Student Projects

Currently available Bachelor, Research and Master theses at the INT

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.

Aktuelle Arbeiten/Current topics

Block diagram of CMPA (left), 3D view of the passives (right)
Block diagram of CMPA (left), 3D view of the passives (right)

Type of work

  • RFIC-Design
  • Optimization of Transmitter
  • Development and dimensioning of an output matching circuit
  • Simulation and optimization
  • EM simulation of the passive devices

Description of Work

In the framework of the ongoing DFG project “FFlexcom”, fully integrated wireless communication systems on an ultra-thin, bendable and flexible packages are developed. In order to be embedded into flexible foil systems, the device must be small, mechanically flexible and therefore thin. Due to the thin chip in a flexible polyimide substrate, the maximum surface temperature is generally higher, as the polyimide substrate is a poor thermal conductor, hence, the heatspreader is necessary. However, the value of the passive devices is slightly varied due to the ground image current in the heatspreader. An approach to overcome this effect is the modification of theheatspreader.
In this project, we are working on the design of a complete transmitter in the 5-6 GHz frequency band on the thin substrate for IoT (Internet of Things) applications. A fully integrated class-A power amplifier (PA) in the 5-6 GHz frequency band has already been fabricated and successfully verified. The complete design of the transmitter system is currently fabricated.

The thesis covers the following tasks:

  • Current-mode Class-D PA (CMPA) redesign (with a cascode and differential structure) in 5-6 GHz frequency band,
  • Develop transformer based matching network,
  • Characterization, modelling and simulation of the transformer,
  • Explorative design of a 5 GHz to 6 GHz driver stage

Requirements

  • Knowledge in high frequency circuit design or related courses
  • Lectures “IMS” and “PDIC” are recommended

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Detailed Description

Overview of possible electrode topologies in simplified MZMs
Overview of possible electrode topologies in simplified MZMs

Type of work

  • Theoretical investigation on characteristics of travelling wave electrodes
  • Creating calculation scripts in MATLAB
  • 3D Simulation of travelling wave electrodes in Comsol

Description of Work

Optical communication provides high bandwidths to deal with today’s demand of increasing data rates. It is still part of the research to improve the usage of these entire bandwidths. One limiting factor is the modulation of light with Mach-Zehnder modulators (MZM), which are not able to cover the provided frequency ranges. In a silicon-organic hybrid MZM based on the Pockels effect using polymers the light is modulated by applying a radio frequency signal on travelling wave electrodes. Designing an MZM mostly leads to a trade-off between modulation intensity of the light and maximum electrical bandwidth of the electrodes, while the size of the modulator has to be considered. The main part of this thesis is to investigate different topologies of travelling wave electrodes. The coplanar waveguide (CPW) is commonly used, but the coplanar strip line (CPS) could improve bandwidth and modulation intensity keeping the length of the MZM fixed. The design and calculation of new travelling wave electrode topologies shall take place in MATLAB. The results shall then be verified by 3D simulations in Comsol. In the end, the results shall be transferred to plasmonic modulators and thus be optimized.

The thesis may be prepared in English or German.

Requirements

  • Knowledge of transmission line theory
  • Basics in photonics and semiconductor physics
  • Independent way of working

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Detailed Description

Modell eines künstlichen Neurons, welches bezüglich Parameterschwankungen untersucht werden soll.
Modell eines künstlichen Neurons, welches bezüglich Parameterschwankungen untersucht werden soll.

Art der Arbeit

  • Schaltungsentwurf
  • Konzeptvergleich
  • Theoretische Untersuchungen

Aufgabenstellung

Künstliche Neuronale Netze (NN) haben in den letzten Jahren eine zunehmende Verbreitung gefunden. Für den dezentralen Einsatz, bei der die Rechenleistung und die daraus resultierende Leistungsaufnahme sehr begrenzt ist, werden daher neue Hardwareimplementierungen benötigt. Einen vielversprechenden Ansatz zur Effizienzsteigerung stellt die analoge statt der üblichen digitalen Berechnung einzelner Signale im neuronalen Netzwerk dar. Im Vergleich zu digitalen Schaltungen ist die Leistungsfähigkeit analoger Schaltungen deutlich sensitiver in Bezug auf Prozess- bzw. Parameterschwankungen. Beim Entwurf solcher Schaltungen ist es daher essentiell, diese Schwankungen zu berücksichtigen, um ein robustes Design zu erhalten. In dieser Arbeit soll daher erforscht werden, in welchem Maß Parameterschwankungen Einflüsse auf die Funktion des vorhandenen Grundkonzepts haben. Des Weiteren sind Verfahren zur Reduzierung der Auswirkungen lokaler Parameterschwankungen der Bauelemente auf die Inferenzfähigkeit des Netzwerks zu untersuchen.

Voraussetzungen

  • Engagierte Arbeitsweise
  • Lösungsorientierte Denkweise
  • Kenntnisse in analogen Schaltungen

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Detailbeschreibung

Exemplary Architecture of a 6-bit Pipelined ADC.
Exemplary Architecture of a 6-bit Pipelined ADC.

Type of Work

  • Practical Work in our CAD Lab
  • Design Key Circuit Diagrams
  • Implement Schematics with High-Performance SiGe-HBTs
  • Verify Designs by Time- and Frequency-Domain Simulations

Description of Work

We combine the high data rate of a flash ADC with the higher resolution of a pipeline concept. In this thesis, you will design key components for both parts in a high-performance SiGe BiCMOS technology that is not yet commercially accessible. A sampling front-end and clock driver is already available.
Additional components include, but are not limited to, comparators, buffer amplifiers and a digital encoder in current-mode logic. You will optimize your design through simulations and gather profound knowledge of time- and frequency- domain analysis. Upon completion of the circuit schematic, it can be tested for robustness with corner and mismatch simulations.
This work provides insights into the design processes that you find in semiconductor industry or research institutions all over the world and prepares for a career in these areas. The master thesis can be prepared in English or German language.

Favored Skills & Interests

  • Experience with Circuit Design & Simulation Tool (best: Cadence Virtuoso)
  • Integrated Mixed-Signal Circuits
  • Basic Transistor Amplifiers
  • Interest in High-Frequency Electronics

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Detailed Description

Schematische Darstellung eines Chips mit rückseitiger Faserzuführung.
Schematische Darstellung eines Chips mit rückseitiger Faserzuführung.

Art der Arbeit

  • Simulation und Optimierung eines integrierten Gitterkopplers
  • Messungen

Aufgabenstellung

Zu Beginn des neuen Forschungsprojekts wird im Rahmen dieser Arbeit untersucht, welche Probleme durch die Kopplung über die Chiprückseite entstehen. Dafür werden Messungen von bereits gefertigten Gitterkopplern und Simulationen angefertigt und ausgewertet, um Lösungsansätze zu finden. In enger Absprache mit dem IMS CHIPS und unter Berücksichtigung des Fertigungsprozesses wird ein erster optimierter Entwurf zur Kopplung über die Rückseite erstellt.

Voraussetzungen

  • Interesse an neuen Entwicklungen im Bereich der Photonik
  • Eigenständige Arbeitsweise

Ansprechpartner

Detailbeschreibung

Prinzipschaltbild  eines  einfachen  Lock-In-Verstärkers.  Die Schaltung ist mit einem einfachen AM-Radio vergleichbar.
Prinzipschaltbild eines einfachen Lock-In-Verstärkers. Die Schaltung ist mit einem einfachen AM-Radio vergleichbar.

