Messtechnische Charakterisierung von integrierten Operationsverstärkern

Messtechnische Charakterisierung von integrierten Operationsverstärkern:

Im Rahmen von Bachelor- und Masterarbeiten am BST ist eine Reihe von integrierten Operationsverstärkerschaltungen (OPs) entstanden, deren messtechnische Charakterisierung noch aussteht. Untersucht werden soll entweder ein single-ended Operationsverstärker ohne Gehäuse, der „on-wafer“ vermessen werden muss, oder ein volldifferentieller Operationsverstärker, der sowohl „on-wafer“ als auch im Gehäuse untersucht werden kann.




Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung von Messschaltungen und die anschließende Durchführung von Messungen, um wichtige Parameter und Kennzahlen des jeweiligen Operationsverstärkers, wie z.B. Verstärkung, Bandbreite, Common-Mode-Input-Range usw., zu ermitteln. Es stehen dazu der Wafer-Messplatz im Institut und entsprechende Messtechnik zur Verfügung. Die Ergebnisse der Messungen sollen dann in einem zweiten Schritt mit den simulierten Kenndaten verglichen und Gründe für Abweichungen ermittelt werden. Dabei kann auf die professionelle Schaltkreissimulationssoftware der Firma Cadence zurückgegriffen werden.

Ablaufvorschlag:
1. Einarbeitung (Schaltung, Messtechnik, Literatur)
2. Ausarbeiten verschiedener Messschaltungen und Konzepte
3. Durchführen der Messungen
4. Vergleich mit der Simulation, Erklärung von Fehlerquellen
5. Abfassen der Arbeit

Vorraussetzungen:
Bestandene Prüfung in Schaltungstechnik

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Ansprechpartner: Yannick Wenger (Raum 1413, y.wenger@tu-bs.de)

Entwurf eines aktiven Polyphasenfilters zur Spiegelfrequenzunterdrückung

Entwurf eines aktiven Polyphasenfilters zur Spiegelfrequenzunterdrückung:

Das bekannteste und meist genutzte Konzept zur Realisierung eines Hochfrequenzempfängers ist die Superheterodyn-Architektur (Abb. 1). Dabei wird das empfangene Hochfrequenz- Signal mit einem Mischer auf eine niedrigere Zwischenfrequenz hinabgesetzt. Auf dieser ist es dann einfacher möglich weitere Signalverarbeitung wie Verstärkung und Filterung auszuführen bevor ein zweiter, eventuell schon digitaler, Mischvorgang das Signal ins Basisband bringt. Ein inhärenter Nachteil dieser Empfängerarchitektur besteht im Auftreten der so genannten Spiegelfrequenz. Diese Frequenz muss vor dem ersten Mischprozess bei hohen Frequenzen aufwändig gefiltert werden, was die Integration des Empfängers erschwert.

Eine Alternative dazu stellt die Verwendung eines Homodyn-Emfängers dar. Hierbei wird das Problem der Spiegelfrequenz dadurch geschickt umgangen, dass bereits der erste Mischprozess direkt ins Basisband hinab stattfindet. Allerdings treten im Gegenzug Probleme mit Selbstmischprozessen auf.
Um die Vorteile beider Empfänger zu vereinen, kann ein Low-IF-Empfänger (Abb. 2) eingesetzt werden, der einem Superheterodyn-Empfänger mit niedriger Zwischenfrequenz ähnelt. Wegen der geringen Zwischenfrequenz können aufwendige Schaltungen zur Entfernung der Spiegelfrequenz nach dem ersten Mischen eingesetzt werden.
Eine dieser Schaltungen beruht auf dem Einsatz eines Polyphasen-Filters. Dieses Filter besitzt eine komplexe Impulsantwort und ist daher in der Lage, positive und negative Frequenzen unterschiedlich zu behandeln. Mit einer aktiven Implementierung ist ein Unterdrücken der Spiegelfrequenz um 60 dB und mehr mit überschaubarem Aufwand möglich.

Ziel der Arbeit:
Entwurf eines aktiven Polyphasen-Filter in der 130nm-Technologie des IHP. Für die Simulation und das Layout steht ein Rechnerarbeitsplatz im Institut mit der professionellen Design-Software Firma Cadence zur Verfügung. Ablauf und Umfang der Arbeit können flexibel gestaltet werden, abhängig von Interessenlage und Zeitrahmen.

Ein kompletter Design-Zyklus könnte wie folgt aussehen:
1. Einarbeitung (Filterentwurf, Schaltungsdesign)
2. Studie zu verschiedenen Filtertopologien (Gm-C, MOSFET-C, Switched-Capacitor, etc.)
3. Filterentwurf
4. Design der notwendigen Schaltungsblöcke (Integrator, Verstärker, etc.)
5. Layout in 130nm-CMOS
6. (Fertigung -> Messung)

Vorraussetzungen:
Bestandene Prüfung in Schaltungstechnik, absolviertes Schaltungstechnikpraktikum oder Besuch der Vorlesung Analoge Integrierte Schaltungen wäre hilfreich.

