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    Analoger Multiplexer in Bipolartechnologie für zeitverschachtelte Digital-Analog-Umsetzer
    (2024) Tannert, Tobias; Berroth, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)
    Um die von Digital-Analog-Umsetzern (DAUs) generierte Signalbandbreite weiter zu steigern, z.B. für die Anwendung in optischen Kommunikationssystemen, ist die Zeitverschachtelung mehrerer DAUs mit einem analogen Multiplexer (AMUX) ein aussichtsreiches Konzept. In dieser Arbeit wird der Entwurf eines analogen 2:1 Multiplexers in einer Silizium-Germanium-Technologie erforscht. Ein Überblick über den Stand der Technik von schnellen DAUs und AMUXen ermöglicht eine Einordnung der Ergebnisse dieser Arbeit. Anschließend wird die Systemtheorie des 2:1 AMUX ausführlich dargelegt, um das Verhalten der Schaltung verstehen zu können und ein Modell des AMUX zu erstellen. Auch Aspekte der digitalen Signalverarbeitung werden berücksichtigt. Der Schaltungsentwurf mit Systemauslegung, Dimensionierung der Bauteile, sowie Layout wird vorgestellt. Dabei wird auch diskutiert, wie bestimmte parasitäre Effekte des Layouts die Schaltung beeinflussen. Die AMUX-Schaltung wird in einem Messaufbau charakterisiert. Im Frequenzbereich wird für den linearen Signalpfad ein flacher Amplitudengang bis 110 GHz gemessen, für den Taktpfad eine 3-dB-Grenzfrequenz von ca. 85 GHz. Im Zeitbereich werden mithilfe digitaler Vorverzerrung der Signale Augendiagramme demonstriert bei Symbolraten bis zu 190 GBd für vierwertige Pulsamplitudenmodulation (PAM-4). Die Charakterisierung mit Eintonsignalen zeigt verschiedene Beiträge von Störsignalen auf, die aufgrund verschiedener Nichtidealitäten des AMUX und des Messaufbaus entstehen, wie Nichtlinearität oder Asymmetrie. Das Modell des AMUX mit Einbeziehung der Signalverarbeitung, Aufbautechnik und Messgeräte stimmt mit den Messergebnissen überein. Aus der Modellierung und messtechnischen Charakterisierung, sowie Schaltungssimulation werden Erkenntnisse gewonnen, aus denen Optimierungsansätze für künftige AMUX-Schaltungen abgeleitet werden. Der AMUX-Entwurf wird auch in einer Halbleitertechnologie mit komplementären Metall-Oxid-Halbleiter-Transistoren (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor [CMOS]) implementiert, wo der 2:1 AMUX gemeinsam mit den DAUs in derselben Schaltung integriert ist. Auch in dieser Anwendung zeigen sich die Vorteile des AMUX für Bandbreite und Signalqualität. Die Ergebnisse dieser Arbeit bestätigen, dass zur Erzeugung extrem breitbandiger Signale ein AMUX hervorragend geeignet ist.