Optimierung mit Taktsignalen angesteuerter Stromschalter in breitbandigen Hochgeschwindigkeitsschaltungen in Bipolar-Technologie

Abstract

Die vorliegende Arbeit behandelt die Optimierung von mit Taktsignalen angesteuerten Stromschaltern in Bipolar-Technologie im Hinblick auf Ausgangsamplitude, Grenzfrequenz, Flankensteilheit und Tastgradfehler bzw. Gleichanteil. Diese Größen sind bei Taktverteilungsschaltungen sowie allgemein bei mit Taktsignalen angesteuerten Schaltungen entscheidend, um hohe Taktfrequenzen bis möglichst nahe an die Technologiegrenze zu erreichen. Die Besonderheit der vorliegenden Arbeit liegt in der Betrachtung breitbandiger Schaltungen, welche von niedrigen bis hohen Taktfrequenzen eingesetzt werden.

Die Arbeit ist zweigeteilt in einen theoretischen und einen experimentellen Teil.

Im theoretischen Teil werden analytische Modelle zur Beschreibung der Einflussfaktoren auf die betrachteten Größen vorgestellt. Die Modelle erlauben eine zielführende Schaltungsoptimierung. Sie geben zudem teilweise erstmalig Einblicke in Zusammenhänge, welche bis dato lediglich experimentell oder simulativ beobachtet worden sind.

Der experimentelle Teil stellt die Entwicklung zweier Varianten einer Multiplexer-Schaltung vor. Hierfür werden neben dem Anwenden der analytischen Modelle ein spezielles Konzept zur breitbandigen Phasenverschiebung von Taktsignalen und ein darauf basierender Frequenzverdoppler eingesetzt. Beide realisierten Varianten der Multiplexer-Schaltung stellen mit hohen Datenraten bei hohen Ausgangshüben zum Zeitpunkt der jeweiligen Veröffentlichungen einen Rekord auf.

The present thesis deals with the optimization of clock-driven current switches in bipolar technology with regard to output amplitude, cut-off frequency, edge steepness and duty cycle error or DC component. These criteria are important in clock distribution circuits as well as generally in circuits driven by clock signals in order to operate at clock frequencies close to the semiconductor technology limit. The peculiarity of the present work lies in the consideration of broadband circuits, which are used at low to high clock frequencies.

The thesis is divided into a theoretical and an experimental part.

In the theoretical part, analytical models for describing the influencing factors on the considered criteria are presented. By these, dimensioning and optimization of the circuits under investigation can be performed in a fast and target-aiming way. For the first time, the models also provide insights into relationships that have so far only been observed experimentally or by simulation.

In the experimental part, two variants of a multiplexer circuit are presented. Besides applying the analytical models, a special concept for a broadband clock phase shifter circuit is proposed and applied in a frequency doubler. Both variants of the multiplexer circuit realized with these methods and circuit concepts form a record at the time of the corresponding publications with their high data rates at high output voltage swings.