LS Mikroelektronik
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With further scaling of CMOS technology noise disturbance, mismatch and process variation become the major constraints of analog DC-DC converters. Consequently, digitally assisted DC-DC converters are coming in the focus of new systems, because they are easier to be configurated in the applications than the typical analog DC-DC converters, while being more robust against noise disturbance and process variation.
As interface devices between analog real world and digital signal processing, ADCs must be optimized for signals in digital DC-DC converters. But the existing synchronous ADCs, which require multiple clock cycles per conversion, as SAR and Pipeline ADCs, are not suitable for the application in DC-DC converters because of special signal characteristics. For stability reasons the digital feedback control in DC-DC converters requires a short group delay (dead time). So synchronous ADCs must be run at a sampling frequency as high as possible. But this approach results unfortunately in high power dissipation.
Compared to the above mentioned ADCs, the delta-encoded or Tracking ADC exhibits the shortest group delay by performing the data conversion only in one clock cycle. It makes the digital feedback control of DC-DC converters possible to response the output exactly and simultaneously. However, the synchronized Tracking ADC still has to cover the double of broad signal bandwidth of disturbance, which appears at the output of DC-DC converters occasionally, dissipating unnecessary excessive power.
This dissertation presents a new concept of Tracking ADC that selfadjusts the conversion rate depending on the slope of the input signal. For a slowly varying input, this Tracking ADC is self-clocked at a low frequency in normal mode, but once the signal varies fast and the slope exceeds a defined threshold, the conversion rate of the ADC is increased to track the signal accurately. By using the proposed solution not only the issue of input slope overload for typical Tracking ADCs is significantly improved, but also the average sampling rate is decreased. Therefore, the power dissipation of the proposed ADC is also reduced.
As a proof of this concept, a 6-bit Tracking ADC with transient-driven self-clocking is implemented in 0.13μm CMOS technology. The prototype of the ADC occupies an area of 400μm×200μm. The maximum power dissipation is 84μW at a supply voltage of 1.4V, when operated at 50MS/s. The integral nonlinearity (INL) is better than 0.5LSB, and the effective number of bits (ENOB) at the sampling frequency of 12.5MHz is 4.4 bits, where the ideal ENOB is limited to 5 bits for 6-bit Tracking ADCs.
Voltage controlled oscillators are commonly realized using varactor diodes in order to tune the resonator frequency. The drawback in practical implementation is the relatively high cost of the diodes, and the large space required for the inductors. Replacing the inductors by active tunable inductors would solve these issues and open a path for cost-effective small integrated oscillator designs. In the past, active-inductor approaches were not competitive due to the high phase noise inherent to the active inductor. This work investigates active inductor oscillators, and presents a novel approach that yields low phase-noise VCOs. The theoretical investigations are verified by measurements of demonstrator circuits.
Die vorliegende Dissertation setzt ein empfangssignalstärkebasiertes, probabilistisches, zweistufiges Ortungsverfahren zur symbolischen Lokalisierung von Objekten im Indoor-Bereich um. Dazu wird eine Hardware auf Basis der im 2,4 GHz ISM-Band arbeitenden Funktechnologie der Firma Nanotron zum Aufbau eines unidirektionalen Funknetzes entwickelt. Es besteht aus mobilen und stationären Netzwerkknoten und wurde in verschiedenen Umgebungsszenarien getestet. Neben dem für den Ortungsalgorithmus erforderlichen Signalstärkeparameter (AGC-Gain) wird ebenso die Sendeleistung als weiterer Systemparameter variiert. Die dadurch erweiterte Datenbasis vergrößert die Trennschärfe der diskreten a posteriori-Verteilung. Deren Modalwert bestimmt den geschätzten Aufenthalt des Mobilknotens im diskreten Raum. Der innerhalb einer ausgewählten Gebäudestruktur angewendete Basisalgorithmus liefert eine absolute Ortungsgenauigkeit von circa 73% und bestätigt so die prinzipielle Eignung des Verfahrens. Der mittlere Entfernungsfehler liegt für das 95. Perzentil bei 6,2 m. Bei einer mittleren Zellengröße von 5x5 m wird damit selbst im Fall einer Fehlortung mit hoher Wahrscheinlichkeit eine unmittelbare Nachbarzelle ausgewählt. Der flexible Aufbau erlaubt zusätzliche Untersuchungen an Parametern, welche Einfluss auf die Ortungsgenauigkeit haben. Darunter zählen Variationen der Höhe und Antennenausrichtung der Mobilknoten sowie Untersuchungen zur Hardwarestreuung. Dabei wird deutlich, dass in den beiden erstgenannten Fällen eine deutliche Verringerung der Trefferquote bis hin zu 37% auftritt. Hingegen belegt die hohe Reproduzierbarkeit der Ortungsgenauigkeit bei Verwendung baugleicher Netzwerkknoten die Übertragbarkeit einer mit einem Mobilknoten erstellten RadioMap auf andere Knoten. Das Ortungsverfahren wird neben dem primären Einsatzfeld im Indoor-Bereich ebenfalls im Outdoor-Bereich getestet. Dabei können Interferenzerscheinungen durch Mehrfachsignalausbreitung gesondert untersucht und modelliert werden. Im Anschluss werden Ansätze vorgestellt, welche das System unter verschiedenen Gesichtspunkten wie der Verringerung der erforderlichen Speicherkapazität, der Verringerung der Rechenzeit durch Eingrenzung des Suchraumes sowie die Erhöhung der Ortungsgenauigkeit durch verschiedene Filterstrukturen erweitern. In deren Ergebnis können die erforderliche Speicherkapazität um 93% gesenkt, die Rechenzeit um 42% verringert und die absolute Ortungsgenauigkeit auf 83% gesteigert werden. Die Arbeit schließt mit einer Diskussion der Ergebnisse und gibt Ausblicke auf aufbauende Forschungsschwerpunkte.
In der Arbeit wird untersucht, inwieweit zwei Epitaxieverfahren (LPCVD- und RPCVDVerfahren) geeignet sind, Bor-dotierte Si/SiGe/Si-Heteroschichtstapel mit guter Homogenität und Reproduzierbarkeit herzustellen. Die Bewertung der Epitaxieverfahren erfolgte anhand von HBT-Parametern, deren Streuungen von Wafer zu Wafer und über den Wafer ermittelt und mit publizierten Referenzdaten des etablierten UHVCVD-Verfahrens verglichen wurden. Die besten Ergebnisse wurden für RPCVD-basierte Si/SiGe/Si-Schichstapel ermittelt. Schichtstapel beider Epitaxieverfahren haben eine geringe Dichte elektrisch aktiver Defekte. Als kritischer Epitaxieprozeßparameter wurde die Abscheidetemperatur ermittelt. Im Fall des LPCVD-Verfahrens hat die Trägergasgeschwindigkeit einen großen Einfluß auf die Homogenität des Boreinbaus. Mit dieser Arbeit wurde nachgewiesen, daß das RPCVDEpitaxieverfahren eine Alternative zum etablierten UHVCVD-Verfahren ist.
Ziel dieser Arbeit ist die Vorstellung und Diskussion einer neuartigen Schaltungstechnik für Dual-Modulus Hochfrequenzvorteiler mit einem niedrigen Leistungsverbrauch. Diese neue Schaltungstechnik wird verifiziert im System einer Phasenregelschleife. Diese PLL ist das zentrale Element in Sender- und Empfängerschaltungen. In Frequenzsynthesizern der Mobilkommunikation werden bis zu 90% der Gesamtverlustleistung vom Dual-Modulus HF Vorteiler beansprucht. Mit Hilfe der in dieser Arbeit vorgestellten Schaltungstechnik kann annähernd das gleiche Produkt aus Geschwindigkeit und Verlustleistung für den HF Vorteiler erreicht werden, wie in einfachen Binärteilern. Grenzen einfacher CMOS Schaltungen werden verglichen mit denen der CML Schaltungstechnik.
