Ultrabreitbandiger hochlinearer Sampler und Analog-Digital-Wandler - DISCO

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Friedel Gerfers
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 509466514

Dieses Forschungsprojekt adressiert ultraschnelle, breitbandige Analog-Digital-Wandler-Architekturen (ADC) mit herausfordernden Abtastraten und (Nyquist-) Signalbandbreiten von mehr als 128 GS/s und 60 GHz. Darüber hinaus soll eine effektive Auflösung (ENOB) von mehr als 6 erreicht werden, um die nächste Generation von Glasfaser-, Radar- und drahtlosen Kommunikationssystemen mit Datenraten von über 200 GBit/s pro Wellenlänge zu ermöglichen. Um diese anspruchsvollen Leistungskennzahlen zu erfüllen, wird eine time-interleaved inductively peaked Track-and-Hold-Topologie (T/H) untersucht, die eine neuartige Technik zur aktiven Bulk-Modulation einsetzt. Die Architektur nutzt die Back-Gate-Fähigkeiten moderner, vollständig verarmter Silizium-auf-Isolator-Technologien (FDSOI), um ein aktives Bulk-Modulationsschema mit negativer Rückkopplung zu implementieren, wodurch die erzielbare Bandbreite und Linearität erheblich verbessert werden. Dies ermöglicht eine monolithische Integration und einen deutlich geringeren Stromverbrauch im Vergleich zu modernen CMOS und SiGe-BiCMOS-Ansätzen.Für den folgenden ADC-Kern wird eine Kombination aus Flash- und Sukzessiv-Approximations-Register (SAR)-ADC vorgeschlagen, die die Vorteile beider kombiniert, nämlich die Umwandlung mehrerer Bits in einem einzigen Taktzyklus des Flash-ADC und die native Leistungs- und Flächeneffizienz des SAR-ADCs in einer zweistufigen Sub-ADC-Lane. Darüber hinaus nutzt der vorgeschlagene SAR-ADC die Vorteile einer fortschrittlichen Loop-unrolled-Topologie, um ultraschnelle Umwandlungszeiten zu erreichen. Darüber hinaus werden bestehende Bandbreitenbeschränkungen sowie zeitlich verschachtelte Abtastphasenfehlanpassungen mit einem Mixed-Signal-Ansatz analysiert, modelliert und kalibriert, d. h. mit einer energieeffizienten digitalen korrelationsbasierten Schätzung der Bandbreiten- und Phasenfehler bei gleichzeitiger Verwendung einer innovativen analogen Korrektur mit Sub-Femtofarad-Kondensatorabstimmung, die Phasenverschiebungen im Bereich von zehn Femtosekunden ermöglicht.Die erfolgreiche Kombination dieser Innovationen wird die Tür für erhebliche Leistungsverbesserungen in Bezug auf den Signal-Rausch-Abstand (SNR), Spurious Free Dynamic Range (SFDR), die Abtastrate und die Signalbandbreite öffnen und gleichzeitig die Energieeffizienz im Vergleich zum derzeitigen Stand der Technik verbessern, was ein hervorragendes Potenzial für wissenschaftliche und technologische Errungenschaften bietet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen