Methoden zur Verbesserung der Funktionsstabilität digitaler Elektronik mit niedriger Schaltenergie

This thesis is a contribution to automate electronic circuit design for technologies dealing with low switching energy.The intention is to increase the stability of Rapid Single Flux Quantum (RSFQ) circuits. In order to achieve this goal, new design tools are introduced and innovative circuit topologies are implemented.The concepts that have been elaborated are demonstrated using RSFQ circuits, but they are valid for any other digital electronics.Future developments with main focus on power efficiency will take advantage of these new concepts and design tools.The aim of this work is to analyze the influences of thermal noise on the reliability of sensitive electronics.By means of an analytic description, the influence of thermal noise is classified. Based on this estimation the stability of circuits is evaluated. This approach of correlating the topology of a circuit with its immunity to thermal noise is unique so far.The results of the analysis demonstrate that using a symmetric circuit topology significantly improves the circuit's robustness against both the influence of thermal noise and parameter spread caused by the fabrication process. In order to realize symmetric circuits, phase-shifting-elements such as pi-junctions become important.The technology that permits the fabrication of phase-shifting-elements has been developed during the recent years.The essential work flow which is necessary to implement these elements into RSFQ electronics is presented in detail in this work. The predicted improvements are experimentally proved.Die 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 Entwurfswerkzeugeund 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 herstellungsbedingtenParameterstreuungen zur Folge hat. Zur Realisierung solcher Entwürfe sind Phasenschieberelemente (wie zum Beispiel Pi-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 prognostiziertenVerbesserungen experimentell belegt.Im Buchhandel erhältlich: Methoden zur Verbesserung der Funktionsstabilität digitaler Elektronik mit niedriger Schaltenergie / Wetzstein, Olaf Ilmenau : Isle, 2011. -124 S. ISBN 978-3-938843-63-5 Forschungsberichte aus dem Institut für Informationstechnik // Technische Universität Ilmenau ; 1