Matrix Analog-zu-Digital Umsetzer mit Frequenz- und Zeitverschachtelung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank Ellinger
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 545790440

Analog-Digital-Umsetzer (ADU) begrenzen die Datenraten zukünftiger Systeme. Time Interleaving (TI) erhöht die Abtastraten durch Parallelisierung mehrerer (n) Pfade, ist aber durch Jitter und Pfad-Versätze begrenzt. M A D C erforscht neuartige Techniken, die diese Hindernisse überwinden. TI wird mit FI (Frequency-Interleaving) mit m Pfaden kombiniert, um Matrix-Interleaving zu ermöglichen. Dies verringert die Empfindlichkeit bzgl. Jitter und Versätzen von TI durch Unterteilung in Teilbänder. Somit sind höhere Abtastraten realisierbar. Es ergeben sich jedoch neue Herausforderungen, u.a. bzgl. Nichtlinearitäten (z.B. durch harmonische Faltung) und Rauschen im Zusammenhang mit der Aufteilung, Mischung und Kombination der FI-Bänder. UC Berkeley demonstrierte ein 6 Bit 25 GHz FI-ADU-System mit 9 Kanälen, analogem CMOS-Frontend und handelsüblichen ADUs. M A D C untersucht neuartige ADU-Konzepte, um die Machbarkeit bis zu 75 GHz Eingangsfrequenz und 150 GS/s bei 7 Bit zu zeigen. Mehrdimensionale Parameterräume inkl. n, m, Pfadbandbreiten, Mischer, Lokaloszillator (LO)- und Taktfrequenzen werden mit einer maßgeschneiderten Plattform simuliert. Optima werden unter Berücksichtigung relevanter Unzulänglichkeiten von Bauelementen und Schaltungen wie der harmonischen Interferenzen (durch Mischung/Faltung), Jitter, Zeit-, Phasen- und Amplitudenversätze verschiedener Pfade z.B. auf den Signal-zu-Rausch-Abstand gesucht. Forschungsfragen sind z.B.: wie teilt man Frequenzbänder optimal auf, wie wirken sich Frequenzbandüberlappungen oder fehlende Abschnitte an den Filtergrenzen aus, welche Unterdrückungsansätze für harmonische Misch-Artefakte und Filter sind am besten geeignet und wo liegen die Grenzen digitaler Signalverarbeitung. Auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse werden auch Konzepte zur Synchronisierung des Taktes und mehrerer LO-Frequenzen, zur Überlagerung der Pfaddaten und zur analogen und digitalen Korrektur von Nichtidealitäten untersucht. Ein System mit bis zu 8 FI-Pfaden wird mit Hilfe von SystemVue und Cadence-Schaltungssimulationen optimiert. Die Schlüsselschaltungen wie Teiler, Verstärker, Mischer (linear & Unterdrückung Harmonischer), optimierte ADU-Kerne, Filter und digitale serielle Schnittstellen werden in IHP SG13G3Cu für analoge sowie GF 22FDX für Mixed-Signal und digitale Schaltungen entworfen. Für die ADU-Pfade bauen wir auf unser 22FDX Design auf, in dem wir per Simulation für einen 16 × TI SAR (Successive Approximation Register) 7 Bit ADU 10 GS/s und 5 GHz Eingangsfrequenz bei nur 18 mW erreichen. Es werden neuartige Schaltungskonzepte vorgeschlagen, z.B. für einen FI-Splitter auf Basis verteilter Verstärker mit gm-erhöhten Dreifach-Kaskoden, um hohe Bandbreiten zu ermöglichen. Um die Machbarkeit zu testen, werden Leiterplatten mit den entworfenen ICs und FPGAs entworfen und mit schnellstmöglicher Messtechnik gemessen. M A D C vereint Kompetenzen von Ellinger im Bereich RF/Analog und Matthus im Bereich Digital/ADC IC Design.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen