ITMI20120640A1 - Amplificatore a trans-impedenza per interfaccia ottico-elettrica ad alta velocità - Google Patents

Description

AMPLIFICATORE A TRANS-IMPEDENZA PER INTERFACCIA OTTICO-

ELETTRICA AD ALTA VELOCITA’

CAMPO TECNICO

Interfacce ottico-elettriche (O-E) per comunicazioni ad alta velocità, particolarmente adatte per applicazioni fotoniche su silicio.

DISCUSSIONE DELL’ARTE NOTA

Interfacce ottico-elettriche (O-E) sono usate in sistemi di comunicazione ad alta velocità per convertire un segnale di luce incidente in un segnale elettrico. Tipicamente, l’interfaccia O-E à ̈ costituita da un fotodiodo (PD) che converte la luce incidente in una corrente e un amplificatore a trans-impedenza (TIA) che converte la fotocorrente in una tensione d’ampiezza sufficiente per essere elaborata da stadi elettronici successivi. In generale, il TIA à ̈ seguito da stadi di ulteriore amplificazione fino a raggiungere il livello di uscita desiderato per pilotare correttamente il carico all’uscita.

Il TIA rappresenta il blocco circuitale più critico nelle applicazioni ad alta “data rate†(DR) in quanto deve assicurare un’ampia larghezza di banda analogica (BW) per non degradare l’interferenza intersimbolica (ISI) del flusso di dati (bit stream) in ricezione, ma allo stesso tempo, deve possedere un guadagno sufficientemente grande per fornire in uscita una tensione adeguata per gli stadi che seguono e deve mantenere un basso livello integrato di rumore in uscita per non degradare il rapporto segnalerumore (SNR) complessivo il quale ha un diretto impatto sulla cosiddetta Bit Error Rate (BER) in uscita.

Due architetture TIA sono tipicamente usate, l’architettura a feed-back o ad anello chiuso e l’architettura ad anello aperto.

L’architettura a feed-back fa uso di uno stadio amplificante retroazionato in configurazione invertente e alimentato in ingresso dalla fotocorrente iPDdel fotodiodo (PD) (Fig. 1a) e dove l’impedenza di feedback ZT stabilisce il guadagno di transimpedenza desiderato.

L’architettura ad anello aperto stabilisce il guadagno di trans-impedenza desiderato iniettando la fotocorrente direttamente su un’impedenza ZTe usa un amplificatore ad anello aperto per aumentare il livello di tensione fino a quello desiderato (Fig. 1(b)).

L’architettura feedback à ̈ generalmente preferita in presenza di grandi capacità di ingresso poiché, per una data sensibilità di ingresso e una data BER all’uscita, offre una larghezza di banda BW più elevata; il vantaggio in termine di larghezza di banda dipende direttamente dal guadagno A dello stadio amplificante (per esempio questo vantaggio può essere quantificato con fattore sqrt(A+1) secondo il modello più semplice che presume una larghezza di banda infinita e un’impedenza di uscita nulla dello stadio amplificante). Questo vantaggio à ̈ ottenuto a spese di una architettura circuitale più complessa e che intrinsecamente dissipa una maggiore potenza e che à ̈ soggetta a problematiche di non idealità e di stabilità. Questi effetti diventano sempre più critici all’aumentare del data rate (tipicamente al di sopra di 10Ggps) a causa di effetti parassitici alle alte frequenze. Inoltre, a frequenze nel campo di decine di GHz à ̈ generalmente difficile ottenere un grande guadagno A, specialmente in amplificatori a bassa tensione di alimentazione e ciò riduce fino ad annullare i vantaggi di una architettura a feedback.

Per estendere il data rate oltre 10Gbps, vengono tipicamente utilizzate tecniche di equalizzazione e particolarmente di equalizzazione “feed-forward†basate sul meccanismo di “peaking†induttivo [Mohan 2000]. Lo scopo di queste tecniche à ̈ di allargare la BW dello stadio amplificante, enfatizzando specifiche componenti di frequenza del segnale ricevuto (tipicamente le componenti di alta frequenza) mantenendo immodificate le altre componenti spettrali. Dipendentemente dalla quantità di equalizzazione richiesta, questa operazione può essere o concentrata in un singolo stadio (tipicamente nel TIA) o distribuita su diversi stadi della catena del ricevitore. Nella maggior parte delle applicazioni si richiede un’equalizzazione programmabile per assicurare un funzionamento appropriato e/o prestazioni uniformi al variare di parametri di processo, di tensione e di temperatura (PVT).

