Fraunhofer-Institut für Elektronische Mikrosysteme und Festkörper-Technologien EMFTVon IoT-Geräten bis hin zu Hochleistungsrechnern – zuverlässige Referenzschaltungen sind für jeden System-on-Chip unverzichtbar. Mit der fortschreitenden Skalierung moderner Halbleitertechnologien wird der Entwurf robuster Referenzen zunehmend anspruchsvoller: Sinkende Versorgungsspannungen, veränderte Bauelementeigenschaften und wachsendes digitales Rauschen stellen Designer vor neue Herausforderungen. Am Fraunhofer EMFT entwickeln wir spezialisierte Referenzlösungen für anspruchsvolle SoC-Umgebungen – von klassischen Bandgap-Architekturen bis hin zu innovativen MOS-basierten Konzepten für ultraniedrige Versorgungsspannungen, die selbst unter schwierigen Bedingungen einen stabilen Betrieb gewährleisten.
Stabile Spannungsreferenz für SoC (System on a Chip)
Integrierte Schaltung auf einem System-on-Chip (SoC), das den Prozessor und Speicher vereint
Referenzschaltungen für fortschrittliche SoC-Technologien
Moderne SoCs arbeiten häufig mit Versorgungsspannungen unter 1 V – ein Bereich, in dem konventionelle Referenzschaltungen an ihre Grenzen stoßen und neue Designkonzepte erforderlich werden. Am Fraunhofer EMFT entwickeln wir innovative Referenzarchitekturen, die diese Herausforderungen meistern.
Ein Beispiel ist eine gepufferte Spannungsreferenz, die auf der Schwellspannungsdifferenz von MOS-Transistoren basiert. Dieses Konzept wurde von Matthias Eberlein auf der IEEE Custom Integrated Circuits Conference 2025 vorgestellt.
- Supply Ultra-Compact Voltage Reference Exploiting MOS Threshold Correlations (publica.fraunhofer.de)
Kryogene Referenzschaltungen für Quantentechnologien
Unsere Forschung umfasst auch Referenzarchitekturen für kryogene Elektronik. Basierend auf einem ähnlichen Designkonzept hat das Fraunhofer EMFT eine Referenzschaltung entwickelt, die bei Temperaturen bis hinab zu 4 K zuverlässig arbeitet. Das Design liefert eine Referenzausgangsspannung von 300 mV bei einer Versorgungsspannung von nur 0,66 V und erreicht dabei einen Temperaturkoeffizienten von 82 ppm/K. Solche Schaltungen sind hochrelevant für Quantencomputing und andere kryogene elektronische Systeme, in denen zuverlässige Referenzsignale unverzichtbar sind – bislang wurden jedoch nur wenige geeignete Referenzarchitekturen für diesen Einsatzbereich veröffentlicht.
Ein neuer Ansatz: Ofenstabilisierte Referenzen (OCR)
Hochpräzise Referenzen gehen weit über klassische Spannungs- und Stromquellen hinaus. Sie sind in zahlreichen Bereichen analoger und Mixed-Signal-Schaltungen unverzichtbar:
- Spannungs- und Stromreferenzen für Arbeitspunkteinstellung und Signalkonditionierung
- Frequenz- und Zeitreferenzen für die Synchronisation
- Temperatursensoren für das Thermomanagement
- Leistungsparameter (Verstärkung, Empfindlichkeit u. a.) für die Systemkalibrierung
Stabilität und Genauigkeit über all diese unterschiedlichen Referenztypen hinweg zu gewährleisten, bleibt eine zentrale Herausforderung. Anstatt ausschließlich auf klassische Kompensationstechniken zu setzen, verfolgt das Fraunhofer EMFT einen neuartigen Ansatz: vollständig integrierte, ofenstabilisierte Referenzen. Dabei stabilisiert ein miniaturisierter On-Chip-Mikro-Ofen die Temperatur der Referenzschaltung lokal. Ein kompakter Regelkreis aus Heizelement und Temperaturmesselektronik hält den Arbeitspunkt konstant. Dieses Verfahren kann eine Stabilität im ppm-Bereich für kritische Referenzsignale ermöglichen – ohne aufwendige Mehrpunktkalibrierung.
Das Mikro-Ofen-Konzept ist derzeit ein aktives Forschungsthema am Fraunhofer EMFT und stellt eine vielversprechende neue Richtung für ultrastabile integrierte Referenzen dar.
On-chip thermal control system for high-precision references