Das INT bietet interessierten Studierenden die Möglichkeit, ihre Abschlussarbeiten in zukunftsorientierten Forschungsprojekten im Bereich der integrierten elektrischen und photonischen Schaltungsentwicklung zu absolvieren.
Allgemeine Themen/General topics
Art der Arbeit
- Schaltungsentwurf/Simulation
- Schaltungslayout
- HF-Systemsimulation
Hintergrund
Um gleichzeitig die Effizienz und Linearität von hochfrequenten Leistungsverstärkern für Drahtlos- und Mobilgeräte zu verbessern, wird am INT der Ansatz eines volldigitalen Senderkonzepts verfolgt. Im Rahmen des von der DFG geförderten Forschungsprojekts „Hochfrequente Mehrstufen-Schaltverstärker im pulspositions- und pulsweitenmodulierten Betrieb zur effizienten Leistungsverstärkung von breitbandigen Mobilfunksignalen“ sollen dazu mehrstufige Schaltverstärker (ML-SMPA) in einer modernen FDSOI-CMOSTechnologie erforscht werden. Um den Dynamikbereich des Schaltverstärkers zu verbessern, wird die Amplitude des gefilterten HF-Signals zusätzlich zur Pulsweite in diskrete Ausgangsspannungs- (ML-VM-SMPA) oder Ausgangsstromstufen (ML-CM-SMPA) kodiert.
Aufgabenstellung
Abhängig vom Stand des Forschungsprojekts und der Art der Arbeit liegt der Schwerpunkt auf dem Entwurf eines mehrstufigen Schaltverstärkers mit Layout in Cadence IC, dem Entwurf von transformatorbasierten Netzwerken zur Leistungsaddition und Impedanzanpassung in ADS Momentum oder der Ansteuerung des Verstärkers. Gegebenenfalls sind Simulationen und Untersuchungen auf Systemebene in Matlab möglich.
Voraussetzungen
- Kenntnisse über CMOS-Schaltungen
- Grundkenntnisse über Hochfrequenztechnik
Ansprechpartner
Hintergrund
Anwendungen der künstlichen Intelligenz mit künstlichen neuronalen Netzen (KNN) haben in den letzten Jahren Einzug in immer mehr Bereiche des Lebens gehalten. Das betrifft auch mobile Anwendungen mit begrenzten Energiereservoirs, weshalb die Energieeffizienz von KI-Beschleunigern eine entscheidende Rolle spielt. Analoge Implementierungen rücken hierbei in den Fokus, da diese erhebliche Energiesparpotentiale aufweisen. Durch die Betrachtung der elektrischen Spannungen und Ladungen als wertkontinuierliche analoge Größen kann die für die Inferenz notwendige Energie im Vergleich zur üblichen digitalen Berechnung theoretisch um mind. eine Größenordnung reduziert werden.
Erste Arbeitsgruppen konnten bereits die Berechnung einfacher KNNs mithilfe solcher Mischsignalsysteme demonstrieren, bei denen der Speicher der Gewichte normalerweise innerhalb der Rechenmatrix platziert wird. Bis zur praktischen Anwendbarkeit sind allerdings noch erhebliche Herausforderungen zu meistern. Die analoge Berechnung künstlicher neuronaler Netze stellt somit einen extrem spannenden Forschungsbereich dar.
Am INT arbeiten wir an einem entsprechenden System, das auf der Addition und Auswertung von Ladungen basiert und das weitaus effizienter sein soll als das menschliche Gehirn. Dafür suchen wir sehr gute Studierende, die auf der
Ebene der Schaltungstechnik und Modellierung an der Weiterentwicklung des Konzepts mitarbeiten.
Mögliche Themen
- Modellierung der analogen Rechenmatrix in Python und Tensorflow.
- Weiterentwicklung und Layout der analogen Schaltungselementen der Rechenmatrix.
- Entwurf von sehr energieeffizienten und flächeneffizienten A/D-Umsetzern.
- Entwicklung von Strategien auf der Architekturebene zur flexiblen Anpassung der Rechenmatrix an verschiedene KNNs.
- Entwicklung von Strategien zur Reduzierung bzw. Kompensation von Mismatch, auf der Systemebene, der Schaltungsebene oder der Softwareebene.
Hilfreiche Lehrveranstaltungen (abhängig vom konkreten Thema und dem Typ der Arbeit)
- Fachpraktikum „Grundlagen Integrierter Schaltungen”
- Verstärkertechnik I
- Circuit Design in Nanometer Scaled CMOS
- Grundlagen integrierter Schaltungen
- Integrierte Mischsignalschaltungen
- Deep Learning (ISS)
Kontakt und weitere Infos
Ansprechpartner
Spezifische Themen/Specific topics
Objective
- Software development
- Measurement technology (photonic)
Background
Photonic integrated circuits (PICs) have become a key component of modern communication technologies in recent years. They are used in various commercial products where they enable complex optical functions such as prefiltering and multiplexing. These PICs are typically manufactured on silicon platforms, similar to electronic circuits. To optimise their performance and expand their application areas, it is crucial to perform precise measurements and characterisations.
Your task
In this exciting project, you will have the opportunity to actively participate in the development of an automated measurement setup for PICs. Your main task will be to research and implement innovative optimisation algorithms to precisely control modern piezo-adjustable stages. By applying these algorithms, you will be able to autonomously identify the optimal coupling point, which in turn will maximise the efficiency and functionality of the photonic circuits. Your work will help drive the development of these groundbreaking technologies while providing you with valuable insights into the emerging field of photonic integration.
Your profil
- Initial experience in working with Python or Matlab
- Ability to perform precise manual work
- Enjoy optimising and searching for efficient solutions
We offer
- Individual supervision and support
- Freedom to contribute and implement your own ideas
- The opportunity to work on exciting photonic measurement setups and familiarise yourself with new technologies
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Type of work
- Evaluating the possibility of plasmonic waveguiding in desired structure
- 3D simulation in RSoft/CST
- Optimizing the component regarding modulation efficiency and bandwidth
Background
Optical communication provides high bandwidths to deal with today’s demand of increasing data rates. It is still part of the research to improve the usage of these entire bandwidths. One limiting factor is the modulation of light with Mach-Zehnder modulators (MZM), which are not able to cover the provided frequency ranges. Using the principle of surface plasmon polaritons increases the bandwidth up to 500 GHz by utilizing the Pockels effect with the help of electro-optical organic compounds. Another electro-optical effect is the plasma dispersion effect, where the refractive index depends on the free charge carriers inside of semiconductors, which leads to modulation of the light. One benefit of this approach is the compatibility with standard CMOS fabrication processes. Hence, it is promising to further investigate this method.
Task
One main goal of the thesis is to verify and maintain the possibility of plasmonic waveguiding based on the structure in fig. 1. It is likely, that certain measures in the structure are necessary to accomplish this task. In a next step the modulation efficiency shall be increased by optimizing the doping configuration. At the end, further optimization shall be done with the emphasis on the bandwidth of the modulator.
The thesis may be prepared in English or German.
Requirements
- Basics semiconductor physics
- Advanced knowledge in photonics
- Independent way of working
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Type of work
- Implementation of broadband matched loads for traveling wave electrodes based on a semiconductor process
- 3D simulation in CST Microwave Studio
Background
Electro-optic Mach-Zehnder modulators are one key component of today’s optical communication networks. With such modulators a monochromatic optical carrier is modulated by applying an electric field at radio frequencies. In general, a lot of modulator concepts use travelling wave electrodes, which are then terminated by a load matched to the characteristic impedance of the electrode in order to minimize reflections, which degrade the modulation efficiency. When characterizing integrated electrooptical modulators on a chip, the matched load is connected with a wafer probe, which increases the setup complexity. In order to reduce this complexity, matched loads on the chip shall be developed and implemented under the constraints of the available integrated photonics process.
Task
The main part of this thesis is to design and implement matched loads for travelling wave electrodes, which are realized as coplanar waveguides. The design takes place in 3D simulation with the software CST Microwave Studio supported by basic theoretical considerations. Besides the constraints of the available integrated photonics process, the emphasis lies on a large bandwidth of the loads.
