Digital-Analog-Umsetzer in komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter-Technologie

Abstract

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.

The on-going growth of global data traffic drives increasing data rates per wavelength of optical data transmission systems. Digital-to-analog converters (DAC) in transmitter front ends are critical parts for the realization of such systems requiring sampling rates in the range of 100 GS/s and beyond. For integration with digital signal processors, complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) DACs are essential. One concept for increasing sampling rates is analog multiplexing of several DAC output signals in time domain using a clocked analog multiplexer (AMUX). The inherent nonlinear operation of an AMUX enables true bandwidth extension by a real roll-off shift towards higher frequencies compared to simple active or passive summation of DAC signals. Consequently, multiplexing in the analog domain is a flexible solution to further boost the sampling rate and bandwidth of any given CMOS DAC architecture in front of it and opens a second, conceptual path for achieving higher sampling rates next to technology advances. It has already been applied in hybrid systems, e.g. with CMOS DACs and silicon-germanium bipolar AMUXs, but no pure CMOS solution has been reported at comparable sampling rates as shown here. In this work, a full CMOS integration using different circuit topologies of two sub-DACs with a nominal resolution of 8 bit and an AMUX interleaving their outputs on a single chip is presented. The main emphasis is on reaching highest sampling and data rates rather than any power consumption considerations. The circuit is realized in 28-nm fully-depleted silicon-on-insulator CMOS technology and an additional on-chip 256-KiS memory completes the system to a universal arbitrary waveform generator. Broadband, pulse amplitude modulated (PAM) signals up to Nyquist frequency are demonstrated up to 108 GS/s (PAM-2) and data rates up to 240 Gbit/s (PAM-8). Moreover, the DAC system can be used for oversampling applications of less broadband signals and pulse shaping for sampling rates up to 118 GS/s. Furthermore, the DAC reveals deterministic, linear, periodically time-varying behavior due to design causing impairments in terms of distortions and hence deteriorating signal quality. To compensate for these distortions, a universal system identification method as well as a powerful predistortion are developed dealing with these special shortcomings. A massive improvement for pulse amplitude modulated as well as for single-tone signals can be shown. To conclude, a system consisting of two sub-DACs with time interleaving in the analog domain by active, analog multiplexing in CMOS technology is developed reaching sampling rates clearly beyond 100 GS/s.