Silicon carbide (SiC) integrated circuits (ICs) can enable the emergence of robust and reliable systems, including data acquisition and on-site control for extreme environments with high temperature and high radiation such as deep earth drilling, space and aviation, electric and hybrid vehicles, and combustion engines. In particular, SiC ICs provide significant benefit by reducing power dissipation and leakage current at temperatures above 300 °C compared to the Si counterpart. In fact, Si-based ICs have a limited maximum operating temperature which is around 300 °C for silicon on insulator (SOI). Owing to its superior material properties such as wide bandgap, three times larger than Silicon, and low intrinsic carrier concentration, SiC is an excellent candidate for high-temperature applications. In this thesis, analog and mixed-signal circuits have been implemented using SiC bipolar technology, including bandgap references, amplifiers, a master-slave comparator, an 8-bit R-2R ladder-based digital-to-analog converter (DAC), a 4-bit flash analog-to-digital converter (ADC), and a 10-bit successive-approximation-register (SAR) ADC. Spice models were developed at binned temperature points from room temperature to 500 °C, to simulate and predict the circuits’ behavior with temperature variation. The high-temperature performance of the fabricated chips has been investigated and verified over a wide temperature range from 25 °C to 500 °C. A stable gain of 39 dB was measured in the temperature range from 25 °C up to 500 °C for the inverting operational amplifier with ideal closed-loop gain of 40 dB. Although the circuit design in an immature SiC bipolar technology is challenging due to the low current gain of the transistors and lack of complete AC models, various circuit techniques have been applied to mitigate these problems. This thesis details the challenges faced and methods employed for device modeling, integrated circuit design, layout implementation and finally performance verification using on-wafer characterization of the fabricated SiC ICs over a wide temperature range. / <p>QC 20170905</p>

With the explosive development of wireless communication systems the specifications of the supporting hardware platforms have become more and more demanding. According to the long term goals of the industry, future communications systems should integrate a wide variety of standards. This leads to the idea of software defined radio, implemented on fully reconfigurable hardware.Among other reconfigurable hardware blocks, suitable for the software radio concept, an outstanding importance belongs to the reconfigurable filters that are responsible for the selectivity of the system. The problematic of filtering is strictly connected to the architecture chosen for a multi-mode receiver realization. According to the chosen architecture, the filters can exhibit low pass or band pass frequency responses.The idea of reconfigurable frequency parameters has been introduced since the beginning of modern filtering applications due to the required precision of the frequency response. However, the reconfiguration of the parameters was usually done in a limited range around ideal values. The purpose of the presented research is to transform the classical filter structures with simple self-correction into fully reconfigurable filters over a wide range of frequencies. The ideal variation of the frequency parameters is continuous and consequently difficult to implement in real circuits. Therefore, it is usually sufficient to use a discrete programming template with reasonably small steps.There are several methods to implement variable frequency parameters. The most often used programming templates employ resistor and capacitor arrays, switched according to a given code. The low pass filter implementation proposed in this work uses a special switching template, optimized for a quasi-linear frequency variation over logarithmic axes. The template also includes the possibility to compensate errors caused by component tolerances and temperature. Another important topic concerns the implementation of programmable band pass filters, suitable for IF sampling receivers. The discussion is centered on the feasibility and the flexibility of different band pass filter architectures. Due to the high frequency requirements, the emphasis lays on filters that employ transconductance amplifiers and capacitors. / Die rasch fortschreitende Entwicklung drahtloser Kommunikationssysteme führt zu immer anspruchsvolleren Spezifikationen der diese Systeme unterstützenden Hardwareplattformen. Zukünftige Kommunikationssysteme sollen übereinstimmend mit den längerfristigen Zielen der Industrie verschiedene Standards integrieren. Dies führt zu der Idee von vollständig rekonfigurierbarer Hardware, welche mittels Software gesteuert wird.Inmitten anderer rekonfigurierbarer Hardwareblöcke, die für das Software Radio Konzept geeignet sind, besitzen die steuerbaren Filter, welche wesentlichen Einfluss auf die Selektivität des Systems haben, eine enorme Bedeutung. Die Filterproblematik ist eng mit der gewählten Architektur der standardübergreifenden Empfängerrealisierung verknüpft. Die Filter können entsprechend der ausgesuchten Architektur Tiefpass- oder Bandpasscharakter annehmen.Die Idee rekonfigurierbarer Frequenzparameter wurde bereits mit Beginn moderner Filteranwendungen auf Grund geforderter Frequenzganggenauigkeit umgesetzt. Jedoch wurde die Parameterrekonfiguration üblicherweise nur in einem begrenzten Bereich um die Idealwerte herum vorgenommen. Das Ziel der vorgestellten Forschungsarbeit ist es, diese klassischen Filterstrukturen mit einfacher Selbstkorrektur in über große Frequenzbereiche voll rekonfigurierbare Filter zu transformieren. Idealerweise werden die Frequenzparameter kontinuierlich variiert weswegen sich die Implementierung in reellen Schaltkreisen als schwierig erweist. Deshalb ist es üblicherweise ausreichend, ein diskretes Steuerschema mit kleinen Schrittweiten zu verwenden.Es gibt verschiedene Methoden, variable Frequenzparameter zu implementieren. Die meisten Schemata verwenden Widerstands- und Kondensatorfelder, die entsprechend eines Kodes geschaltet werden. Die in dieser Arbeit vorgestellte Implementierung eines Tiefpassfilters nutzt ein spezielles Umschaltschema, welches für die quasi-lineare Frequenzvariation bei Darstellung über logarithmischen Axen optimiert wurde. Es beinhaltet weiterhin die Möglichkeit, Fehler zu kompensieren, die durch Bauelementtoleranzen und Temperaturschwankungen hervorgerufen werden.Ein weiteres interessantes Thema betrifft die Implementierung steuerbarer Bandpassfilter, die für Empfänger mit Zwischenfrequenzabtastung geeignet sind. Die Betrachtung beschränkt sich hierbei auf die Durchführbarkeit und Flexibilität verschiedener Bandpassfilterarchitekturen. Auf Grund hoher Frequenzanforderungen liegt der Schwerpunkt auf Filtern, die auf Transkonduktanzverstärkern und Kondensatoren basieren.