Noise-induced jitter and decision errors in rapid single flux quantum electronics

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung und Minimierung des Einflusses von Rauschen auf das elektrische Verhalten nichtlinearer Netzwerke am Beispiel der Einzelflussquantenelektronik (engl. rapid single flux quantum; RSFQ). Als Quantenelektronik mit Schaltenergien unterhalb von einem Attojoule weist die RSFQ Elektronik ein sehr niedriges Signal-Rausch-Verhältnis auf. Durch den Trend hin zu immer niedrigeren Versorgungsspannungen werden solch geringe Signal-Rausch-Verhältnisse in Zunkunft auch in der Halbleiter-Schaltungstechnik auftreten. Der geringe Energieverbrauch für Logikoperationen machen RSFQ-Schaltung zum idealen Kandidaten für Hochleistungsrechner. Im Unterschied zur konventionellen Digitalelektronik wird die Information nicht durch Spannungspegel, sondern durch Spannungsimpulse kodiert. Hauptgegenstand der Arbeit ist das Studium des Einflusses des thermischen Rauschens auf das Zeit- und Schaltverhalten von Grundelementen der supraleitenden RSFQ-Elektronik. Mit Taktraten die jenseits von 100GHz liegen führen die statistischen Eigenschaften der Signalübertragungszeit, wobei der sogenannte Jitter die größte Bedeutung hat, zu nicht unerheblichen Konsequenzen im Entwurfsprozess. Das oben erwähnte Signal-Rausch-Verhältnis beeinflusst maßgeblich das Schaltverhalten, das eng mit der Entscheidungsunschärfe von Komparatoren in Zusammenhang steht. Um ein Verständnis für rauschinduziertes Fehlverhalten zu entwickeln, werden zunächst Möglichkeiten vorgestellt und zum Teil selbst entwickelt, wie man Jitter und Entscheidungsunschärfe quantifizieren kann. Mit Hilfe von Schaltkreissimulationen werden dann anhand von konkreten Schaltungen Entwurfsrichtlinien abgeleitet, die die Auswirkungen des thermischen Rauschens begrenzen. Insbesondere für die Entscheidungsunschärfe von Komparatoren wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen durchgeführt, die die Entwurfsempfehlungen untermauern. Das Wissen über Jitter und Entscheidungsunschärfe wird dann zur Dimensionierung des Zeitverhaltens eines Schieberegisters, das zur Datenspeicherung benutzt wird, angewandt. Zumindest gegenüber thermischem Rauschen weist die entworfene Schaltung eine erhöhte Unempfindlichkeit auf. Die vorgeschlagene Entwurfsmethodik erfordert lediglich einen gewöhnlichen Schaltkreissimulator mit der Fähigkeit Rauschen im Zeitbereich zu simulieren. In Verbindung mit den abgeleiteten Entwurfsrichtlinien stellt dies ein Alleinstellungsmerkmal im Vergleich mit vorangegangenen Arbeiten dar. Das wichtigste Ergebnis ist eine neue experimentell verifizierte Komparatortopologie, welche die bisherig verwendete Topologie hinsichtlich ihrer Entscheidungssicherheit überbietet und die möglicherweise von großer Bedeutung für Schaltungen mit Komparatorstrukturen sein wird.