mmWellen-Spektrometrie Messung an HighSpeed-Multiplexer

Anwendungsfall Chipdesign

Der Bereich Hochfrequenz-Elektronik EIM/HFE an der Universität Paderborn setzte MS2760A im Chipdesign ein.

In diesem speziellen Fall war das Team um Prof. Dr.-Ing. Thiede in Design und Charakterisierung eines 4:1-Multiplexers eingebunden, der bei bis zu 156 Gbit/s mit chipintegriertem PLL betrieben wird. Der Schaltkreis wird in 0,13-µm-SiGe-Bipolar-Technologie implementiert und wird bis zu einer Datenübertragungsrate von 155 Gbit/s betrieben. Aufgrund der hohen Datenübertragungsraten ist die Steuerung der chipintegrierten Taktverteilung gleichsam wichtig wie anspruchsvoll. Ebenso herausfordernd gestaltet sich seine Charakterisierung: Bandbreite von Sampling-Oszilloskopen und Datenübertragungsraten von Bitmuster-Generatoren sind begrenzt.

Infolgedessen wurde ein alternatives Verfahren mit einem Miniatur-Millimeterwellen-Spektrumanalysator entwickelt. Es wird in einer speziellen 125-GHz-Konfiguration für den On-Wafer-Betrieb sowie im Distanzbetrieb eingesetzt. Damit wurde das Frequenzspektrum des Multiplexers von DC bis 125 GHz aufgelöst. Bild 2 zeigt die Basis-Architektur des 4:1-Multiplexers.

Sie besteht aus drei 2:1-Multiplexern, von denen die erste Stufe (Half-Rate-MUX) die 40 Gbit/s-Datenströme in einen einzigen Datenstrom von 80 Gbit/s umwandelt. Das 2:1-Gerät der zweiten Stufe (Full-Rate-MUX) wandelt die 80 Gbit/s-Datenausgaben beider Half-Rate-Multiplexer in einen einzigen Datenstrom von 160 Gbit/s um.
 
Die umfassende Charakterisierung solcher Multiplexer wird zunehmend komplizierter und stellt bei Datenübertragungsraten oberhalb von 100 Gbit/s eine immer größere Herausforderung dar. Verschiedene Faktoren, wie die begrenzte Bandbreite von Sampling-Oszilloskopen und die begrenzten Übertragungsraten der Bitmuster-Generatoren, verhindern einen vollumfänglichen Test des Multiplexers. Daher wurde das Design unter bestimmten Annahmen und Einschränkungen getestet. Dazu wurde ein externer 80-GHz-Takt in den 4:1-Multiplexer unter statischen Eingangsbedingungen eingespeist: diese entsprechen DC-Amplituden von 1s und 0s an den vier Dateneingängen A, B, C und D.

Der Ausgangsport des Multiplexers wurde anschließend mittels einer speziellen 125-GHz-Version des Spektrumanalysators MS2760A unter drei statischen Eingangsbedingungen vermessen:

  • Für Eingänge A=B=1s und C=D=0s wird eine Spektralkomponente bei fCLK erwartet
  • Für A=B=C=D=1s wird keine Spektralkomponente erwartet
  • Für A=C=1s und B=D=0s wird eine Komponente bei fCLK/2 erwartet

Wegen Einschränkungen der vorliegenden Prüfausrüstung wurde das Gerät unter Verwendung eines PRBS-Signals, bei 40-GHz-Takt (SHF 12104A), getestet. Das resultiernde 80-GHz-Signal am Multiplexer-Ausgang wurde mit einem 70-GHz-Sampling-Oszilloskop vermessen. Zur umfassenden Charaterisierung wurde eine PLL-Takt-Architektur für 153,5 GHz bis 155 GHz mit 40-GHz-Master-Takt ergänzt. Eine PRBS-ähnliche Charakterisierung war unter den vorhandenen Einschränkungen nicht möglich.

Daher wurde derselbe statische Versuchsaufbau erneut genutzt. Die entsprechenden Multiplexer-Ausgänge für die Anwendungsfälle 1 bis 3 sind in Bild 3 mit einem chipintegrierten PLL für eine Datenübertragungsrate von 153,5 Gbit/s dargestellt.


Fazit

In der Charakterisierung bei hoher Datenübertragungsrate ist die begrenzte Bandbreite vorhandener Sampling-Oszilloskope ein limitierender Faktor. Herkömmliche Spektrumanalysatoren mit externen Mischern können funktionieren, sind jedoch für direkte On-Wafer-Messungen nicht anwendbar. Im Versuch konnte MS2760A in der 125-GHz-Version ein Spektrum bei 160 Gb/s auflösen. (ct)

*nutzbar von 0 Hz aufwärts