The thesis may be prepared in English or German.
Requirements
- Basic knowledge of radio frequency technology
- Basics in photonics and semiconductor physics
- Independent way of working
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Art der Arbeit
- Optisches Bauteildesign
- Optische Simulationen
- Layout-Entwurf
- System-Optimierung
- Optische Messtechnik
Aufgabenstellung
Ziel dieser Arbeit ist die Simulation und der Entwurf verschiedener Modenkonverter und -kombinierer. Hierfür soll anhand einer Literaturrecherche ein aktueller Stand der Forschung ausgearbeitet werden. In einem nächsten Schritt gilt es, verschiedene Designs zu untersuchen und hinsichtlich ihrer Effizienz und Bandbreite zu vergleichen. Das Institut für Mikroelektronik ermöglicht das Fertigen der Chips, sodass die Bauteile abschließend charakterisiert werden können. Dabei sollen für ein angepasstes Bauteildesign ebenfalls die Wellenleiter-Verluste der Mode zweiter Ordnung bestimmt werden.
Voraussetzungen
- Interesse an neuen Entwicklungen im Bereich der Photonik
- Grundlagen in Optoelektronik, Halbleiter-Technologie oder Optik notwendig
- Eigenständige Arbeitsweise
Ansprechpartner
Legende: BA: Bachelorarbeit, FA: Forschungsarbeit, MA: Masterarbeit
Neben den hier aufgelisteten Themen bieten wir auch kurzfristig Arbeiten zu unseren aktuellen Forschungsgebieten an. Teilweise können Masterarbeiten auch in abgespeckter Form als Bachelor- oder Forschungsarbeit durchgeführt werden. Die abgeschlossenen Arbeiten bieten Ihnen ebenfalls einen Überblick über das weite Themensprektrum des Instituts.Sprechen Sie bei Interesse einfach unsere Mitarbeiter an.
Die Projekte erfolgen in enger Zusammenarbeit mit renommierten nationalen und internationalen Forschungsinstitutionen und bieten Studierenden optimale Voraussetzungen, um ihre im Studium angeeigneten Fachkenntnisse an konkreten und praxisnahen Aufgabenstellungen einzusetzen und darüber hinaus anwendungsorientiert zu vertiefen. Spannende theoretische und praktische Aufgaben, die gemeinsam mit erfahrenen Doktoranden und Post-Docs erarbeitet werden, bieten hervorragende fachliche als auch persönliche Entfaltungsmöglichkeiten für den weiteren Berufsweg.
Abgeschlossene Arbeiten/Completed theses
2023
- „Entwurf einer Abbildungsvorschrift zur Ansteuerung eines HF-Schaltverstärkers“, Bachelorarbeit, Nr. xxxx.
- „Design of an Energy Efficient Ring Amplifier for an Analog Multi-Bit Dynamic Memory“, Forschungsarbeit.
- „Entwurf und Aufbau einer Demonstrator-Leiterplatte für einen integrierten Arbiträrsignalgenerator“, Forschungsarbeit.
- „System Design, Model Building and Training of an Analog Neural Network based Equalizer for Optical Receivers“, Masterarbeit.
- „Effizienzsteigerung eines Schicht-7-Protokolls zum Datenaustausch über Ethernet auf einem FPGA“, Forschungsarbeit, Nr. xxxx.
- „Entwurf eines Automotive Ethernet Messempfängers auf einem FPGA“, Masterarbeit.
2022
- „Entwurf eines sukzessiven Approximationsregisters in einer 22nm CMOS Technologie“, Forschungsarbeit, Nr. 1121.
- „Transimpedanzverstärker für einen Monolithisch Integrierten Optoelektronischen Empfänger“, Masterarbeit, Nr. 1125.
- „Entwurf eines Datenrückgewinnungsalgorithmus für einen Automotive Ethernet Messempfänger“, Bachelorarbeit.
- „Implementierung einer ethernet-basierten Kommunikationsschnittstelle für ein FPGA-Messsystem“, Forschungsarbeit, Nr. 1127.
- „Aufbau eines Sensorarrays zur Materialanalyse“, Forschungsarbeit, Nr. 1113.
- „Integrated Circuit Design of Key Components of a SAR ADC in 22 nm FDSOI“, Masterarbeit, Nr. 1122.
- „Entwurf und Aufbau eines klirrarmen Sinusgenerator mit Abtast-Halte-Glied zur Amplitudenstabilisierung“, Bachelorarbeit, Nr. 1124.
- „Elektro-Optischer Zweimoden-Modulator Basierend auf Plasmonischer Wellenführung“, Forschungsarbeit, Nr. 1109.
- „Transfer und Anpassung einer integrierten Multiplexer-Struktur mit Alterungs-Sensoren und Überarbeitung des Auswertekonzeptes“, Forschungsarbeit, Nr. 1120.
- „Entwurf einer Transferschaltung für ein analoges dynamisches multi-bit Speicherkonzept“, Masterarbeit, Nr. 1128.
- „Charakterisierung optischer Verluste von Siliziumnitrid-Wellenleitern im sichtbaren Spektralbereich“, Masterarbeit, Nr. 1129.
- „Integrierter Schaltungsentwurf eines Transkonduktanzverstärkers zur Verbindung analoger Neuronen“, Bachelorarbeit, Nr. 1126.
2021
- „Analyse und Weiterentwicklung eines Pulsgenerators für künstliche neuronale Netze“.
- „Zeitbasierte Eingangsstufe für ladungsbasierte Sensorsysteme“.
- „Design und Charakterisierung von hocheffizienten und breitbandigen optischen Glasfaser-Chip-Schnittstellen“, Bachelorarbeit, Nr. 1100.
- „Entwurf eines Ausgangsnetzwerks für einen breitbandigen linearen Verstärker“.
- „Umsetzung eines Delta-Sigma-Algorithmus auf einem FPGA für die Mobilfunkkommunikation“.
- „Implementierung und Weiterentwicklung eines laufzeiteffizienten Systemmodells in Python/Tensorflow für ein analoges Neuron“, Masterarbeit, Nr. xxxx.
- „Entwicklung einer mehrkanaligen Ansteuerung für thermooptische Phasenschieber“, Bachelorarbeit, Nr. xxxx.
- „Einstufiger analoger 4-zu-1 Multiplexer für 200 GBd-Signale in Bipolartechnik“, Bachelorarbeit, Nr. 1096.
- „Untersuchung und Optimierung von Elektroden in Silizium-organisch-hybriden Mach-Zehnder-Modulatoren“, Bachelorarbeit, Nr. 1099.
- „Integrierter Entwurf einer Optoelektronischen Eingangsschaltung für einen Empfänger in Glasfasernetzwerken“, Masterarbeit.
- „Implementierung eines digitalen Pulsgenerators mit mehreren synchronen Kanälen für Echtzeitanwendungen auf Basis von Einplatinen-Hardware“.
- „Weiterentwicklung einer hardwarespezifischen Weiterentwicklung einer hardwarespezifischen KI-Bibliothek in Tensorflow für analoge künstliche neuronale Netze“, Bachelorarbeit, Nr. xxxx.
- „Chip-integrierte photonische Systeme zur Polarisations-Modulation und Analyse von Licht“.
- „Circuit Design of Key Components for an Analog-to-Digital Converter in Optical Communications“.
- „Implementierung eines elektrooptischen Messplatzes zur Charakterisierung von Mach-Zehnder-Modulatoren““.
- „Elektro-Optischer Zweimoden-Modulator basierend auf plasmonischer Wellenführung“.
- „Entwurf eines Quadraturtakt-Systems“, Bachelorarbeit, Nr. xxxx.
2020
- „Untersuchung von rückseitenbasierten optischen Glasfaser-chip-Schnittstellen“.
- „Charakterisierung von Raman- und Fluoreszenz-Effekten in Chip-integrierten Wellenleitern“.
- „Optische Bauelemente für die spektrale Signalanalyse in der Silizium-auf-Isolator-Plattform“.
- „Untersuchung und Design magnetisch gekoppelter integrierter Strukturen“.
- „Entwurf und Charakterisierung von Leiterplatten zum Aufbau eines Radar- ASICs in 22-nm-CMOS-Technologie“.
- „Entwurf und Vergleich von Schaltungen für die Taktaufbereitung“.
- „Rauschen und Nichtidealitäten in analogen neuronalen Netzwerken und ihr Einfluss auf die Korrektklassifikationsrate: Noise and non-idealities in analog neural networks and their influence on the correct classification rate“, Masterarbeit, Nr. 1080.
- „Effiziente Schaltung zur Übertragung von Ladung zwischen Kondensatoren“, Bachelorarbeit, Nr. 1076.
- „Untersuchung und Entwurf von Schutzkonzepten gegen elektrostatische Entladungen für CMOS-Schaltungen“.
- „Aufbau eines Laserversorgungsmoduls mit Stromquelle und Temperaturregelung“, Bachelorarbeit.
- „Optimierung integrierter optischer Bauelemente für die on-chip-Sensorik“, Nr. 1074.
- „Optimierung eines ADC-Frontends für einen 400 Gbit/s - Empfänger“, Masterarbeit, Nr. 1075.
- „System-Studie zur chip-integrierten Anregung und Analyse von Fluoreszenz-Effekten in Mikrofluidik-Kanälen“, Masterarbeit.
- „Entwicklung eines Daten-Simuators für einen Destiny+ Staubanalysator“.
- „Entwurf eines Systemmodells für ein analoges Mischsignalneuron“.
- „Quadraturtakterzeugung für einen Optoelektronischen Empfänger mit 100 GBaud“.
- „Entwicklung eines yearn-Simuators für einen Destiny+ Staubanalysator“, Masterarbeit, Nr. 1078.
- „HF-Schaltverstärker in FDSOI CMOS-Technologie“, Masterarbeit, Nr. 1082.
- „Minimierung des Rauschens von ESD Schutzschaltungen für Eingänge hoher Impedanz“, Bachelorarbeit, Nr. 1088.
- „Redesign einer FPGA-basierten Messumgebung mit hochbitratiger paralleler Schnittstelle“.
2019
- „Entwurf und Aufbau eines klirrarmen Sinusgenerators für das Fachpraktikum Schaltungstechnik“.
- „Implementierung einer Ansteuerung für einen schnellen Digital-Analog-Umsetzer mit 128 GSa/s Umsetzungsrate“.
- „Layout and Analysis of a 4-to-1 Analog Multiplexer in a 130nm SiGe BiCMOS Technology“, Studienarbeit, Nr. 1062.
- „Untersuchung von reichweitereduzierenden Effekten eines kohärent arbeitenden Laserentfernungsmesssystems“.
- „Portierung eines Entwurfs eines analogen 4-zu-1 Multiplexers in eine 130 nm BiCMOS Technologie“.
- „Layout Parasitics Study of a Track-and-Hold Amplifier with Switched Emitter Follower“.
- „Integrierte Wellenleiter-Fotodiode basierend auf laserkristallisierten Germaniumschichten“.
- „Untersuchung der Schaltungstopologie eines sparsamen Mischsignalneurons“.
- „Untersuchung von Schaltungstopologien für analoge Multiplexer“.
- „5-6 GHz 0.25 µm SiGe BiCMOS PA Design“.
- „Prototyp-Entwicklung eines On-Chip-Raman-Sensorik-Systems“.
- „Steuerung einer FPGA-basierten Messumgebung“.
- „Charakterisierung und Optimierung von Gitterkoppler-Arrays mit Rückseitenspiegeln“.
2018
- „Entwicklung eines logarithmischen Verstärkers mit mehr als 80 dB Dynamikumfang“, Bachelorarbeit, Nr. 1041.
