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Als Studienarbeit hatte ich die Aufgabe einen schnellen integrierten Komparator zu entwerfen. Dieser wurde für einen Schaltkreis zur parallelen Ansteuerung von IGBTs benötigt. 

Erstmalig hatte ich mit integriertem Schaltungsentwurf zu tun und musste mich in dieses Gebiet einarbeiten. Eine sehr starke Unterstützung erfuhr ich hierbei durch Sascha Pawel. Er zeigte mir sämtliche Tools, half und erklärte. Ich hätte mir keine bessere Anleitung und Unterstützung zur Bewältigung dieser Aufgabe wünschen können. Wenn möglich hatte er immer Zeit, auch wenn es sich mal "nur" um ein motivierendes Gespräch handelte. Ich möchte ihm hier einfach noch mal DANKE sagen!

Da ein High-Speed-Komparator entworfen werden sollte, schaute ich erst mal bei kommerziellen Herstellern nach, wie schnell "High-Speed" ist. Einer der schnellsten verfügbarer Chips war damals der MAX961 von Maxim. Er versprach ein Propagation-Delay von 4,8ns. Um sicher zu gehen, dass derartige Werte auch wirklich erreichbar sind entwarf ich eine kleine Leiterplatte und testete den Chip. - Die versprochenen 4,8ns wurden gehalten.

Eine Literaturrecherche ergab, dass das erfolgversprechendste Konzept eine "strobed-Flip-Flop"-Schaltung ist. Bei einer solchen Schaltung werden, wie linksseitig im Blockschaltbild angedeutet, die Eingänge eines Flip-Flop von einem Differenzverstärker angesteuert. Das Flip-Flop wird getaktet betrieben und fällt, abhängig von seinen Eingängen, in die eine oder andere Richtung.

Entsprechend habe ich die integrierte Schaltung für ein 2mm Technologie dimensioniert und simuliert. Außer dem hier gezeigten Komparatorteil waren allerdings noch andere Schaltungsteil notwendig, wie z.B. eine Auffangschaltung, digitale Ansteuerlogik sowie ein RC-Oszillator. Bei der Dimensionierung habe ich eine Taktfrequenz von 33MHz gewählt, was einem Propagation Delay von 30ns entspricht. Laut Simulation hätte die Schaltung schneller getaktet werden können, aber ein derartiges Design hätte die Unsicherheit mit sich gebracht, dass die Schaltung letztlich gar nicht funktioniert. 

Auf jedem Fall habe ich eine ganze Menge über integrierte Schaltungstechnik gelernt. Dieses Wissen konnte ich in meiner Diplomarbeit anschließend 1:1 verwenden.

Weil es interessant aussieht möchte ich hier kurz darstellen wie integrierte Bauelemente im Layout aussehen. Im Prinzip malt man bei layouten lauter Rechtecke und Polygone. Dabei muss man die verwendeten Ebenen (Dotierwannen, Kontaktlöcher, Leitbahnen, ... usw.) sowie deren Mindestabstände im Kopf haben. Die verwendete Software checkt zum Schluss, ob man alle Abstände eingehalten und keine Kurzschlüsse gemacht hat.

So sehen integrierte Bauelemente im Layout aus:

Mäanderwiderstand aus Polysilizium                          NMOS-Transistor               MOS-Kondensator

Layout und Chipfoto der Komparatorstufe

Wenn das Layout fertig gezeichnet ist, dann wird es von einem Programm "zurückerkannt". Hierbei versucht es aus den geometrischen Strukturen die Bauelement wiederzuerkennen und die Schaltung zu rekonstruieren. Als Ergebnis kommt eine sogenannte Netzliste heraus, welche der elektrischen Schaltung des Layouts entspricht. Diese Netzliste besteht jetzt allerdings aus mehr Bauelementen, da z.B. jede Leitung gleichzeitig einen Kondensator darstellt. Diese "Parasiten" könne beachtlichen Einfluss auf die Funktion der Schaltung haben. Daher wird die Schaltung mit dieser Netzliste noch einmal simuliert und ggf. geändert.

Der Testchip hatte nach Abschluss meiner Arbeit Fabout und vermessen. Die Messergebnisse erfüllten die Erwartungen. Die Studienarbeit wurde mit 1,3 bewertet.

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