Art der Arbeit

  • Schaltungsentwurf/Simulation
  • Theoretische Untersuchungen
  • Konzeptvergleiche
  • Simulation und Optimierung eines integrierten Gitterkopplers

Aufgabenstellung

Im Rahmen der Arbeit, welche in Kooperation mit Herrn Dr. Volkmer vom 3. Physikalischen Institut stattfindet, soll zunächst eine systematische Untersuchung des Gesamtsystems erfolgen, um entsprechende Anforderungen für die Subkomponenten zu definieren. Dazu wird das Systemmithilfe von VerilogA-Modellen aufgebaut und simuliert. Im zweiten Teil der Arbeit soll eine der kritischen Subkomponenten (z.B. der LNA oder der Mischer) anhand der zuvor definierten Anforderungen auf Transistorebene als Schaltplan in Cadence Virtuoso entworfen werden. Die Frequenz des Eingangssignals beträgt ca. 20 MHz.

Voraussetzungen

  • Gute Kenntnisse über analoge CMOS-Schaltungen (z.B. VST I+II, CDNSC)

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Detailbeschreibung

Der Rauscharme Verstärker (LNA) bildet die erste Stufe eines Lock-In-Verstärkers, der es ermöglicht die extrem schwachen Signale der stimulierten Raman-Spektroskopie möglichst rauscharm auszugeben.
Der Rauscharme Verstärker (LNA) bildet die erste Stufe eines Lock-In-Verstärkers, der es ermöglicht die extrem schwachen Signale der stimulierten Raman-Spektroskopie möglichst rauscharm auszugeben.

Art der Arbeit

  • Schaltungsentwurf/Simulation
  • Theoretische Untersuchungen
  • Konzeptvergleiche

Aufgabenstellung

Als Ausgangsbasis soll zunächst ein Modell für die Photdiode und das beobachtete Ausgangssignal als Schaltplan in Cadence entwickelt werden. Anschließend sind verschiedene mögliche Topologien zur Subtraktion des Störsignals zu recherchieren und zu vergleichen. Hierbei ist insbesondere das Rauschverhalten zu betrachten. Anhand dieser Recherchen soll eine Schaltung als Schaltplan auf Transistorebene ungesetzt werden, die das Eingangssignal der Photodiode verstärkt ausgibt, wobei das Störsignal möglichst gut zu unterdrücken ist. Je nach Fortschritt der Arbeit kann zudem eine Schaltung entwickelt werden, die die Amplitude und Phasenlage des bekannten Störsignals an die Anforderungen der Verstärkerschaltung anpasst. Der Entwurf erfolgt in Cadence Virtuoso in 65 nm CMOS.

Voraussetzungen

  • Gute Kenntnisse über analoge CMOS-Schaltungen (z.B. VST I oder CDNSC)
  • Forschergeist

Ansprechpartner

Detailbeschreibung

Blockschaltbild eines einfachen Linearreglers mit Messfunktion.
Blockschaltbild eines einfachen Linearreglers mit Messfunktion.

Art der Arbeit

  • Schaltplan- und Layoutentwurf mit Cadence-Virtuoso
  • Simulation

Aufgabenstellung

Zunächst erfolgt eine Einarbeitung in die Funktionsweise von Linearreglern. Im Anschluss erfolgt der Schaltungs- und Layoutentwurf einschließlich Simulation mit Cadence in einer 350 nm CMOS-Technologie. Beim Layout sind besondere Anforderungen an die hohe Stromaufnahme zu beachten. Für präzise und temperaturunabhängige Spannungen eignen sich Bandabstandsreferenzschaltungen mit Temperaturkompensation. Optional können zur Bestimmung der Messgrößen Analog-Digital-Umsetzer mit z.B. 10 bit Auflösung entworfen werden.

Voraussetzungen

  • Grundlagen Integrierter Schaltungen
  • Integrierte Mischsignalschaltungen
  • Verstärkertechnik I
  • Empfohlen: Cadence-Kenntnisse aus Fachpraktikum oder vergleichbar

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Detailbeschreibung

Objectives

  • CMOS RF Switch
  • Design
  • Time-Division Duplexing Solutions
  • Development and dimensioning of a input & output matching circuit
  • Simulation and optimization
  • EM simulation of the passive devices

Task

The thesis covers the following tasks:

  • Comparison of TX/RX Switch Topologies in 5-6 GHz frequency band
  • Design of CMOS RF switch
  • Characterization, modelling and simulation of the passive devices
  • Develop input & output matching to realize a wideband LNA and PA

Requirements

  • Basic knowledge in high frequency circuit design or related courses
  • Lectures “IMS” and “PDIC” are recommended

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Detailed Description

Vereinfachte Eingangsstufe eines Ladungsverstärkers
Vereinfachte Eingangsstufe eines Ladungsverstärkers

Art der Arbeit

  • Verstärkerentwicklung
  • Theoretische Untersuchung des Rauschverhaltens

Aufgabenstellung

Die grundsätzliche Anwendbarkeit des Verfahrens in Ladungsverstärker-ähnlichen Systemen wird in demonstriert. Ziel der Arbeit ist es, die potentielle Reduzierung der Rauschleistung durch die Umschaltung des Arbeitspunkts mit den durch diese hervorgerufenen, zusätzlichen Störungen zu vergleichen. Dazu sollen zunächst die Grundlagen des Verfahrens erarbeitet werden. Hauptteil der Arbeit ist die Entwicklung eines integrierten Ladungsverstärkers, der das Verfahren einsetzt. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Minimierung und Quantifizierung der durch das Umschalten des Arbeitspunkts hervorgerufenen zusätzlichen Störungen.

Voraussetzungen

  • Grundkenntnisse Verstärkertechnik
  • Grundkenntnisse Halbleiterphysik

Ansprechpartner

Detailbeschreibung

Art der Arbeit

  • Simulation von passiven integrierten photonischen Bauelementen
  • Design und Dimensionierung der Bauelemente auf Maskenebene
  • Vergleich der Simulationen mit selbstdurchgeführten Messungen

Aufgabenstellung

Für die ersten Versuche im Si3N4-Materialsystem sollen die drei passiven Komponenten einmodiger Wellenleiter, Gitterkoppler und 3dB-Signalteiler bei verschiedenen Wellenlängen untersucht und simuliert werden. Anschließend sollen die untersuchten Bauelemente dimensioniert und ein Layout mit den resultierenden Geometrien mithilfe der Software Cadence entworfen werden. Vergleichsmessungen sollen bei rechtzeitiger Fertigung des photonischen Chips die Simulationen verifizieren und Optimierungsmöglichkeiten aufzeigen. Außerdem soll eine Literaturrecherche gängige Detektionsmechanismen aus der integrierten Photonik vorstellen. Erste Teststrukturen mit Ringresonatoren können im Anschluss entworfen werden.

Voraussetzungen

  • Interesse an neuen Entwicklungen im Bereich der Photonik
  • Grundlagen in Optoelektronik, Halbleitertechnologieoder Optik wünschenswert
  • Vorkenntnisse in der Siliziumphotonik von Vorteil
  • Selbstständige Arbeitsweise

Ansprechpartner

Detailbeschreibung

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

  1. 2020

    1. “Optimierung integrierter optischer Bauelemente für die on-chip-Sensorik”
    2. “Untersuchung und Entwurf von Schutzkonzepten gegen elektrostatische Entladungen für CMOS-Schaltungen”
  2. 2019

    1. “Prototyp-Entwicklung eines On-Chip-Raman-Sensorik-Systems”
    2. “Untersuchung von reichweitereduzierenden Effekten eines kohärent arbeitenden Laserentfernungsmesssystems”
    3. “Portierung eines Entwurfs eines analogen 4-zu-1 Multiplexers in eine 130 nm BiCMOS Technologie,” no. 1064.
    4. “Layout Parasitics Study of a Track-and-Hold Amplifier with Switched Emitter Follower”
    5. “Untersuchung der Schaltungstopologie eines sparsamen Mischsignalneurons,” Forschungsarbeit, no. 1070.
    6. “Implementierung einer Ansteuerung für einen schnellen Digital-Analog-Umsetzer mit 128 GSa/s Umsetzungsrate”
    7. “Steuerung einer FPGA-basierten Messumgebung,” Forschungsarbeit, no. 1068.
    8. “Entwurf und Aufbau eines klirrarmen Sinusgenerators für das Fachpraktikum Schaltungstechnik,” no. 1069.
    9. “Untersuchung von Schaltungstopologien für analoge Multiplexer”
    10. “Layout and Analysis of a 4-to-1 Analog Multiplexer in a 130nm SiGe BiCMOS Technology”
    11. “5-6 GHz 0.25 µm SiGe BiCMOS PA Design”
    12. “Charakterisierung und Optimierung von Gitterkoppler-Arrays mit Rückseitenspiegeln”
    13. “Integrierte Wellenleiter-Fotodiode basierend auf laserkristallisierten Germaniumschichten”
  3. 2018

    1. “Entwicklung eines logarithmischen Verstärkers mit mehr als 80 dB Dynamikumfang”
    2. “Integrierter polarisationsteilender Gitterkoppler mit festem Glasfaseranschluss,” Bachelorarbeit, no. 1054.
    3. “Operationsverstärkerschaltung zur Messung von Strömen im Nanoampere-Bereich”
    4. “Untersuchung und Entwurf von Schnittstellen und Schutzkonzepten gegen elektrostatische Entladungen für 28-nm-CMOS-Schaltungen,” Bachelorarbeit, no. 1045.
    5. “Redesign of an LNA for 5 GHz to 6 GHz Band,” Studienarbeit, no. 1051.
    6. “Entwurf eines analogen 4:1-Multiplexers mit sehr hoher Bandbreite in einer 130 nm BiCMOS Technologie”
    7. “Untersuchung und Entwurf von Schnittstellen und Schutzkonzepten gegen elektrostatische Entladungen für 28-nm-CMOS-Schaltungen”
    8. “Entwicklung eines logarithmischen Verstärkers mit mehr als 80 dB Dynamikumfang,” Bachelorarbeit, no. 1041.
    9. “Redesign of an LNA for 5 GHz to 6 GHz Band”
    10. “Entwurf eines analogen 4:1-Multiplexers mit sehr hoher Bandbreite in einer 130 nm BiCMOS Technologie,” Forschungsarbeit, no. 1047.
    11. “Evaluation eines echtzeitfähigen digitalen Korrekturverfahrens für einen Analog/Digital-Umsetzer,” Bachelorarbeit, no. 1040.
    12. “Charakterisierung von Polymer-Deckschichten in integrierten Silizium-Hybrid-Modulatoren”
    13. “Evaluation eines echtzeitfähigen digitalen Korrekturverfahrens für einen Analog/Digital-Umsetzer”
    14. “Optimierung einer automatischen Verstärkungsregelung in einer 130 nm CMOS-Technologie”
    15. “Entwurf und Optimierung eines rücksetzbaren, strahlungsharten Taktteilers mit Fehlerdetektion und zugehörigen Komponenten”
    16. “Simulation von Sub-Wellenlängen-Wellenleitern”
    17. “Design of a High-Speed Clock Regeneration Circuit for a 128 GS/s Analog Demultiplexer”
    18. “Entwurf einer FPGA-basierten Messumgebung für Chips mit hochbitratiger paralleler Schnittstelle,” Masterarbeit, no. 1059.
    19. “Integrierbare Zusatzoptik für optisch breitbandige Glasfaser-Chip-Schnittstellen”
    20. “Extrem rauscharmer Ladungsverstärker für schnellste Staubteilchen,” Forschungsarbeit, no. 1043.
    21. “Entwurf und Optimierung eines rücksetzbaren, strahlungsharten Taktteilers mit Fehlerdetektion und zugehörigen Komponenten,” Bachelorarbeit, no. 1044.
    22. “Optimierung einer automatischen Verstärkungsregelung in einer 130 nm CMOS-Technologie,” Forschungsarbeit, no. 1039.
    23. “Auslegung von Multimoden-Interferometern für die spektrale Analyse optischer Signale”
    24. “Simulation von Sub-Wellenlängen-Wellenleitern,” Bachelorarbeit, no. 1052.
    25. “Design and Implementation of a DRP Component for Multi-Input and Multi-Output MMCM of Xilinx 7 Series and Virtex-6 FPGA”
    26. “Operationsverstärkerschaltung zur Messung von Strömen im Nanoampere-Bereich,” Forschungsarbeit, no. 1042.
    27. “Charakterisierung von Polymer-Deckschichten in integrierten Silizium-Hybrid-Modulatoren”
    28. “Integration von Laserdioden in integriert-optische Systeme”
    29. “Extrem rauscharmer Ladungsverstärker für schnellste Staubteilchen”
    30. “Physikalischer Entwurf eines schnellen CMOS-Rechenwerks für einen Analog-Digital-Umsetzer”
    31. “Optimierung eines rauscharmen Ladungsverstärkers für Weltraumstaub”
  4. 2017

