Analoger Multiplexer in Bipolartechnologie für zeitverschachtelte Digital-Analog-Umsetzer

Abstract

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.

Time-interleaving of multiple digital-to-analog converters (DACs) with an analog multiplexer (AMUX) is a promising concept to further increase the bandwidth, e.g. for application in optical communication systems. In this work, the design of an analog 2:1 multiplexer in Silicon-Germanium-technology is explored. An overview of the state-of-the-art of high-speed DACs and AMUXes allows for a benchmark of this work’s results. Afterwards, the system theory of the 2:1 AMUX is stated in detail, to enable an understanding of the circuit’s behavior and the creation of an AMUX model. Also, aspects of digital signal processing are considered. The circuit design is given, including system design, dimensioning of devices, as well as physical layout. Thereby, also the influence of parasitic layout effects on the circuit is discussed. The AMUX is characterized in a measurement system. In frequency domain, a flat amplitude response is measured for the linear signal path up to 110 GHz. For the clock path, a 3-dB-frequency of approx. 85 GHz is measured. In time domain, eye diagrams are demonstrated by means of digital signal pre-distortion, at symbol rates up to 190 GBd for quaternary pulse amplitude modulation (PAM-4). Characterization with single tone signals shows different undesired signal contributories, which are created due to different non-idealities of the AMUX and measurement environment, like non-linearity or asymmetry. The AMUX model, also considering signal processing, board assembly and measurement instruments, is in agreement with the measurement results. Findings obtained from modeling, measurement characterization, as well as circuit simulation, lead to optimization approaches for future AMUX circuit designs. The AMUX design is also implemented in a complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology, where the 2:1 AMUX is co-integrated among the DACs in the same circuit. Also in this application, the benefits of the AMUX in terms of bandwidth and signal quality become obvious. The findings of this work confirm that an AMUX is outstandingly suited for generation of extremely broadband signals.