Entwicklung eines strahlungstoleranten VCSEL-Treiber-ASICs in 65 nm CMOS-Technologie mit Kompensation frequenzabhängiger Verluste des Eingangssignals zur optischen Datenübertragung bei 1.28 und 5.12 Gb/s

Inhaltsverzeichnis

• Kurzfassung
• Inhaltsverzeichnis
• Abkürzungsverzeichnis
• 1 Einführung
• 2 Grundlagen der Datenübertragung
  • 2.1 Digitales Datenübertragungssystem
  • 2.2 Idealer Übertragungskanal
  • 2.3 Realer Übertragungskanal
  • 2.4 Bandbegrenztes Digitalsignal
  • 2.5 Intersymbolinterferenz (ISI)
  • 2.6 Jitter und Bitfehlerrate
  • 2.7 Kanalverluste
• 3 Charakterisierung der Übertragungsleitung
• 4 Methoden der Signalwiederherstellung
  • 4.1 Equalization
    • 4.1.1 Equalization in der Systembetrachtung
    • 4.1.2 Continuous Time Linear Equalizer (CTLE)
    • 4.1.3 MF-CTLE in der Systembetrachtung
    • 4.1.4 CTLE-Gesamt-Konzept
  • 4.2 Digital Phase Locked Loop (DPLL)
    • 4.2.1 CDR-Architektur
• 5 Vier-Kanal-VDC-Chip
  • 5.1 Kanalübertragungsmodell
  • 5.2 Realisierung des CTLE-Konzepts
  • 5.3 Realisierung des CDR-Konzepts
    • 5.3.1 Realisierung des Hogge-Phasendetektors
    • 5.3.2 Realisierung der Ladungspumpe und des Loopfilters
    • 5.3.3 Realisierung des Voltage Controlled Oscillators (VCO)
    • 5.3.4 Verifikation des CDR-Designs
  • 5.4 ASIC-Layout
  • 5.5 Entwicklungskonzepte zur Erhöhung der Strahlungstoleranz
• 6 Vorläufige Messergebnisse des VDC ASICs

Zielsetzung und Themenschwerpunkte

Diese Masterarbeit zielt auf die Entwicklung und Implementierung eines strahlungstoleranten VCSEL-Treibers ASICs für die optische Datenübertragung im ATLAS-Experiment am CERN ab. Der Fokus liegt auf der Entwicklung einer Datenwiederherstellungseinheit, die frequenzabhängige Verluste des Eingangssignals kompensiert.

• Entwicklung eines strahlungstoleranten VCSEL-Treiber-ASICs
• Implementierung eines Continuous Time Linear Equalizers (CTLE) zur Kanalverlustkompensation
• Integration einer Clock Data Recovery (CDR) zur Datenrückgewinnung
• Charakterisierung des Übertragungskanals und Signalwiederherstellung
• Analyse der Messergebnisse und Ausblick auf zukünftige Entwicklungsschritte

Zusammenfassung der Kapitel

1 Einführung: Diese Einleitung beschreibt den Kontext der Arbeit, ausgehend vom Large Hadron Collider (LHC) am CERN und dem ATLAS-Experiment, bis hin zur Notwendigkeit eines Upgrades der optischen Datenübertragungseinheit aufgrund steigenden Datenvolumens. Das Projekt zielt auf die Entwicklung eines neuen, schnelleren und strahlungstoleranteren GBIC-Systems mit 12 Datenkanälen und VCSEL-Treibern ab, wobei der Schwerpunkt auf der Implementierung einer Datenwiederherstellungseinheit liegt, um Verluste im Übertragungskanal auszugleichen. Die Arbeit beschreibt den ASIC-Entwurf des VCSEL-Treibers (VDC) und die Implementierung von CTLE und CDR zur Verbesserung der Signalqualität. Die Arbeit gliedert sich in theoretische Grundlagen, Schaltungsentwurf, Simulation und vorläufige Messergebnisse.

2 Grundlagen der Datenübertragung: Dieses Kapitel legt die theoretischen Grundlagen der digitalen Datenübertragung dar, beginnend mit dem Shannon'schen Kommunikationsmodell. Es beschreibt ideale und reale Übertragungskanäle, die Auswirkungen der Bandbegrenzung, Intersymbolinterferenzen (ISI), Jitter und Bitfehlerraten sowie die verschiedenen Arten von Kanalverlusten (ohmsche Verluste, Skineffekt, Proximity-Effekt, dielektrische Verluste, Reflexionsverluste).

3 Charakterisierung der Übertragungsleitung: Dieses Kapitel beschreibt die Methoden zur Charakterisierung der verwendeten Twinaxial-Leitung, inklusive Messungen mit Netzwerkanalysatoren (VNA) und Zeitbereichsreflektometrie (TDR), sowie den Vergleich der Messergebnisse und deren Verwendung zur Erstellung eines elektrischen Modells der Leitung für Simulationen.

4 Methoden der Signalwiederherstellung: Dieses Kapitel erläutert verschiedene Methoden zur Signalwiederherstellung, darunter Repeater, Retimer und Retimer mit Decision Feedback Equalizer (DFE). Der Schwerpunkt liegt auf der Erklärung von Equalization-Techniken, insbesondere des Continuous Time Linear Equalizer (CTLE) und seiner Hochfrequenz- (HF-CTLE) und Mittenfrequenzvariante (MF-CTLE), sowie der Digital Phase Locked Loop (DPLL) und deren Anwendung zur Verbesserung der Signalqualität.

