Entwicklung integrierter Treiber-Verstärker für optische Übertragungssysteme in SiGe-Bipolar-Technologie

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung von Treiberverstärkern in SiGe-Bipolar-Technologie für optische Übertragungsstrecken. Die Zielspezifikationen solcher Treiber fordern nicht nur hohe Bandbreiten bzw. Datenraten, sondern auch große Ausgangsspannungshübe im Vergleich zur Durchbruchsspannung der Transistoren. Darüber hinaus wird je nach Anwendung eine hohe Linearität angestrebt. Das Ziel der Arbeit ist die Entwicklung neuer Methoden zur Entwicklung von Treiberverstärkern, die das Erreichen dieser Anforderungen ermöglichen. Treiberschaltungen zeichnen sich besonders durch die großen Spannungshübe aus, die wiederum große Ströme bedingen. Die dadurch entstehenden, großen Verlustleistungsdichten erfordern eine genaue thermische Analyse der Schaltungen. Außerdem werden Schaltungskonzepte vorgestellt, um die Leistungsaufnahme der Treiberschaltungen zu reduzieren. Bedingt durch die großen Ströme in Verbindung mit parasitären Induktivitäten sind Treiberschaltungen besonders anfällig für Instabilitäten. Daher wird die Analyse und Dimensionierung der Schaltungen im Hinblick auf ihre Stabilität ausführlich behandelt. Die Anwendung der neuen Methoden und Konzepte wird am Beispiel der Entwicklung von drei grundlegend unterschiedlichen Treiberschaltungen demonstriert, die jeweils den Stand der Technik erweitern.

The subject of this thesis is the development of driver amplifiers in SiGe bipolar technology for optical communication links. The target specifications of such drivers require not only high bandwidths and data rates, but also high output voltage swings compared with the breakdown voltage of the transistors. Furthermore, depending on the application, a high linearity is aimed at. The goal of this work is the development of new methods for the development of driver amplifiers to facilitate the achievement of these objectives. Driver circuits feature in particular high voltage swings and consequently require high currents. The corresponding high power densities require a precise thermal analysis of the circuits. Furthermore, circuit concepts to reduce the power consumption of driver circuits are presented. Because of the high currents in conjunction with parasitic inductances driver circuits are prone for instabilities. Hence, the analysis of the circuits with regard to their stability is elaborately examined. The application of the new methods and concepts is demonstrated at the example of the development of three fundamentally different driver circuits which in each case expand the state of the art.