INT offers interested students the opportunity to complete their theses in future-oriented research projects in the field of integrated electrical and photonic circuit design.
Allgemeine Themen/General topics
Main Task Categories
- Integrated circuit (IC) design
- Artificial neural network (ANN) modeling
Background
Artificial intelligence has found its way into more and more areas of life in recent years. This also applies to mobile applications with limited available energy. The energy efficiency of AI accelerators therefore plays a decisive role. Analog implementations are moving into focus, as they have considerable energy-saving potentials. By considering electrical voltages, currents and charges as continuous analog quantities to perform arithmetic operations, the energy required for inference can be significantly reduced compared to conventional digital calculation. At INT, we are working on an all-analog system, where the multiply-accumulate (MAC) operation and ReLU-activation operation is performed in analog.
Your Task
We are looking for very good students who want to help us to develop energy-efficient circuits or program hardware-aware models needed to train neural networks.
Exemplary Topics
- Modeling of analog circuit components in Python/Tensorflow/PyTorch.
- Design of highly energy- and area-efficient A/D and D/A converters
- Development of strategies to reduce or compensate mismatch at system level, circuit level or software level.
Your Profile
- Independent and goal-oriented way of working
- IC-design: Very good grade in the lecture Mixed Signal Integrated Circuit (INT), Verstärkertechnik (INT), Grundlagen Integrierter Schaltungen (INT) or in a similar lecture.
- ANN-modeling: Very good grade in lecture the Deep Learning (ISS) or in similar lecture.
We Offer
- Individual supervision and support
- Freedom to contribute and implement your own ideas
- State-of-the-Art process design kits for IC design
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Art der Arbeit
- Schaltungsentwurf/Simulation
- Schaltungslayout
- HF-Systemsimulation
Hintergrund
Um gleichzeitig die Effizienz und Linearität von hochfrequenten Leistungsverstärkern für Drahtlos- und Mobilgeräte zu verbessern, wird am INT der Ansatz eines volldigitalen Senderkonzepts verfolgt. Im Rahmen des von der DFG geförderten Forschungsprojekts „Hochfrequente Mehrstufen-Schaltverstärker im pulspositions- und pulsweitenmodulierten Betrieb zur effizienten Leistungsverstärkung von breitbandigen Mobilfunksignalen“ sollen dazu mehrstufige Schaltverstärker (ML-SMPA) in einer modernen FDSOI-CMOSTechnologie erforscht werden. Um den Dynamikbereich des Schaltverstärkers zu verbessern, wird die Amplitude des gefilterten HF-Signals zusätzlich zur Pulsweite in diskrete Ausgangsspannungs- (ML-VM-SMPA) oder Ausgangsstromstufen (ML-CM-SMPA) kodiert.
Aufgabenstellung
Abhängig vom Stand des Forschungsprojekts und der Art der Arbeit liegt der Schwerpunkt auf dem Entwurf eines mehrstufigen Schaltverstärkers mit Layout in Cadence IC, dem Entwurf von transformatorbasierten Netzwerken zur Leistungsaddition und Impedanzanpassung in ADS Momentum oder der Ansteuerung des Verstärkers. Gegebenenfalls sind Simulationen und Untersuchungen auf Systemebene in Matlab möglich.
Voraussetzungen
- Kenntnisse über CMOS-Schaltungen
- Grundkenntnisse über Hochfrequenztechnik
Ansprechpartner
Spezifische Themen/Specific topics
Themenüberblick
- FPGA-Entwurf mit VHDL
- Python-Programmierung
- Messtechnik
Hintergrund
Am INT werden integrierte Schaltungen (IC) zur Übertragung hochbitratiger Signale entworfen. Die Eingangsschnittstellen der ICs sind oft parallel ausgeführt, wobei jedeeinzelne Leitung von einer seriellen Hochgeschwindigkeitsschnittstelle eines FPGAs mit Daten versorgt wird. Da sie zusammen eine parallele Schnittstelle bilden sollen, müssen sie aufeinander synchronisiert werden. Die über die Schnittstellen zu sendenden Daten werden im FPGA in RAM-Blöcken zwischengespeichert. Die externe Kommunikation erfolgt über eine Ethernet-Schnittstelle mittels eines INT-proprietären Protokolls.
