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Digital-Analog-Umsetzer in komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter-Technologie
(2024) Widmann, Daniel; Berroth, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)
Das stetige Anwachsen des globalen Datenverkehrs treibt optische Datenübertragungssysteme zu immer höheren Datenraten pro Träger-Wellenlänge. Digital-Analog-Umsetzer (DAU) in Sendesystemen sind kritische Komponenten bei der Realisierung derartiger Systeme und erfordern Umsetzungsraten im Bereich von 100 GS/s und darüber hinaus. Zur Integration mit digitalen Signalprozessoren spielen DAU in komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter-Technologie (engl.: complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS) eine zentrale Rolle. Analoge Zeitverschachtelung mehrerer DAU-Ausgänge mithilfe eines getakteten analogen Multiplexers (AMUX) ist ein Konzept, um die Umsetzungsraten zu erhöhen. Im Gegensatz zur einfachen Überlagerung von DAU-Ausgangssignalen erhöht die inhärent nichtlineare Operation die Bandbreite durch Verschiebung der prinzipbedingten Dämpfung. Daher bietet der Einsatz eines AMUXs eine universelle Lösung, die Umsetzungsraten und Bandbreiten von CMOS-DAUn zu erhöhen, und eröffnet neben der Weiterentwicklung der Technologie einen zweiten, konzeptuellen Weg hierfür. AMUX wurden bereits in hybriden Systemen, beispielsweise aus CMOS-DAUn und AMUX in Silizium-Germanium-Bipolartechnologie, eingesetzt. Allerdings wurde noch keine vollumfängliche CMOS-Integration eines solchen Systems bei vergleichbaren Umsetzungsraten, wie sie hier erreicht werden, demonstriert. In dieser Arbeit werden unter Verwendung unterschiedlicher Schaltungstopologien zwei Sub-DAU mit einer nominalen Auflösung von 8 bit zusammen mit einem AMUX auf einem Chip präsentiert. Dabei liegt der Fokus darauf, möglichst hohe Umsetzungs- und Datenraten zu erreichen. Die Leistungsaufnahme spielt eine untergeordnete Rolle. Die Schaltung ist in einer 28-nm-CMOS-Technologie (fully-depleted silicon-on-insulator) realisiert und ein zusätzlicher 256 KiS großer Speicher vervollständigt das System zu einem vollwertigen, universellen Arbiträrsignalgenerator. Breitbandige, pulsamplitudenmodulierte (PAM) Signale bis zur Nyquist-Frequenz werden bis 108 GS/s (PAM-2) und Datenraten werden bis 240 Gbit/s (PAM-8) demonstriert. Darüber hinaus kann das System für Anwendungen mit Überabtastung schmalbandigerer Signale und eventueller Pulsformung bis 118 GS/s eingesetzt werden. Entwurfsbedingt weist der DAU ein deterministisches, lineares, periodisch zeitvariantes Verhalten auf, was zu Verzerrungen führt. Um diese zu kompensieren bzw. zu reduzieren, wird ein universelles Verfahren zur Systemidentifikation und Vorverzerrung entwickelt. Damit können deutliche Verbesserungen für pulsamplitudenmodulierte Signale wie auch für Eintonsignale erzielt werden. Zusammenfassend wird in dieser Arbeit ein System aus zwei Sub-DAUn und einem AMUX zur Zeitverschachtelung auf analoger Ebene in CMOS-Technologie entwickelt, das Umsetzungsraten deutlich über 100 GS/s erreicht.