    1. “Circuit for Calibration of a Fast Digital-to-Analog Converter in a 28 nm Technology,” Studienarbeit, no. 1034.
    2. “Entwurf eines schnellen CMOS-Rechenwerkes für einen Analog/Digital-Umsetzer,” Bachelorarbeit, no. 1020.
    3. “Realisierung eines integriert-optischen Sensors zur selektiven Blei-Ionen-Detektion,” Bachelorarbeit, no. 1021.
    4. “Vergleichsstudie von Schaltungskonzepten für einen analogen 2:1 Multiplexer in einer SiGe BiCMOS-Technologie,” Forschungsarbeit, no. 1026.
    5. “Rauschuntersuchungen und Fehleranalyse eines integrierten 27MHz GmC Bandpassfilters.,” Bachelorarbeit, no. 1025.
    6. “Entwurf eines limitierenden Verstärkers für 27 MHz in einer 130 nm CMOS Technologie,” Bachelorarbeit, no. 1030.
    7. “Studie zu einem rauscharmen Ladungsverstärker mit anpassbarer Eingangsstufe,” Forschungsarbeit, no. 1036.
    8. “Entwurf eines breitbandigen linearen Verstärkers mit einstellbarem Frequenzgang,” Bachelorarbeit, no. 1033.
    9. “Entwurf einer Referenzspannungsregelung für einen Analog/Digital-Umsetzer”
    10. “Design and Layout of Fast, Bipolar CML Logic Gates in a 130 nm BiCMOS technology,” Studienarbeit, no. 1018.
    11. “Laserkristallisation von Germanium für Infrarot-Fotodioden,” Forschungsarbeit, no. 1037.
    12. “Realisierung einer kompakten optischen Faserschnittstelle für die integrierte Photonik,” Forschungsarbeit, no. 1017.
    13. “Entwurf einer Ansteuerschaltung zur stabilen Arbeitspunkteinstellung optischer Modulatoren,” Bachelorarbeit, no. 1028.
    14. “Entwicklung eines Zeit-/Digitalumsetzers auf FPGA-Basis,” Forschungsarbeit, no. 1035.
    15. “Design of a DRP Component for MMCM of Xilinx 7 Series and Virtex-6 FPGA,” Forschungsarbeit, no. 1031.
    16. “Bandbreitenoptimierung von Gitterkopplern,” Forschungsarbeit, no. 1015.
    17. “Entwicklung und Aufbau eines Gerätes zur Synchronisation von Zeit-/Digitalumsetzern,” Forschungsarbeit, no. 1032.

Additional information on Bachelor, Research and Master theses

This picture showsMarkus Grözing
Dr.-Ing.

Markus Grözing

Group Leader Integrated Circuits

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