Deine Aufgabe
In diesem spannenden Projekt wirst du die Möglichkeit haben, eine flexible Hochgeschwindigkeitsdatenquelle zu entwickeln, die Teil einer Messumgebung für integrierte Schaltungen am INT ist. Zunächst erfolgt eine Einarbeitung in bereits bestehende Komponenten. Darauf aufbauend soll eine flexible Anpassung der Anzahl der Schnittstellen und des Speichers entwickelt werden. Die Datenrate soll in einem Bereich von etwa 1 bis 28 Gbaud einstellbar sein. Der Common-Mode der Ausgangssignale soll ebenfalls einstellbar sein. Die Konfiguration soll über eine GUI, die in Python entwickelt werden soll, erfolgen. Die Verifikation erfolgt an einem bestehenden Messaufbau.
Dein Profil
- Gute Vorkenntnisse in VHDL und Python
- Eigenständige und strukturierte Arbeitsweise
- Motivierte Herangehensweise an eine komplexe Aufgabe
- Empfohlen: Erfahrung mit AMD (Xilinx) Virtex-FPGAs und Vivado
Wir bieten
- Individuelle Betreuung und Unterstützung
- Raum, um eigene Ideen einzubringen
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Hintergrund der Forschung
Die schnell wachsende Nachfrage nach Rechenkapazität für künstliche Intelligenz erfordert eine Reduzierung des Energiebedarfs von KI-Beschleunigern. Analoge Beschleuniger sind potentiell energieeffizienter als digitale und werden deshalb von Industrie und Wissenschaft erforscht. Am INT haben wir bereits ein rein analoges System entwickelt: zusätzlich zur Matrix-Vektor-Multiplikation ist die Aktivierungsfunktion durch eine analoge Schaltung implementiert. Dadurch wird die Ausgangsaktivierungen der Neuronen direkt weiterverwendet und an die nächste neuronale Schicht geleitet. Die Fläche und Energie für Cache-Speicher entfallen vollständig und die Latenzzeit wird minimiert.
Deine Aufgabe
Wir suchen motivierte Studenten und Studentinnen die mit uns energieeffiziente analoge Schaltungen zur Berechnung von künstlichen neuronalen Netzen entwickeln wollen. Diese Schaltungen sollen zukünftig noch schneller und effizienter rechnen und eine neue Generation des INT-KI-Chips ermöglichen. Die eingesetzte 22 nm FD-SOI CMOS Technologie bietet durch das Back-Gate-Biasing vielfältige Möglichkeiten und kreative Lösungen für den Schaltungsentwurf.
Diese Schaltungen kannst du entwerfen
- Entscheider-/Winner-Takes-All-Schaltung
- Analoges Schieberegister
- Schaltungen zur automatischen Korrektur von Prozessschwankungen (Mismatch)
- Digital-to-Time Converter (DTC)
Dein Profil
- Selbstständige und zielorientierte Arbeitsweise
- Sehr gute Leistungen in Vorlesungen zu integrierten, analogen Schaltungen oder CMOS/BJT-Transistoren, z.B. Mixed-Signal Integrated Circuits, Verstärkertechnik oder Grundlagen Integrierter Schaltungen
Wir bieten
- Individuelle Betreuung und Unterstützung
- Freiheit, eigene Ideen einzubringen und umzusetzen
- State-of-the-Art Prozessdesign-Kits und Entwurfswerkzeuge für den Schaltungs-Entwurf
- Vorbereitung auf eine Karriere oder Promotion im Bereich des analogen und mixed-signal Schaltungsentwurfs
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Objective
- Simulation
- Optimization
Background
Photonic Integrated Circuits (PICs) have become a key component of modern communication technologies in recent years. They are used in a variety of commercial products, enabling complex optical functions such as pre-filtering and multiplexing. These PICs are typically fabricated on silicon platforms, similar to electronic circuits. To further increase the performance of these devices, the integration of advanced materials, such as subwavelength metamaterials, is essential. Metamaterials offer unique optical properties that are not found in naturally occurring materials, allowing for unique control over light propagation, refraction, and reflection. This enables the realization of highly compact and efficient photonic components, improving the functionality of PICs in applications like optical filtering, beam shaping, and enhanced light-matter interaction.
Your task
Your work will include electromagnetic simulations to analyze the properties of silicon-on-insulator (SIO) metamaterials and the use of optimization techniques to improve the device performance, with a particular focus on minimizing optical losses, reducing the device footprint, and improving the broadband behavior. The amount of work can be tailored to the type of thesis.
Your profil
- Experience in working with Python
- Knowledge in integrated photonics
- You have the ability to work independently and solve problems on your own
- Previous knowledge in electromagnetic simulation is beneficial
We offer
- Individual supervision and support
- Freedom to contribute and implement your own ideas
- Access to state-of-the-art facilities and advanced simulation tools
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Objective
- Simulation
- Optimization
Background
Photonic Integrated Circuits (PICs) have become a key component of modern communication technologies in recent years. They are used in a variety of commercial products where they enable complex optical functions such as pre-filtering and multiplexing. These PICs are typically fabricated on silicon platforms, similar to electronic circuits. To further increase the versatility of these devices, the integration of specialized components such as polarization converters is essential. An integrated polarization converter allows the manipulation of the polarization states of light, which is critical for enhancing the functionality and efficiency of photonic systems, particularly in applications like optical signal processing and on-chip communication.
Your task
The project will focus on comparing and optimizing single trench TE/TM mode converters through simulations that analyze their passive characteristics. Additionally, the active behavior of these devices will be explored when integrated with a thermo-optical phase shifter for dynamic control. This will involve the development of a mode-selective metamaterial-based thermo-optical phase shifter.
Your profil
- Experience in working with Python
- Knowledge in integrated photonics
- You have the ability to work independently and solve problems on your own
- Previous knowledge in electromagnetic simulation is beneficial
We offer
- Individual supervision and support
- Freedom to contribute and implement your own ideas
- Access to state-of-the-art facilities and advanced simulation tools
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Objective
- Software development
- Measurement technology (photonic)
Background
Photonic integrated circuits (PICs) have become a key component of modern communication technologies in recent years. They are used in various commercial products where they enable complex optical functions such as prefiltering and multiplexing. These PICs are typically manufactured on silicon platforms, similar to electronic circuits. To optimise their performance and expand their application areas, it is crucial to perform precise measurements and characterisations.
Your task
In this exciting project, you will have the opportunity to actively participate in the development of an automated measurement setup for PICs. Your main task will be to research and implement innovative optimisation algorithms to precisely control modern piezo-adjustable stages. By applying these algorithms, you will be able to autonomously identify the optimal coupling point, which in turn will maximise the efficiency and functionality of the photonic circuits. Your work will help drive the development of these groundbreaking technologies while providing you with valuable insights into the emerging field of photonic integration.
Your profil
- Initial experience in working with Python or Matlab
- Ability to perform precise manual work
- Enjoy optimising and searching for efficient solutions
We offer
- Individual supervision and support
- Freedom to contribute and implement your own ideas
- The opportunity to work on exciting photonic measurement setups and familiarise yourself with new technologies
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Legend: BA: Bachelor thesis, FA: Research project, MA: Master thesis
Apart from the topics here, we can also offer projects related to our current research topics. Some master theses can also be carried out in a slimmed-down form as a bachelor or research thesis. If you are interested, simply contact our staff members. The completed thesis also provides you an overview of the institute's wide range of topics. Most projects can also be carried out in English.
The projects are carried out in close cooperation with renowned national and international research institutions and offer students ideal conditions for applying their acquired knowledge to real-world practical problems, while at the same time giving them the chance to broaden their application-oriented proficiency. Exciting tasks, which are worked out together with experienced PhD students and post-docs, offer excellent professional as well as personal development opportunities for the further career.
Abgeschlossene Arbeiten/Completed theses
2023
- “Entwurf einer Abbildungsvorschrift zur Ansteuerung eines HF-Schaltverstärkers,” Bachelorarbeit, no. xxxx.
- “Design of an Energy Efficient Ring Amplifier for an Analog Multi-Bit Dynamic Memory,” Forschungsarbeit.
- “Entwurf und Aufbau einer Demonstrator-Leiterplatte für einen integrierten Arbiträrsignalgenerator,” Forschungsarbeit.
- “System Design, Model Building and Training of an Analog Neural Network based Equalizer for Optical Receivers,” Masterarbeit.
- “Effizienzsteigerung eines Schicht-7-Protokolls zum Datenaustausch über Ethernet auf einem FPGA,” Forschungsarbeit, no. xxxx.
- “Entwurf eines Automotive Ethernet Messempfängers auf einem FPGA,” Masterarbeit.
2022
- “Entwurf eines sukzessiven Approximationsregisters in einer 22nm CMOS Technologie,” Forschungsarbeit, no. 1121.
- “Transimpedanzverstärker für einen Monolithisch Integrierten Optoelektronischen Empfänger,” Masterarbeit, no. 1125.
- “Entwurf eines Datenrückgewinnungsalgorithmus für einen Automotive Ethernet Messempfänger,” Bachelorarbeit.
- “Implementierung einer ethernet-basierten Kommunikationsschnittstelle für ein FPGA-Messsystem,” Forschungsarbeit, no. 1127.
- “Aufbau eines Sensorarrays zur Materialanalyse,” Forschungsarbeit, no. 1113.
- “Integrated Circuit Design of Key Components of a SAR ADC in 22 nm FDSOI,” Masterarbeit, no. 1122.
- “Entwurf und Aufbau eines klirrarmen Sinusgenerator mit Abtast-Halte-Glied zur Amplitudenstabilisierung,” Bachelorarbeit, no. 1124.
- “Elektro-Optischer Zweimoden-Modulator Basierend auf Plasmonischer Wellenführung,” Forschungsarbeit, no. 1109.
- “Transfer und Anpassung einer integrierten Multiplexer-Struktur mit Alterungs-Sensoren und Überarbeitung des Auswertekonzeptes,” Forschungsarbeit, no. 1120.
- “Entwurf einer Transferschaltung für ein analoges dynamisches multi-bit Speicherkonzept,” Masterarbeit, no. 1128.
- “Charakterisierung optischer Verluste von Siliziumnitrid-Wellenleitern im sichtbaren Spektralbereich,” Masterarbeit, no. 1129.
- “Integrierter Schaltungsentwurf eines Transkonduktanzverstärkers zur Verbindung analoger Neuronen,” Bachelorarbeit, no. 1126.
2021
- “Analyse und Weiterentwicklung eines Pulsgenerators für künstliche neuronale Netze.”
- “Zeitbasierte Eingangsstufe für ladungsbasierte Sensorsysteme.”
- “Design und Charakterisierung von hocheffizienten und breitbandigen optischen Glasfaser-Chip-Schnittstellen,” Bachelorarbeit, no. 1100.
- “Entwurf eines Ausgangsnetzwerks für einen breitbandigen linearen Verstärker.”
- “Umsetzung eines Delta-Sigma-Algorithmus auf einem FPGA für die Mobilfunkkommunikation.”
- “Implementierung und Weiterentwicklung eines laufzeiteffizienten Systemmodells in Python/Tensorflow für ein analoges Neuron,” Masterarbeit, no. xxxx.
- “Entwicklung einer mehrkanaligen Ansteuerung für thermooptische Phasenschieber,” Bachelorarbeit, no. xxxx.
- “Einstufiger analoger 4-zu-1 Multiplexer für 200 GBd-Signale in Bipolartechnik,” Bachelorarbeit, no. 1096.
- “Untersuchung und Optimierung von Elektroden in Silizium-organisch-hybriden Mach-Zehnder-Modulatoren,” Bachelorarbeit, no. 1099.
- “Implementierung eines digitalen Pulsgenerators mit mehreren synchronen Kanälen für Echtzeitanwendungen auf Basis von Einplatinen-Hardware.”
- “Integrierter Entwurf einer Optoelektronischen Eingangsschaltung für einen Empfänger in Glasfasernetzwerken,” Masterarbeit.
- “Weiterentwicklung einer hardwarespezifischen Weiterentwicklung einer hardwarespezifischen KI-Bibliothek in Tensorflow für analoge künstliche neuronale Netze,” Bachelorarbeit, no. xxxx.
- “Chip-integrierte photonische Systeme zur Polarisations-Modulation und Analyse von Licht.”
- “Circuit Design of Key Components for an Analog-to-Digital Converter in Optical Communications.”
- “Implementierung eines elektrooptischen Messplatzes zur Charakterisierung von Mach-Zehnder-Modulatoren“.”
- “Elektro-Optischer Zweimoden-Modulator basierend auf plasmonischer Wellenführung.”
- “Entwurf eines Quadraturtakt-Systems,” Bachelorarbeit, no. xxxx.
2020
- “Untersuchung von rückseitenbasierten optischen Glasfaser-chip-Schnittstellen.”
- “Charakterisierung von Raman- und Fluoreszenz-Effekten in Chip-integrierten Wellenleitern.”
- “Optische Bauelemente für die spektrale Signalanalyse in der Silizium-auf-Isolator-Plattform.”
- “Untersuchung und Design magnetisch gekoppelter integrierter Strukturen.”
- “Entwurf und Vergleich von Schaltungen für die Taktaufbereitung.”
- “Entwurf und Charakterisierung von Leiterplatten zum Aufbau eines Radar- ASICs in 22-nm-CMOS-Technologie.”
- “Rauschen und Nichtidealitäten in analogen neuronalen Netzwerken und ihr Einfluss auf die Korrektklassifikationsrate: Noise and non-idealities in analog neural networks and their influence on the correct classification rate,” Masterarbeit, no. 1080.
- “Effiziente Schaltung zur Übertragung von Ladung zwischen Kondensatoren,” Bachelorarbeit, no. 1076.
- “Untersuchung und Entwurf von Schutzkonzepten gegen elektrostatische Entladungen für CMOS-Schaltungen.”
- “Aufbau eines Laserversorgungsmoduls mit Stromquelle und Temperaturregelung,” Bachelorarbeit.
- “Optimierung integrierter optischer Bauelemente für die on-chip-Sensorik,” no. 1074.
- “Optimierung eines ADC-Frontends für einen 400 Gbit/s - Empfänger,” Masterarbeit, no. 1075.
- “Entwicklung eines Daten-Simuators für einen Destiny+ Staubanalysator.”
- “Entwurf eines Systemmodells für ein analoges Mischsignalneuron.”
- “Quadraturtakterzeugung für einen Optoelektronischen Empfänger mit 100 GBaud.”
- “System-Studie zur chip-integrierten Anregung und Analyse von Fluoreszenz-Effekten in Mikrofluidik-Kanälen,” Masterarbeit.
- “Entwicklung eines yearn-Simuators für einen Destiny+ Staubanalysator,” Masterarbeit, no. 1078.
- “HF-Schaltverstärker in FDSOI CMOS-Technologie,” Masterarbeit, no. 1082.
- “Minimierung des Rauschens von ESD Schutzschaltungen für Eingänge hoher Impedanz,” Bachelorarbeit, no. 1088.
- “Redesign einer FPGA-basierten Messumgebung mit hochbitratiger paralleler Schnittstelle.”
2019
- “Entwurf und Aufbau eines klirrarmen Sinusgenerators für das Fachpraktikum Schaltungstechnik.”
- “Implementierung einer Ansteuerung für einen schnellen Digital-Analog-Umsetzer mit 128 GSa/s Umsetzungsrate.”
- “Layout and Analysis of a 4-to-1 Analog Multiplexer in a 130nm SiGe BiCMOS Technology,” Studienarbeit, no. 1062.
- “Untersuchung von reichweitereduzierenden Effekten eines kohärent arbeitenden Laserentfernungsmesssystems.”
- “Portierung eines Entwurfs eines analogen 4-zu-1 Multiplexers in eine 130 nm BiCMOS Technologie.”
- “Layout Parasitics Study of a Track-and-Hold Amplifier with Switched Emitter Follower.”
- “Integrierte Wellenleiter-Fotodiode basierend auf laserkristallisierten Germaniumschichten.”
- “Untersuchung der Schaltungstopologie eines sparsamen Mischsignalneurons.”
- “Untersuchung von Schaltungstopologien für analoge Multiplexer.”
- “5-6 GHz 0.25 µm SiGe BiCMOS PA Design.”
- “Prototyp-Entwicklung eines On-Chip-Raman-Sensorik-Systems.”
- “Steuerung einer FPGA-basierten Messumgebung.”
- “Charakterisierung und Optimierung von Gitterkoppler-Arrays mit Rückseitenspiegeln.”
2018
- “Entwicklung eines logarithmischen Verstärkers mit mehr als 80 dB Dynamikumfang,” Bachelorarbeit, no. 1041.
- “Charakterisierung von Polymer-Deckschichten in integrierten Silizium-Hybrid-Modulatoren”
- “Physikalischer Entwurf eines schnellen CMOS-Rechenwerks für einen Analog-Digital-Umsetzer”
- “Design and Implementation of a DRP Component for Multi-Input and Multi-Output MMCM of Xilinx 7 Series and Virtex-6 FPGA”
- “Untersuchung und Entwurf von Schnittstellen und Schutzkonzepten gegen elektrostatische Entladungen für 28-nm-CMOS-Schaltungen”
- “Evaluation eines echtzeitfähigen digitalen Korrekturverfahrens für einen Analog/Digital-Umsetzer”
- “Optimierung einer automatischen Verstärkungsregelung in einer 130 nm CMOS-Technologie,” Forschungsarbeit, no. 1039.
- “Evaluation eines echtzeitfähigen digitalen Korrekturverfahrens für einen Analog/Digital-Umsetzer,” Bachelorarbeit, no. 1040.
- “Redesign of an LNA for 5 GHz to 6 GHz Band”
- “Auslegung von Multimoden-Interferometern für die spektrale Analyse optischer Signale”
- “Extrem rauscharmer Ladungsverstärker für schnellste Staubteilchen”
- “Redesign of an LNA for 5 GHz to 6 GHz Band,” Studienarbeit, no. 1051.
- “Operationsverstärkerschaltung zur Messung von Strömen im Nanoampere-Bereich”
- “Entwurf eines analogen 4:1-Multiplexers mit sehr hoher Bandbreite in einer 130 nm BiCMOS Technologie”
- “Integrierter polarisationsteilender Gitterkoppler mit festem Glasfaseranschluss,” Bachelorarbeit, no. 1054.
- “Entwurf einer FPGA-basierten Messumgebung für Chips mit hochbitratiger paralleler Schnittstelle,” Masterarbeit, no. 1059.
- “Optimierung einer automatischen Verstärkungsregelung in einer 130 nm CMOS-Technologie”
- “Simulation von Sub-Wellenlängen-Wellenleitern,” Bachelorarbeit, no. 1052.
- “Entwurf und Optimierung eines rücksetzbaren, strahlungsharten Taktteilers mit Fehlerdetektion und zugehörigen Komponenten,” Bachelorarbeit, no. 1044.
- “Operationsverstärkerschaltung zur Messung von Strömen im Nanoampere-Bereich,” Forschungsarbeit, no. 1042.
- “Design of a High-Speed Clock Regeneration Circuit for a 128 GS/s Analog Demultiplexer”
- “Entwurf und Optimierung eines rücksetzbaren, strahlungsharten Taktteilers mit Fehlerdetektion und zugehörigen Komponenten”
- “Integration von Laserdioden in integriert-optische Systeme”
- “Entwurf eines analogen 4:1-Multiplexers mit sehr hoher Bandbreite in einer 130 nm BiCMOS Technologie,” Forschungsarbeit, no. 1047.
- “Untersuchung und Entwurf von Schnittstellen und Schutzkonzepten gegen elektrostatische Entladungen für 28-nm-CMOS-Schaltungen,” Bachelorarbeit, no. 1045.
- “Extrem rauscharmer Ladungsverstärker für schnellste Staubteilchen,” Forschungsarbeit, no. 1043.
- “Entwicklung eines logarithmischen Verstärkers mit mehr als 80 dB Dynamikumfang”
2017
- “Bandbreitenoptimierung von Gitterkopplern,” Forschungsarbeit, no. 1015.
- “Studie zu einem rauscharmen Ladungsverstärker mit anpassbarer Eingangsstufe,” Forschungsarbeit, no. 1036.
- “Laserkristallisation von Germanium für Infrarot-Fotodioden,” Forschungsarbeit, no. 1037.
- “Entwurf eines limitierenden Verstärkers für 27 MHz in einer 130 nm CMOS Technologie,” Bachelorarbeit, no. 1030.
- “Entwurf analoger Schaltungskomponenten für einen Faltungs- und Interpolations-Analog/Digital-Umsetzer,” Masterarbeit, no. 1022.
Additional information on Bachelor, Research and Master theses
Markus Grözing
Dr.-Ing.Group Leader Integrated Circuits