXGA (1280×768) 15,4″ WXGA (1280×768) 15,4″ WXGA (1280×768) 15,4″ WXGA (1280×768)
Дата выпуска Октябрь 2010 г. Июль 2011 г. Январь 2012 г.

Передовые подходы и новации предоставили пользователю инструмент для выполнения сложных задач тестирования современных приложений, снижения времени на доводку и отладку РЭА и встроенных систем.

Система сбора данных в осциллографах LeCroy LabMaster 10 Zi имеет скорость выборки 80 Гвыборок/с. Она выполнена на базе двух однокристальных АЦП с дискретизацией 40 ГГц, работающих в паре и образующих таким образом единый канал аналого-цифрового преобразования. Такое решение наиболее оптимально для поддержания высоких амплитудно-частотных и фазовых характеристик и минимизации временных задержек, по сравнению с другими решениями. Например, когда чипы АЦП объединяются «поканально» или когда в однокристальном АЦП используются до 100 поочередных преобразователей.

Высокоскоростные модули памяти собственной разработки при их установке на материнской плате увеличивают длину памяти осциллографа до 512 Мбит на канал (или до 1024 Мбит при объединении двух каналов). Запатентованная технология потоковой обработки X-Stream II гарантирует быстрый и комплексный процесс обработки собранных данных на всей длине памяти, без ограничения возможностей в анализе, в отличие от конкурирующих осциллографов.

За счет использования в осциллографах LabMaster 10 Zi уникальной запатентованной архитектуры многоканальной прецизионной синхронизации LeCroy (ChannelSync) и технологии DBI обеспечивается хронирование с предельно малым джиттером. Возможности конфигурации: одновременная работа двадцати каналов (полоса 36 ГГц/дискретизация 80 ГГц) или десяти широкополосных каналов (полоса 60 ГГц/дискретизация 160 ГГц). Такой концентрации числа каналов в области СВЧ и гибкости адаптации полос пропускания «под заказчика» нет в продуктах других производителей, что также является рекордом для отрасли.

В дополнение к лидерству по принципиальным параметрам (максимальности полосы пропускания и частоты дискретизации, длине памяти, степени концентрации числа каналов в области СВЧ) система LabMaster 10 Zi может «похвастаться» отраслевым первенством по другим важным характеристикам. Система синхронизации имеет рабочую полосу вплоть до 30 ГГц, что практически в два раза больше, чем в предыдущих линейках осциллографов LeCroy WaveMaster 8 Zi-A и LabMaster 9 Zi-A, и гораздо больше, чем это гарантируют конкурентные модели. Пороговое значение уровня фазового шума 100 фс с. к. з. является предельно малым для моделей с полосами 50/60 ГГц, при этом обеспечивается высокая фазо-временная стабильность. Для LabMaster 10 Zi с полосой 60 ГГц время нарастания (20–80%) не превышает 5,5 пс (для базовой полосы пропускания 36 ГГц ≤ 9,75 пс). Для обеспечения высокоточной временной синхронизации по всем каналам сбора данных архитектура LabMaster 10 Zi использует собственный общий источник опорной частоты 10 ГГц (в 1000 раз выше, чем стандартный ОГ f = 10 МГц для лабораторных приложений), а межканальный джиттер не превышает 200 фс с. к. з.

Серия LabMaster 10 Zi поддерживает синхронизацию для сигналов последовательной передачи со скоростью до 14,1 Гбит/с и синхронизацию протоколов символьной последовательности 8b/10b и 64b/66b, а также синхронизацию для приложений PCI Express 3.0 (опционально). Такие параметры синхронизации существенно повышают значимость осциллографа LabMaster 10 Zi в качестве широкополосной мультиканальной системы для анализа высокоскоростных последовательных систем передачи данных, средств диагностики и отладки за счет возможности изоляции ошибок в заданных символах и шинах PCI Express на физическом уровне.

Анонсируя новую линейку LabMaster 10 Zi, компания LeCroy в очередной раз подняла на недосягаемую пока для конкурентов высоту планку требований к осциллографам премиум-класса.

* BiCMOS (bipolar complementary metal oxide semiconductor) — биполярная комплементарная структура металл-оксид-полупроводник.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке