Entwicklung grundlegender Schaltungstechniken und Baugruppen

Schnelle Schaltungen zur Zeitmessung

Die präzise Zuordnung von Zeiten zu digitalen Ereignissen ('Zeitstempel') ist in vielen Anwendungen wichtig. In der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) z.B. müssen den bei der Positronen - Vernichtung ausgesendeten Gamma - Quanten Zeiten zugeordnet werden. In der Teilchenphysik muß oft der Durchtritt - Zeitpunkt von Teilchen gemessen werden, um die Zuordnung des Treffers zu einer Spur zu ermöglichen oder um durch eine Flugzeitmessung die Geschwindigkeit der Teilchen zu ermitteln. Am Lehrstuhl werden Zeit - Stempel - Schaltungen entwickelt, die auf schnellen Ringoszillatoren basieren. Dabei kommt eine differentielle Logik mit kleinem Signalhub zum Einsatz, da diese schnell ist, eine gute Störunterdrückung bietet und invertierende und nicht - invertierende Funktion gleichzeitig liefert. Verzögerungszeiten von etwa 100 ps sind in einer 0.18 um Technologie möglich.

Differentielle, strombasierte Logik

Obgleich CMOS die zweifelslos dominierende Logikfamilie ist, kommen in speziellen Bereichen auch andere Logikfamilien zum Einsatz. So findet sich in schnellen Prozessoren beispielsweise dynamische Logic oder Pass Gate Logik. Differenzielle Logikfamilien, die mit konstantem Strom betrieben werden ('current mode logic', CML), sind aufgrund des kleinen Signalhubs schnell, sie erzeugen nur geringe Störungen auf den Versorgungsspannungen und sie sind umgekehrt relativ unempfindlich für Schwankungen in der Versorgungsspannung. Solche Logikfamilien können daher sowohl in high - speed Anwendungen, wie auch in low - noise Chips vorteilhaft sein. Am Lehrstuhl wird in vielen Designs eine Logikfamilie mit einer nichtlinearen Last eingesetzt, deren Signalhub recht schwach vom Bias-Strom anhängt. So kann die Geschwindigkeit (und somit der Stromverbrauch) in recht weiten Bereichen an die Erfordernisse angepasst werden.

Strahlenharte Elektronik

In vielen Sensorik-Anwendungen werden die am Sensor angeschlossenen Auswerte-Chips durch radioaktive Strahlung belastet (Physik-Experimente, Satelliten-Experimente, Röntgen-Nachweis). Die Eigenschaften normaler MOS Transistoren verändert sich durch die Bestrahlung ungünstig, so daß die Chips nicht mehr korrekt arbeiten. Durch geeignete Layout - Techniken kann in Technologien mit Gatelängen unter etwa 0.35 um eine sehr gute Strahlentoleranz erreicht werden. Insbesondere müssen die Transistoren dazu ringförmige Geometrie aufweisen. Solche Geometrien werden von den normalen 'Design Kits' nicht unterstützt. Am Lehrstuhl wurden daher geeignete Modifikationen an den Kits erarbeitet. Außerem wurde eine kleine Bibliothek aus strahlenhart gezeichneten digitalen Standardzellen entworfen. Es stehen alle Informationen zur Verfügung, die für einen automatisierten digitalen Designablauf benötigt werden.

Präzise, schnelle Stromspeicherzellen, ADCs

Strombasierte Signalverarbeitung erfreut sich zunehmender Bedeutung, da bei kleiner werdenden Versorgungsspannungen der dynamische Spannungs - Bereich analoger Schaltungen immer weiter abnimmt. Bei strombasierten Schaltungen sind die Spannungshübe gering, so daß dieser Ansatz ein möglicher Ausweg ist. Strombasierte Schaltungen können auch sehr schnell sein, da parasitäre Kapazitäten nicht so stark umgeladen werden müssen. Ein wichtiges Element in vielen Schaltungen ist die Stromspeicherzelle. Diese soll einen geringen Stromfehler aufweisen, schnell sein und einen hohen Ausgangswiderstand bieten. I. Peric hat eine Schaltung vorgeschlagen, die diese Anforderungen in hohem Maße erfüllt. Sie bildet die Basis von algorithmischen und pipelined ADCs, die in einer 0.18 um Technologie gefertigt werden sollen.

Transkonduktoren mit sehr kleinem gm, Filter mit niedriger Grenzfrequenz

Moderne Technologien bieten Transistoren mit immer weiter steigender Transkonduktanz, da dies für hohe Geschwindigkeiten wesentlich ist. In manchen Anwendungen werden jedoch Strukturen mit kleiner Transkonduktanz benötigt, nämlich immer dort, wo sehr lange Zeitkonstanten auf einem Chip realisiert werden sollen, ohne daß dazu sehr große Kapazitäten benötigt werden. Beispiele sind Filter mit niedriger Grenzfrequenz (wenige Hertz) zur Aufbereitung von Meßsignalen oder langsame Regelschleifen. Am Lehrstuhl wurde eine geeignete Schaltung vorgeschlagen und zum Patent angemeldet. Der Einsatz in Filtern wird z.Z. untersucht.