Fig. 1(a) e (b) mostra tipiche topologie circuitali TIA con collegamento “singleended†al fotodiodo PD. Tuttavia una topologia differenziale à ̈ stata recentemente proposta ed applicata ad un’architettura TIA ad anello aperto (Fig.2) [Kucharsky 2010].

Questa topologia circuitale à ̈ particolarmente adatta ad applicazioni fotoniche su silicio. Infatti queste applicazioni possono utilizzare un fotodiodo in guida d’onda bilanciata, integrato sullo stesso substrato di silicio dei circuiti elettronici (oppure su un substrato di silicio separato, simile a quello usato per i circuiti elettronici integrati). Una topologia circuitale differenziale offre intrinsecamente due vantaggi rispetto ad una topologia “single-ended†. Un SNR migliore di 3dB e una più alta reiezione del rumore delle alimentazioni. La topologia proposta [Kucharsky 2010] implementa la desiderata trans-resistenza usando due resistori identici RTPD, collegate rispettivamente ai nodi VPD+ e VPD- così da polarizzare adeguatamente il fotodiodo, e accoppiate in AC allo stadio seguente, come uno strato in Fig.2, per consentire una polarizzazione appropriata dello stadio (tipicamente realizzato come una coppia differenziale di transistori). Tuttavia questa topologia circuitale incontra intrinseci limiti che vengono descritti qui di seguito, specialmente quando utilizzata in applicazioni ad alta DR.

1) Anche se la topologia à ̈ differenziale, la fotocorrente generata dal fotodiodo à ̈ forzata su un percorso single-ended attraverso le due trans-resistenze RTPDprima di essere convertita in una tensione differenziale. Ciò à ̈ indesiderabile a frequenze nel campo delle decine di GHz dato che il percorso tra i nodi VPD+ e VPD- à ̈ generalmente un buon corto circuito soltanto a basse frequenze ma non à ̈ ben caratterizzabile a frequenze nel campo delle decine di GHz, alle quali tale effetto può essere modellizzato da due impedenze ZPD1,2in serie alle trans-impedenze RTPD, come mostrato in Fig. 3.

2) Qualsiasi rumore indesiderato accoppiato ai nodi di alimentazione del fotodiodo possono degradare significativamente le prestazioni jitter all’uscita del TIA.

3) Qualsiasi asimmetria tra i valori delle due impedenze ZPD1,2modifica il comportamento del circuito, allontanandolo da quello idealmente bilanciato.

4) Nel caso in cui il fotodiodo non sia integrato sullo stesso substrato del TIA, questa topologia circuitale soffre per le capacità parassite aggiunte all’anodo/e al catodo del fotodiodo dalle interconnessioni tra lo stesso fotodiodo e l’ingresso del TIA. In particolare questa topologia non permette una semplice realizzazione di protezioni ESD (che possono essere richieste se il fotodiodo non à ̈ integrato sullo stesso chip del TIA), senza penalizzare il BW.

5) I problemi esposti al punto 4) sono difficili da risolvere con questa topologia circuitale nell’implementare un’operazione di equalizzazione programmabile associata alla funzione di trans-impedenza. Pertanto l’operazione di equalizzazione deve essere effettuata nello stadio di amplificazione che segue il TIA. La ragione à ̈ che ogni peaking programmabile richiede l’uso di componenti attivi che sono inevitabilmente polarizzati asimmetricamente per la connessione asimmetrica di RTPDrispettivamente a VPD+ e VPD-: per esempio in una realizzazione CMOS obbliga all’uso di transistori PMOS in un ramo e di NMOS nell’altro ramo, fatto che a sua volta porta a più ampi “mismatches†tra i due rami, specialmente in relazione a variazioni PVT.

OBIETTIVI E SOMMARIO DELL’INVENZIONE

Un obiettivo dei richiedenti à ̈ stato di trovare rimedi ai sopra indicati problemi e limitazioni di TIA ad anello aperto aventi una topologia circuitale differenziale o pseudo-differenziale.

La semplice e sorprendentemente efficace soluzione trovata dai richiedenti à ̈ oggetto della presente domanda.

La nuova topologia circuitale di un amplificatore differenziale a trans-impedenze trovata dai richiedenti preserva tutti i vantaggi di una topologia differenziale classica, così come rappresentata nei diagrammi circuitali dell’arte nota di Fig.2 e Fig.3, mentre efficacemente supera gli inconvenienti sopra discussi che si manifestano marcatamente in applicazioni ad alta data rate (DR). Uno specifico vantaggio del trovato à ̈ che le prestazioni risultano molto stabili rispetto a variazioni di parametri di funzionamento quali i parametri PVT.

