Mit innovativen Mixed-Signal-Schaltungen neue Leistungsmarken in Standard-CMOS-Technik

Schlüsselkomponenten für Kommunikationsprodukte deutlich verbessert

Auf der IEEE International Solid-State Circuits Conference 2005 in San Francisco (6. -10. Februar 2005) präsentierte Infineon Technologies AG in mehreren technischen Vorträgen zukunftsweisende Ergebnisse aus seinen Forschungslabors. In zwei Präsentationen wurden innovative Schaltungsentwicklungen aus dem Development Center in Villach vorgestellt, die modernste D/A- und A/D-Umsetzer für anspruchsvolle drahtgebundene und drahtlose Kommunikationsaufgaben der nächsten Produktgeneration mit hoher Bandbreite beschreiben.

„Die auf der ISSCC 2005 präsentierten Vorträge unterstreichen einmal mehr die technologisch führende Stellung von Infineon bei der Weiterentwicklung von Schlüsselkomponenten für Kommunikationslösungen der Zukunft“, sagte Manfred Haas, Leiter des Infineon Development Center in Villach. „Die neuen Schaltungskonzepte erweitern die bisherigen Leistungsgrenzen für Standard-CMOS-Bauelemente und ermöglichen es uns schnelle und stromsparende Chips auf bewährten und kostengünstigen Prozessen zu fertigen. Diese innovativen Schaltungskonzepte werden auch den Anforderungen an geringen Stromverbrauch und stark steigende Datenaufkommen künftiger Produktgenerationen für Kommunikationsanwendungen gerecht.“

Speziell für VDSL(Very High Data Rate Digital Subscriber Line)-Systeme der nächsten Generation wurde ein innovativer 12-bit-D/A-Umsetzer entwickelt. VDSL erfordert eine sehr hohe digitale Auflösung (12 bit) bei zugleich hoher analoger Bandbreite (z.B. 30 MHz). Infineon hat hierfür einen vollständig integrierten, breitbandigen Delta-Sigma-D/A-Umsetzer entwickelt. Eine neuartige Schaltungsarchitektur (Time-interleaved Double-Data-Weighted-Averaging) ermöglicht die effiziente Implementierung in kostengünstiger 130-nm-Standard-CMOS-Technologie mit 1,5-V-Versorgungsspannung. Die Leistungsaufnahme beträgt nur 45 mW und damit etwa 50 Prozent weniger als bei herkömmlichen D/A-Wandlern.

Durch Überabtastung und spektrale Formung der Rauschleistung wird bei dem neuen D/A-Wandler die hohe Auflösung von 12 bit erreicht, bei einer entsprechenden Signalbandbreite von 30 MHz. Die Überabtastung konnte auf einem sehr niedrigen Faktor (Oversampling-Rate = 6) gehalten und so die Leistungsaufnahme drastisch reduziert werden. Moderne CMOS-Technologien bieten sehr kleine Versorgungsspannungen, was allerdings die erzielbare Signalamplitude senkt und eine besondere Herausforderung für die Entwicklung von derartigen D/A-Wandlern darstellt. Die Infineon-Lösung basiert auf einer optimierten Schaltungstechnik, die die Signalamplitude trotz geringer Versorgungsspannung maximiert. So können breitbandige Signale (30 MHz) mit hoher Linearität (76 dB) verarbeitet werden.

Für die mobile Kommunikation stellte Infineon einen innovativen Delta-Sigma-A/D-Umsetzer in 130-nm-CMOS-Technologie vor. Neben einer hohen Überabtastung wird auch die vorhandene Rauschleistung spektral geformt, sodass eine hohe Auflösung von 74 dB (12,5 bit) mit einer entsprechenden Signalbandbreite von 2 MHz erzielt wird. Der hoch auflösende A/D-Umsetzer zielt auf Anwendungen im Empfangsteil von Mobilfunkgeräten. Mit dem Bestreben, möglichst viele bisher analog ausgeführte Funktionsblöcke durch digitale Schaltungen zu ersetzen (z. B. Kanalfilter, Vorverstärker), steigen die Anforderungen an die Qualität des A/D-Wandlers, während gleichzeitig die Verlustleistung reduziert werden soll.

Während die erforderliche Leistungssteigerung in den vergangenen Jahren im Wesentlichen durch neue, schnellere Prozesstechnologien erzielt wurde, erreichten die Infineon-Forscher durch eine neuartige Schaltungsarchitektur mit einem Standard-CMOS-Prozess einen deutlichen Performancegewinn bei gleichzeitiger Reduzierung der Verlustleistung. Die Verlustleistung des A/D-Wandlers beträgt nur 3 mW bei 1,5-V-Versorgungsspannung und einer Taktfrequenz von 104 MHz. Damit konnte die Leistungsaufnahme dieser innovativen Schaltung im Vergleich zu herkömmlichen A/D-Umsetzern (4-bit-Flash-ADC) auf 20 Prozent gesenkt werden. Durch die Entwicklung spezieller stromsparender Quantisierer auf Basis dieses neuen A/D-Wandlers können nun längere Gesprächszeiten für Mobiltelefone erreicht werden.