Ziel der im Weiteren vorgestellten Arbeit ist die Erstellung eines Mess- und Kalibriersystems für einen digitalen Filmbelichter: den ARRILASER. Während dessen Herstellung werden die einzelnen Produktionsstufen anhand der erreichten Bildqualität auf dem belichteten Negativ überprüft. Für diese Aufgabe waren zunächst die wichtigsten Parameter festzulegen, geeignete Messverfahren zu erstellen, zu systematisieren und weitgehend zu automatisieren. Einige der Gütekriterien, wie z.B. die Bildlage oder die Konvergenz in Richtung des schreibenden Laserstrahles, sind durch Softwareparameter kontrollierbar. Diese Parameter sollten durch eine Auswertung der Messdaten neu berechnet werden, um aufgetretene Belichtungsfehler zu kompensieren. Dies konnte anfänglich nur durch eine Vielzahl von Messgeräten erledigt werden. Für die Bestimmung geometrischer Größen wurde ein Messmikroskop mit X-Y-Tisch verwendet, für die Ermittlung von Filmdichten ein Densitometer sowie ein Mikrophotometer für die Messungen der optischen Übertragungsfunktion. Für die Überprüfung auf Artefaktfreiheit ergab sich eine weitere Schwierigkeit: Da sich ein Filmnegativ durch seine Maskierung und die umgekehrte Darstellung nicht für eine subjektive Betrachtung eignet, musste es zur Beurteilung erst auf Positiv umkopiert werden. Die durch den analogen Kopierprozesses zwangsläufig entstehenden Verluste schränken die Aussagekraft der Kopie deutlich ein. Es ist nicht mehr möglich eindeutig zu identifizieren, ob ein erkannter Fehler nicht erst durch die Kopie erzeugt wurde. Kurzum: die Qualitätsüberwachung gestaltete sich äußerst umständlich und war so absolut ungeeignet, die Serviceingenieure bei ihren inzwischen weltweiten (86 Installationen) Einsätzen zu unterstützen. Es bestand dringend der Bedarf, ein "transportables Verfahren" zu schaffen, das durch einen Techniker bedienbar, eine schnelle und signifikante Aussage über die wichtigsten Qualitätsparameter eines ARRILASER's erlaubt, Grenzwertüberschreitungen anzeigt und Kompensationsparameter berechnet. Realisiert wurde dies durch die Entwicklung eines Verfahrens, das eine Filmprobe zusammen mit einem hochpräzisen Referenzmuster scannt. Durch Kalibrierung jeder Messung auf die Referenz und durch Transformation der Messdaten in photometrische und geometrische Standardeinheiten, konnte für das System ein handelsüblicher Diascanner verwendet werden. Die Besonderheit des Verfahrens ist, dass anhand eines einzigen Testbildes alle relevanten Parameter weitgehend automatisch gemessen werden können. Im Verlauf der Entwicklung hat sich dieses Messsystem zu einem Produkt entwickelt, das ARRILASER-Kunden als Qualitätsüberwachungsinstrument angeboten wird. Ein Exemplar befindet sich derzeit bei Kodak (Rochester, USA) und soll nach erfolgreicher Zertifizierung als standardisiertes Messverfahren für die Qualitätsbewertung von 35 mm Cine-Film empfohlen werden.
Flexible Dünnschichtsolarzellen erfordern eine ebenfalls flexible Verkapselung, um das Absorbermaterial (z.B. Kupfer - Indium – 2 Selenide (CIS) vor der Eindiffusion von Feuchtigkeit und anderen Umwelteinflüssen zu schützen. Diffusionsbarrieren auf Tantal-Silizium Basis sind z. Z. bevorzugtes Material um die Kupferdiffusion in modernen Halbleiterbauelementen zu verhindern. In dieser Arbeit werden Tantal-Silizium-Stickstoff und Tantal-Silizium-Sauerstoff Schichten für die Verkapselung von zukünftigen flexiblen Dünnschichtsolarzellen untersucht und optimiert. CIS-Solarmodule wurden mit dünnen, auf Tantal basierten Barrieren beschichtet. Die Barrierewirkung der Verkapselung wurde untersucht, indem die Veränderungen des Wirkungsgrades dünnschichtverkapselter Module während eines 1000-stündigen beschleunigten Alterungstest bestimmt wurden. Eine wesentliche Verbesserung der Barrierewirkung gegen die Eindiffusion von Feuchtigkeit wurde mit einer reaktiv gesputterten Doppelschicht aus 250 nm Ta-Si-O und 15 nm Ta- Si-N erreicht. Dieses Doppelschichtsystem erreicht bei einer Dicke von 265 nm eine vergleichbare Schutzwirkung wie eine ca. 5 µm dicke Schicht aus SiO2.