Methoden zur Verbesserung der Funktionsstabilität digitaler Elektronik mit niedriger Schaltenergie
von Olaf WetzsteinDie vorliegende Dissertation ist ein Beitrag zur Automatisierung des Schaltungsentwurfs für Elektroniktechnologien mit sehr niedriger Schaltenergie. Sie behandelt die Stabilitätssteigerung von Einzelflussquanten-Schaltungen (engl. Rapid Single Flux Quantum — RSFQ) auf der Grundlage neuer Entwurfswerkzeuge und Schaltungstopologien. Zwar erfolgt die Demonstration der Konzepte am Beispiel von RSFQ-Schaltungen, sie sind jedoch auf jede andere digitale Elektronik übertragbar. Zukünftige Entwicklungen, in denen der Energieverbrauch das entscheidende Entwurfskriterium ist, profitieren von diesen neuen Entwurfswerkzeugen. Schwerpunkt der Arbeit ist die Analyse thermischer Rauscheinflüsse auf die Zuverlässigkeit von empfindlichen Schaltungen. Mit Hilfe einer analytischen Beschreibung wird der Rauscheinfluss quantifiziert und auf dieser Basis die Schaltungsstabilität bewertet. Mit dieser Methode wird erstmals der Zusammenhang zwischen der Topologie einer bestimmten Schaltung und deren Rauschstabilität evaluiert. Die Untersuchungen zeigen, dass ein symmetrischer Schaltungsaufbau eine deutliche Verbesserung der Schaltungsrobustheit sowohl gegenüber Rauscheinflüssen als auch gegenüber herstellungsbedingten Parameterstreuungen zur Folge hat. Zur Realisierung solcher Entwürfe sind Phasenschieberelemente (wie zum Beispiel π-Kontakte) erforderlich, deren technologische Grundlagen in den vergangenen Jahren entwickelt wurden. Die notwendigen Schritte zur Implementierung dieser neuen Bauelemente in die RSFQ-Elektronik sind ausführlich in der Arbeit beschrieben und die prognostizierten Verbesserungen experimentell belegt.