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Design von integrierten Induktivitäten für Anwendungen oberhalb von 20 GHz

Design von integrierten Induktivitäten für Anwendungen oberhalb von 20 GHz:

Da die Hochfrequenzeigenschaften von Induktivitäten leiden, wenn man diese in eine Ebene einbettet, in die Nähe eines leitfähigen Mediums (Wirbelstromverluste) bringt und aus technologischen Gründen keine Materialien mit erhöhter magnetischer Permeabilität benutzt werden können, ist die Realisierung von auf Induktivitäten basierender Bauelemente mit guten Hochfrequenzeigenschaften auf einer integrierten Schaltung schwierig und aufgrund des typischerweise sehr hohen Flächenbedarfs auch sehr kostspielig. Trotzdem ist diese Realisierung oft wünschenswert, wie zum Beispiel bei der breitbandigen Umsetzung einer Differenzeingangsspannung auf eine „single ended“ Ausgangsspannung, die sich auf den Kleinsignalerdknoten (AC-Ground) bezieht. Solch eine Schaltung wird Balun genannt und tritt oft beim Übergang zwischen integrierten Schaltungen und gedruckten Schaltungen auf. Stand der Technik ist es, solche Schaltungen mit Hilfe eines elektromagnetischen Simulationswerkzeugs wie zum Beispiel den Simulator Sonnet zu entwickeln.

Ablaufskizze:
1) Einarbeitung in den Design von integrierten Induktivitäten. Sowohl analytische Handrechnungen als auch die Verwendung von Sonnet werden dabei eingeübt.
2) Entwurf einer integrierten Induktivität bei Vorgabe des gewünschten Induktivitätswertes. Optimierung des Güte und der Resonanzfrequenz der Induktivität mit Sonnet
3) Entwurf einer Induktivität mit Mittenanzapfung passend für Differenzspannungssignale analog zu 2)
4) Schriftliche Zusammenfassung der Entwurfsarbeiten

Vorraussetzungen:
Bestandene Prüfungen in Wechselströme und Netzwerk und Elektromagnetische Felder

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Ansprechpartnerin: Frau Dr. Jin Dang

Design eines aktiven und passiven Schleifenfilters in einer PLL

Design eines aktiven und passiven Schleifenfilters in einer PLL:

Moderne drahtlose Kommunikationssysteme benötigen im Sender und Empfänger zur Frequenzumsetzung ein frequenzstabiles Signal. Zugleich soll aber die Frequenz veränderbar sein, um z. B. mehrere Empfangs- oder Sendekanäle abzudecken (Frequenzsynthese). Dies wird heutzutage typischerweise mit Hilfe einer Phasenregelschleife (Phase Locked Loop, PLL) erreicht, wobei das Ausgangssignal zum einen an eine hochgenaue Referenz angebunden ist, zum anderen die Ausgangsfrequenz mit Hilfe eines programmierbaren Teilers verändert werden kann.

Das folgende Bild zeigt den prinzipiellen Aufbau einer PLL zur Frequenzsynthese:



Das zurückgeführte Ausgangsignal wird in der Frequenz geteilt und anschließend in Phase und Frequenz mit dem Referenzsignal verglichen. Daraus wird ein Korrektursignal abgleitet und gefiltert. Die erzeugte Regelspannung führt das Ausgangssignal nach, so dass die Ausgangsfrequenz nahezu die Frequenzstabilität der Referenz erreicht.

Die PLL besteht aus folgenden Komponenten:

* Phasendetektor (PD)
Die Frequenz- und Phasendifferenz vom hochgenauen Referenzsignal zum heruntergeteilten Ausgangssignal wird ermittelt und das Korrektursignal erzeugt.

* Spannungsgesteuerter Oszillator (VCO)
Ein hochfrequentes Ausgangssinal wird erzeugt, dessen Frequenz durch eine niederfrequente Regelspannung veränderbar ist.

* Frequenzteiler (DIV)
Das Ausgangssignal wird in der Frequenz durch einen bestimmten Faktor geteilt.

* Schleifenfilter (LF)
Das Korrektursignal wird mit Hilfe eines Tiefpasses gefiltert.

Das Schleifenfilter hat dabei zwei wichtige Aufgaben, zum einen soll es die Stabilität des rückgekoppelten Systems garantieren, zum anderen das Korrektursignal glätten und von Störungen befreien. Zwei Arten von Schleifenfiltern werden unterschieden: aktive und passive. Aktive Filter enthalten neben passiven Bauteilen noch verstärkende Elemente, in der Regel Operationsverstärker (OPs). Diese beiden Filterarten haben unterschiedliche Eigenschaften und benötigen eine unterschiedliche Beschaltung innerhalb der PLL.

Ziel der Arbeit:
Es soll untersucht werden, inwieweit eine bereits vohandene PLL mit aktivem Filter durch ein Design mit passivem Filter ersetzt werden kann, ohne dass sich die Eigenschaften der PLL ändern. Dazu soll zunächst die Übertragungsfunktion des aktiven Filters bestimmt und ein passives Filter mit möglichst ähnlichen Eigenschaften gefunden werden. Anschließend sollen beide Designs mit Hilfe einer Simulation auf Schaltkreisebene überprüft werden.

Ablauf:
1. Einarbeitung (PLL und Schleifenfilter)
2. Studie zu verschiedenen Filtertopologien
3. Vergleich der Übertragungsfunktionen von aktiven und passiven Filtern
4. Design eines passiven Filters
5. Simulation der verschiedenen Filter
6. Vergleich der Ergebnisse

Vorraussetzungen:
Bestandene Prüfungen in Wechselströme und Netzwerk (WuN) und Schaltungstechnik.
Besuch der Vorlesung Analoge Integrierte Schaltungen wäre hilfreich.

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