5 Vier-Kanal-VDC-Chip: Dieses Kapitel beschreibt den Entwurf des Vier-Kanal-VCSEL-Treiber-ASICs (VDC), inklusive der einzelnen Komponenten wie IBIAS, Taktgenerator, I2C-Einheit, sowie detailliert die Implementierung des CTLE-Konzepts (mit HF- und MF-CTLE Stufen) und der CDR-Einheit. Es werden Simulationsergebnisse präsentiert, die die Funktionsweise und Wirksamkeit der Schaltungskette verifizieren.

Schlüsselwörter

VCSEL-Treiber-ASIC, strahlungstolerant, 65 nm CMOS, optische Datenübertragung, Continuous Time Linear Equalizer (CTLE), Clock Data Recovery (CDR), Kanalverlustkompensation, Signalwiederherstellung, Gigabit Ethernet, ATLAS-Experiment, CERN, Jitter, Bitfehlerrate.

Häufig gestellte Fragen

Worum geht es in dieser Masterarbeit?

Diese Masterarbeit befasst sich mit der Entwicklung und Implementierung eines strahlungstoleranten VCSEL-Treibers ASICs für die optische Datenübertragung im ATLAS-Experiment am CERN. Der Fokus liegt auf der Entwicklung einer Datenwiederherstellungseinheit, die frequenzabhängige Verluste des Eingangssignals kompensiert.

Welche Ziele werden in der Arbeit verfolgt?

Die Arbeit zielt auf die Entwicklung eines strahlungstoleranten VCSEL-Treiber-ASICs, die Implementierung eines Continuous Time Linear Equalizers (CTLE) zur Kanalverlustkompensation, die Integration einer Clock Data Recovery (CDR) zur Datenrückgewinnung, die Charakterisierung des Übertragungskanals und Signalwiederherstellung sowie die Analyse der Messergebnisse und Ausblick auf zukünftige Entwicklungsschritte.

Was sind die Hauptthemen, die in der Arbeit behandelt werden?

Die Hauptthemen sind strahlungstolerante VCSEL-Treiber-ASICs, Continuous Time Linear Equalizer (CTLE), Clock Data Recovery (CDR), Kanalverlustkompensation, Signalwiederherstellung und die optische Datenübertragung.

Was wird im ersten Kapitel (Einführung) behandelt?

Das erste Kapitel beschreibt den Kontext der Arbeit, ausgehend vom Large Hadron Collider (LHC) am CERN und dem ATLAS-Experiment, bis hin zur Notwendigkeit eines Upgrades der optischen Datenübertragungseinheit aufgrund steigenden Datenvolumens. Es beschreibt auch die Ziele des Projekts und die Gliederung der Arbeit.

Was wird im zweiten Kapitel (Grundlagen der Datenübertragung) behandelt?

Das zweite Kapitel legt die theoretischen Grundlagen der digitalen Datenübertragung dar, beginnend mit dem Shannon'schen Kommunikationsmodell. Es beschreibt ideale und reale Übertragungskanäle, die Auswirkungen der Bandbegrenzung, Intersymbolinterferenzen (ISI), Jitter und Bitfehlerraten sowie die verschiedenen Arten von Kanalverlusten.

Was wird im dritten Kapitel (Charakterisierung der Übertragungsleitung) behandelt?

Dieses Kapitel beschreibt die Methoden zur Charakterisierung der verwendeten Twinaxial-Leitung, inklusive Messungen mit Netzwerkanalysatoren (VNA) und Zeitbereichsreflektometrie (TDR), sowie den Vergleich der Messergebnisse und deren Verwendung zur Erstellung eines elektrischen Modells der Leitung für Simulationen.

Was wird im vierten Kapitel (Methoden der Signalwiederherstellung) behandelt?

Dieses Kapitel erläutert verschiedene Methoden zur Signalwiederherstellung, darunter Repeater, Retimer und Retimer mit Decision Feedback Equalizer (DFE). Der Schwerpunkt liegt auf der Erklärung von Equalization-Techniken, insbesondere des Continuous Time Linear Equalizer (CTLE) und seiner Hochfrequenz- (HF-CTLE) und Mittenfrequenzvariante (MF-CTLE), sowie der Digital Phase Locked Loop (DPLL).

Was wird im fünften Kapitel (Vier-Kanal-VDC-Chip) behandelt?

Dieses Kapitel beschreibt den Entwurf des Vier-Kanal-VCSEL-Treiber-ASICs (VDC), inklusive der einzelnen Komponenten wie IBIAS, Taktgenerator, I2C-Einheit, sowie detailliert die Implementierung des CTLE-Konzepts (mit HF- und MF-CTLE Stufen) und der CDR-Einheit. Es werden Simulationsergebnisse präsentiert.

Welche Schlüsselwörter sind mit dieser Arbeit verbunden?

VCSEL-Treiber-ASIC, strahlungstolerant, 65 nm CMOS, optische Datenübertragung, Continuous Time Linear Equalizer (CTLE), Clock Data Recovery (CDR), Kanalverlustkompensation, Signalwiederherstellung, Gigabit Ethernet, ATLAS-Experiment, CERN, Jitter, Bitfehlerrate.