ISSCC 2011 Organischer D/A-Wandler bricht alle Rekorde

IMS Chips (Institute for Microelectronics Stuttgart) hat einen 6-Bit-D/A-Wandler auf Basis von organischen Dünnschicht-Transistoren (OTFTs) entwickelt, der dank eines neuen Fertigungsprozesses 1000-mal schneller und 30 mal kleiner als alle bislang veröffentlichen 6-Bit-DACs ist.

Diese enormen Verbesserungen sind auf zwei Dinge zurückzuführen. Zum einen hat IMS Chips einen eigenen Fertigungsprozess entwickelt, der laut Tarek Zaki vom Institute for Microelectronics Stuttgart, auf so genannten Silizium-Stencil-Masken basiert. Im Vergleich zur Nutzung von Kunststofflochmasken lassen sich damit zum einen Kanallängen im Sub-Mikron-Bereich realisieren, zum anderen ist aber auch das Problem des Transistoren-Mismatches gelöst.

Dank dieses Fertigungsprozesses wiederum konnte IMS Chips für seine D/A-Wandler eine Stromsteuerungsarchitektur wählen, die sich im Vergleich zu einem kapazitiven D/A-Wandler oder einem einfachen Widerstands-D/A-Wandler durch eine höhere Geschwindigkeit und eine kleinere Fläche auszeichnet. Zaki: »Früher war der Transistoren-Mismatch das größte Problem, weshalb die Hersteller auf kapazitive D/A-Wandler gesetzt haben. Aber dank unserer Fertigungstechnik konnten wir eine Stromsteuerungsarchitektur auswählen und damit deutliche Vorteile erzielen.«

Wobei IMS Chips einen binären und keinen unären Stromsteuerungsansatz gewählt hat, weil dieser weniger komplex und kleiner ist sowie weniger Leistung braucht. Außerdem kann diese Architektur nur mit p- oder n-Typen aufgebaut werden, wobei die Geschwindigkeit der p-Typen laut Zaki ungefähr um den Faktor 10 höher ist als die der n-Typen, weshalb der D/A-Wandler in einer p-Type-OTFT-Technik implementiert wurde.

Dank der neuen Fertigungstechnik und der binären Current-Steering-Architektur konnte eine minimale Kanallänge von nur 4 µm realisiert werden. In vorherigen Lösungen waren bislang nur 20 µm möglich. Der Chip beinhaltet 129 Transistoren und belegt eine Chip-Fläche von 2,6 mm x 4,6 mm. Frühere Lösungen waren  mit 28 mm x 14 mm deutlich größer. Der Wandler mit maximal 100 kS/s braucht 260 µw bei einem Output Swing von 2 V. Gemessene DNL- und INL-Werte bei 1 kS/s sind -0,69LSB beziehungsweise 1,16LSB. Der SFDR-Wert wurde mit 32dB angegeben.