Fondamentalmente il nuovo amplificatore differenziale a trans-impedenza qui descritto si basa sull’impiego di trans-resistenze collegate tra i nodi di ingresso di un primo amplificatore differenziale per implementare un amplificatore differenziale a trans-impedenza in maniera sostanzialmente differenziale e a due resistenze identiche di polarizzazione (RPD-RPD) ciascuna collegata tra un terminale del fotodiodo e la rispettiva linea di tensione DC di un comune circuito di polarizzazione del fotodiodo, atte a invertire la polarizzazione del fotodiodo; le resistenze di polarizzazione essendo di valore molto più grande delle resistenze in modo da evitare l’assorbimento di una significativa corrente di segnale dal fotodiodo.

L’invenzione à ̈ chiaramente definita nelle annesse rivendicazioni, il contenuto delle quali si intende far parte di questa descrizione e qui espressamente incorporato.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Fig. 1 mostra un tipico TIA: (a) in una configurazione feedback; (b) in configurazione ad anello aperto.

Fig. 2 mostra un TIA in configurazione ad anello aperto e con una topologia circuitale differenziale.

Fig. 3 mostra una forma di realizzazione in cui sono evidenziate impedenze in serie non ben caratterizzabili esistenti nel circuito di polarizzazione di PD di un TIA differenziale in configurazione ad anello aperto.

Fig. 4 mostra la topologia circuitale base del nuovo TIA differenziale ad anello aperto dell’invenzione.

Fig. 5 mostra un’alternativa f0orma esemplificativa del circuito del TIA differenziale in configurazione ad anello aperto dell’invenzione.

DESCRIZIONE DI ALCUNE FORME DI REALIZZAZIONE DELL’INVENZIONE Una forma esemplificativa di realizzazione di un TIA differenziale ad anello aperto à ̈ mostrato dallo schema di principio della Fig.4

Rispetto alla topologia circuitale nota di Fig. 3, il circuito di polarizzazione del fotodiodo PD à ̈ sostanzialmente disaccoppiato dall’amplificatore a trans-resistenza.

I due resistori di valore elevato (RPD>>RT) collegati rispettivamente ai nodi di polarizzazione del fotodiodo: VPD+ e VPD- invertono la polarizzazione del fotodiodo senza assorbire alcuna corrente di segnale significativa (cioà ̈ senza degradare il guadagno trans-resistenza dell’amplificatore).

Accoppiamento AC alla circuiteria di amplificazione che segue in cascata all’amplificatore TIA assicura un’appropriata polarizzazione dello stadio che segue (implementato tipicamente con una coppia differenziale di transistori di ingresso).

La funzione di trans-impedenza à ̈ così implementata in modo pienamente differenziale mediante le trans-resistenze 2RTcollegate rispettivamente tra i nodi di ingresso dell’amplificatore differenziale.

Secondo la forma alternativa di realizzazione mostrata in Fig. 5, in serie alle due trans-resistenze RTsono aggiunti induttori di “picking†L1allo scopo di aumentare la larghezza di banda DW.

Le caratteristiche peculiari del nuovo TIA differenziale in configurazione ad anello aperto dell’invenzione sono descritte qui sotto.

1. Nella nuova topologia circuitale pienamente differenziale la fotocorrente generata dal fotodiodo non incontra alcun percorso di segnale “single-ended†bensì segue un percorso differenziale anche attraverso le due trans-resistenze RT, prima di essere convertita in una tensione differenziale. Ciò à ̈ di fondamentale importanza a frequenze nel campo delle decine di GHz per forzare la corrente a passare esclusivamente attraverso percorsi ben caratterizzati. Allo stesso tempo questa caratteristica del nuovo circuito riduce la sensibilità del ricevitore al rumore di alimentazione del fotodiodo.

2. Qualsiasi asimmetria tra i valori delle due resistenze RTha trascurabile influenza sul comportamento bilanciato del circuito poiché le due trans-resistenze RTsono in serie tra loro su un percorso differenziale.

3. Mediante accesso diretto al nodo intermedio delle trans-resistenze 2 RT(o 2 RT+ L1), cioà ̈ ad un “tap†centrale, la nuova topologia circuitale TIA consente un’implementazione estremamente semplificata di eventuali ESD, generalmente richieste nel caso in cui il fotodiodo non sia integrato sullo stesso chip del circuito TIA. Questo à ̈ ottenuto senza penalizzare la larghezza di banda BW, dato che l punto centrale tra le trans-impedenze à ̈ un nodo di modo comune e così può essere caricato da una capacità arbitrariamente grande senza alcun impatto sulla BW del segnale differenziale.

