Ultrabreitbandige Analog-Digital-Frontends

Towards Advanced BiCMOS Nanotechnology Platforms for RF and THz Applications (TARANTO)

Das EU-Projekt TARANTO hat das technologische Ziel, Heteroübergang-Bipolartransistoren (HBTs) mit einer maximalen Oszillationsfrequenz von fmax = 600 GHz zu entwickeln, die in hochintegrierte moderne CMOS-Prozesse wie z.B. 130 nm bzw. 90 nm von Infineon und 55 nm bzw. 28 nm von ST Microloectronics eingebettet werden sollen. Am IHP wird daran gearbeitet, maximale Oszillationsfrequenzen von 700 GHz zu erreichen.

Innerhalb dieses Projekts ist das INT verantwortlich für den Entwurf, das Layout und die Charakterisierung sehr schneller Eingangsschaltungen für Analog-Digital-Umsetzer. Dabei werden moderne leistungsfähige BiCMOS-Technologien aus den Technologieknoten 130 nm und 90 nm eingesetzt. Um Abtastraten von mehr als 100 GS/s und sehr hohe Bandbreiten zu erreichen, wird das Prinzip der vierfachen synchronen Zeitverschachtelung angewendet. Das Prinzip ist in folgender Abbildung dargestellt. Mittels eines Taktteilers wird ein Vierphasentakt erzeugt, der vier Folge-Halte-Schaltungen zeitverschachtelt ansteuert. Beim Entwurf der Folge-Halte-Schaltungen werden zwei verschiedene Ansätze verfolgt: Der Spannungsmodus, in dem die abgetastete Eingangsspannung auf einer Haltekapazität gespeichert wird und der Strommodus, bei dem der Eingangsstrom eine Ladung auf einer rücksetzbaren Haltekapazität aufintegriert.

Blockschaltbild 1:4 Demultiplexer
Blockschaltbild 1:4 Demultiplexer

Messergebnisse für einen einzelnen Folge-Halte Chip im Strommodus wurden bei der IEEE BCICTS 2018 veröffentlicht. Die Schaltung weist eine 1-dB-Bandbreite von 40 GHz auf und erreicht bis zur zweiten Nyquistfrequenz eine effektive Auflösung (ENOB) von 5 bis 6,4.

Gemessene dynamische Kenngrößen der Folge-Halte-Schaltung im Strommodus
Gemessene dynamische Kenngrößen der Folge-Halte-Schaltung im Strommodus

Folgende Abbildung zeigt das Chipfoto das Folge-Halte-Glied im Strommodus. Der Chip wurde in der B11-Technologie von Infineon gefertigt.

Chipfoto Folge-Halte-Glied
Chipfoto Folge-Halte-Chip

Weitere Chips für kritische Einzelkomponenten, wie Folge-Halte-Schaltungen und breitbandige Verstärker, sowie vollständige 1-zu-4 Vorschalt-ICs mit mehr als 100 GS/s wurden bereits entworfen und gefertigt.

Dieses Projekt wird gefördert vom ECSEL Verbundprojekt unter der Fördernummer 737454. Dieses Verbundprojekt erhält Förderung aus dem Horizon 2020 Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union und Frankreich, Österreich, Deutschland, Griechenland, Italien, Belgien.

Publikationen

  1. 2022

    1. P. Thomas, J. Finkbeiner, M. Grözing, und M. Berroth, „Time-Interleaved Switched Emitter Followers to Extend Front-End Sampling Rates up to 200 GS/s“, IEEE Journal of Solid State Circuits, S. 1--12, 2022.
  2. 2021

    1. M. Grözing, X.-Q. Du, P. Thomas, und M. Berroth, „High-Bandwidth Analog-to-Digital-Converter Front-Ends in SiGe-BiCMOS Technology“, in Workshop WFC - Enabling technologies for efficient ultra-high speed wireless communication systems towards 100 Gb/s, IEEE International Microwave Symposium (IMS), 2021.
    2. T. Tannert, M. Grözing, und M. Berroth, „Quadrature Clock Generation Circuit for Time Interleaved Data Converters“, in Kleinheubacher Tagung, U.R.S.I. Landesausschuss in der Bundesrepublik Deutschland e.V, 2021, S. 1–4.
    3. P. Thomas, M. Grözing, und M. Berroth, „64-GS/s 6-Bit Track-and-Hold Circuit with More Than 61 GHz Bandwidth at 1.0 Vpp Input Voltage Swing in 90-nm SiGe BiCMOS Technology“, in IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), 2021, S. 1--4.
    4. P. Thomas, T. Tannert, M. Grözing, M. Berroth, Q. Hu, und F. Buchali, „1-to-4 Analog Demultiplexer with up to 128 GS/s for Interleaving of Bandwidth-Limited Digitizers in Wireline and Optical Receivers“, IEEE Journal of Solid State Circuits, Bd. 56, Nr. 9, S. 2611--2623, 2021.
    5. P. Thomas, T. Tannert, M. Grözing, X.-Q. Du, und M. Berroth, „A 1-to-4 SiGe BiCMOS Analog Demultiplexer Sampling Front-End for a 116 GBaud-Receiver“, in European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC), 2021, S. 121--124.
  3. 2020

    1. F. Buchali, X.-Q. Du, K. Schuh, S. T. Le, M. Grözing, und M. Berroth, „A SiGe HBT BiCMOS 1-to-4 ADC frontend enabling low bandwidth digitization of 100 GBaud PAM4 data“, Journal of Lightwave Technology, Bd. 38, Nr. 1, S. 150--158, 2020.
    2. S. T. Le, K. Schuh, F. Buchali, X.-Q. Du, M. Grözing, M. Berroth, L. Schmalen, und H. Bülow, „Single Sideband Transmission Employing a 1-to-4 ADC Frontend and Parallel Digitization, invited paper“, Journal of Lightwave Technology, Bd. 38, Nr. 12, S. 3125--3134, 2020.
    3. P. Thomas, M. Grözing, und M. Berroth, „32-GS/s SiGe Track-and-Hold Amplifier with 58-GHz Bandwidth and -64-dBc to -29-dBc HD3“, in IEEE International Conference on Electronics Circuits and Systems (ICECS), 2020, S. 1--4.
    4. P. Thomas, T. Tannert, M. Grözing, und M. Berroth, „128-GS/s 1-to-4 SiGe Analog Demultiplexer with 36-GHz Bandwidth for 6-bit Data Converters“, in IEEE BiCMOS and Compound Semiconductor Integrated Circuits and Technology Symposium (BCICTS), 2020, S. 1--4.
  4. 2019

    1. X.-Q. Du, M. Grözing, A. Uhl, S. Park, F. Buchali, K. Schuh, S. T. Le, und M. Berroth, „A 112-GS/s 1-to-4 ADC front-end with more than 35-dBc SFDR and 28-dB SNDR up to 43-GHz in 130-nm SiGe BiCMOS“, in IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC), Boston, MA, USA, 2019, S. 215--218.
    2. M. Grözing, X.-Q. Du, P. Thomas, T. Tannert, M. Berroth, F. Centurelli, P. Tommasino, A. Trifiletti, M. Collisi, M. Möller, H. Hettrich, A. Bielik, R. Schmid, K. Schuh, und F. Buchali, „D/A and A/D Conversion Key ICs for Broadband Communications“, in European Microwave Week, presented at EuMIC/TARANTO Workshop Recent Advances in SiGe BiCMOS: Technologies, Modelling and Circuits for 5G, radar and imaging, Paris, France, 2019.
  5. 2018

    1. X.-Q. Du, M. Grözing, und M. Berroth, „A 25.6-GS/s 40-GHz 1-dB BW Current-Mode Track-and-Hold Circuit with more than 5-ENOB“, in IEEE 2 BiCMOS and Compound Semiconductor Integrated Circuits and Technology Symposium (BCICTS), San Diego, CA, USA, 2018, S. 56--59.

Ansprechpartner

Dieses Bild zeigt Markus Grözing

Markus Grözing

Dr.-Ing.

Arbeitsgruppenleiter IC-Entwurf

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