- „Charakterisierung von Polymer-Deckschichten in integrierten Silizium-Hybrid-Modulatoren“
- „Physikalischer Entwurf eines schnellen CMOS-Rechenwerks für einen Analog-Digital-Umsetzer“
- „Design and Implementation of a DRP Component for Multi-Input and Multi-Output MMCM of Xilinx 7 Series and Virtex-6 FPGA“
- „Untersuchung und Entwurf von Schnittstellen und Schutzkonzepten gegen elektrostatische Entladungen für 28-nm-CMOS-Schaltungen“
- „Evaluation eines echtzeitfähigen digitalen Korrekturverfahrens für einen Analog/Digital-Umsetzer“
- „Optimierung einer automatischen Verstärkungsregelung in einer 130 nm CMOS-Technologie“, Forschungsarbeit, Nr. 1039.
- „Evaluation eines echtzeitfähigen digitalen Korrekturverfahrens für einen Analog/Digital-Umsetzer“, Bachelorarbeit, Nr. 1040.
- „Redesign of an LNA for 5 GHz to 6 GHz Band“
- „Auslegung von Multimoden-Interferometern für die spektrale Analyse optischer Signale“
- „Extrem rauscharmer Ladungsverstärker für schnellste Staubteilchen“
- „Redesign of an LNA for 5 GHz to 6 GHz Band“, Studienarbeit, Nr. 1051.
- „Operationsverstärkerschaltung zur Messung von Strömen im Nanoampere-Bereich“
- „Entwurf eines analogen 4:1-Multiplexers mit sehr hoher Bandbreite in einer 130 nm BiCMOS Technologie“
- „Integrierter polarisationsteilender Gitterkoppler mit festem Glasfaseranschluss“, Bachelorarbeit, Nr. 1054.
- „Entwurf einer FPGA-basierten Messumgebung für Chips mit hochbitratiger paralleler Schnittstelle“, Masterarbeit, Nr. 1059.
- „Optimierung einer automatischen Verstärkungsregelung in einer 130 nm CMOS-Technologie“
- „Simulation von Sub-Wellenlängen-Wellenleitern“, Bachelorarbeit, Nr. 1052.
- „Entwurf und Optimierung eines rücksetzbaren, strahlungsharten Taktteilers mit Fehlerdetektion und zugehörigen Komponenten“, Bachelorarbeit, Nr. 1044.
- „Operationsverstärkerschaltung zur Messung von Strömen im Nanoampere-Bereich“, Forschungsarbeit, Nr. 1042.
- „Design of a High-Speed Clock Regeneration Circuit for a 128 GS/s Analog Demultiplexer“
- „Entwurf und Optimierung eines rücksetzbaren, strahlungsharten Taktteilers mit Fehlerdetektion und zugehörigen Komponenten“
- „Integration von Laserdioden in integriert-optische Systeme“
- „Entwurf eines analogen 4:1-Multiplexers mit sehr hoher Bandbreite in einer 130 nm BiCMOS Technologie“, Forschungsarbeit, Nr. 1047.
- „Untersuchung und Entwurf von Schnittstellen und Schutzkonzepten gegen elektrostatische Entladungen für 28-nm-CMOS-Schaltungen“, Bachelorarbeit, Nr. 1045.
- „Extrem rauscharmer Ladungsverstärker für schnellste Staubteilchen“, Forschungsarbeit, Nr. 1043.
- „Entwicklung eines logarithmischen Verstärkers mit mehr als 80 dB Dynamikumfang“
2017
- „Entwurf eines limitierenden Verstärkers für 27 MHz in einer 130 nm CMOS Technologie“, Bachelorarbeit, Nr. 1030.
- „Bandbreitenoptimierung von Gitterkopplern“, Forschungsarbeit, Nr. 1015.
- „Studie zu einem rauscharmen Ladungsverstärker mit anpassbarer Eingangsstufe“, Forschungsarbeit, Nr. 1036.
- „Laserkristallisation von Germanium für Infrarot-Fotodioden“, Forschungsarbeit, Nr. 1037.
- „Entwurf analoger Schaltungskomponenten für einen Faltungs- und Interpolations-Analog/Digital-Umsetzer“, Masterarbeit, Nr. 1022.
Weitere Informationen zu Bachelor-, Forschungs- und Masterarbeiten
Markus Grözing
Dr.-Ing.Arbeitsgruppenleiter IC-Entwurf