Entwicklung integrierter analoger Multiplexer für breitbandige Übertragungssysteme in SiGe-Bipolar-Technologie

Abstract

Die vorliegende Arbeit behandelt die Optimierung und Entwicklung analoger Multiplexer (AMUX) in SiGe-Bipolar-Technologie für breitbandige Übertragungssysteme. Die Anforderungen an AMUX-Schaltungen beinhalten nicht nur hohe Bandbreiten und Baud-Raten, sondern auch eine hohe Linearität und effektive Auflösung, um größtmög- liche Datenraten zu erreichen. Der AMUX dient der Verdoppelung der Abtastrate und Bandbreite zweier Digital-Analog-Wandler (DAC). Das Ziel der Arbeit ist die Entwick- lung neuer Methoden zur Analyse und Kalibrierung von AMUX-Schaltungen, um das Erreichen der Anforderungen zu ermöglichen. Um die Optimierung und Analyse der effektiven Auflösung eines AMUX systematisch zu erleichtern, wird ein funktionsbasiertes Frequenzbereichsmodell mit einem Ablaufschema aus den mathematischen Modellgleichungen hergeleitet. Auf Grundlage dieses Frequenz- bereichsmodells werden Nichtidealitäten in einem AMUX-DAC-Aufbau analysiert und charakteristische Verläufe der effektiven Auflösung zugeordnet. Dies dient als Grundla- ge der Herleitung einer Kalibrationsroutine zur Optimierung und Charakterisierung der effektiven Auflösung von AMUX-DAC-Aufbauten. Außerdem werden Topologie-Konzep- te der AMUX-Kernschaltung und des Gesamt-Schaltungskonzepts untersucht und die Vor- und Nachteile erläutert. Des Weiteren wird die Linearität der in den realisierten AMUX-Varianten verwendeten Teilschaltungen bezüglich der Dimensionierung und des Layouts untersucht. Die Anwendung der in dieser Arbeit vorgestellten Modelle und Konzepte werden am Beispiel der Entwicklung zweier AMUX-Schaltungen demonstriert. Beide realisierten AMUX-Varianten erreichen Rekorde bezüglich der effektiven Auflösung und der erreich- ten Abtastraten von AMUX-Schaltungen in SiGe-Bipolar-Technologien.

This thesis deals with the optimization and development of analog multiplexers (AMUX) in SiGe-Bipolar technology for broadband transmission systems. The targeted specifications for AMUX circuits not only include high bandwidths and baud rates, but also high linearity and effective resolution in order to achieve the highest possible data rates. The AMUX is used to double the sampling rate and bandwidth of two digital-to-analog converters (DAC). The aim of this work is the development of new methods for the analysis and calibration of AMUX circuits to achieve the targeted specifications. In order to systematically facilitate the optimization and analysis of the effective resolution of an AMUX, a function-based frequency domain model with a process script is derived from mathematical model equations. Based on this frequency domain model, non-idealities in an AMUX-DAC-setup are analyzed and characteristic curves of the effective resolution are assigned. This serves as the basis for deriving a calibration routine to optimize and characterize the effective resolution of AMUX-DAC-Setups. In addition, topology concepts of the AMUX core circuit and the overall circuit are examined and the advantages and disadvantages are explained. Furthermore, the linearity of the sub- -circuits used in the realized AMUX-variants is examined with regard to dimensioning and layout. The application of the models and concepts presented in this work are demonstrated using the example of the development of two AMUX circuits. Both implemented AMUX-variants achieve records in terms of the effective resolution and the sampling rates achieved by AMUX circuits in SiGe-Bipolar technologies.