3.1 Un tap centrale può anche essere vantaggiosamente utilizzato per polarizzare lo stadio di ingresso del successivo stadio di amplificazione, per esempio la coppia differenziale di ingresso (o coppia pseudo-differenziale di ingresso) di transistori dello stadio che segue.

3.2. Non sussiste più la necessità di impiegare induttori differenziali, l’induttore L1può persino essere diviso in due induttori separati e le posizioni relative delle resistenze e induttori nel ramo RT-L1- RTpossono essere interscambiate.

4. L’operazione di equalizzazione programmabile può essere effettuata simultaneamente alla funzione di trans-impedenza combinando induttori di “peaking†con trans-resistenze RTdi valore programmabile. Nella nuova topologia circuitale dell’invenzione, il TIA rimane perfettamente bilanciato anche in presenza di componenti attivi che implementino le resistenze programmabili (sia in caso di programmazione digitale, impiegando interruttori MOS, che nel caso di programmazione analogica, impiegando transistori MOS funzionanti in regione triodo). Ciò in virtù del fatto che questi componenti attivi possono essere polarizzati simmetricamente in virtù di collegamenti simmetrici delle resistenze RT, per esempio in una realizzazione CMOS, transistori NMOS (o PMOS) possono essere usati in entrambi i rami, riducendo così “mismatches†tra i due rami in considerazione di variazioni di parametri PVT.

4.1 Questo permette un approccio più flessibile all’equalizzazione, che può contemplare diverse opzioni di suddivisione tra una pluralità di stadi amplificazione, ottimizzando così le presentazioni complessive. In particolare, il grado di equalizzazione programmabile richiesta negli stadi di amplificazione che seguono il TIA à ̈ significativamente ridotto cosa che rende l’equalizzazione multistadio più efficiente.

La prestazione complessiva della nuova topologia circuitale TIA può essere esaltata aggiungendo l’anello di controllo DC attorno al fotodiodo, atto a determinare in modo preciso la tensione di inversione di polarizzazione del fotodiodo; ciò riduce la variazione della tensione di polarizzazione invertita del fotodiodo che può essere causata da variazioni delle condizioni di funzionamento.

La nuovo topologia circuitale trovata dai richiedenti si adatta a applicazioni circuitali bilanciate interamente differenziali e in particolare ad applicazioni fotoniche integrate su silicio. Inoltre, simili forme di realizzazione possono essere realizzate anche in forma di topologie circuitali differenziali e pseudo-differenziali.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un amplificatore differenziale a trans-impedenza, comprendente: una coppia di nodi di ingresso ai quali à ̈ collegato attraverso condensatori di blocco DC un fotodiodo, un circuito di polarizzazione di detto fotodiodo comprendente una sorgente di tensione DC, un amplificatore differenziale o pseudo-differenziale, configurato in modo da generare una replica amplificata di una tensione differenziale presente su detti nodi di ingresso su una coppia di nodi di uscita, caratterizzato dal fatto che comprende trans-resistenze in serie (2RT, RT-RT) collegate tra detti nodi di ingresso dell’amplificatore differenziale o pseudo-differenziale, atte a implementare un amplificatore a trans-impedenza interamente differenziale; due identiche resistenze di polarizzazione del fotodiodo (RPD) di valore più grande di dette trans-resistenze (RT), ciascuna collegata in serie tra il fotodiodo e detta sorgente di tensione DC, atte a invertire la polarizzazione di detto fotodiodo e aventi valore sufficientemente grande da prevenire l’assorbimento di ogni significativa corrente di segnale generata dal fotodiodo.
2. 2. L’amplificatore differenziale a trans-impedenza della rivendicazione 1, comprendente inoltre un induttore di peaking (L1) collegato in serie tra identiche transresistenze (RT) ciascuna delle quali à ̈ collegata ad un rispettivo nodo di ingresso di detto amplificatore differenziale.
3. 3. L’amplificatore differenziale a trans-impedenza della rivendicazione 2, in cui detto induttore di peaking (L1) ha una presa centrale.
4. 4. L’amplificatore differenziale a trans-impedenza della rivendicazione 1, comprendente inoltre induttori differenziali di peaking (L1) rispettivamente collegati tra una di due trans-resistenze (RT) collegati in serie e un rispettivo nodo di ingresso del primo amplificatore differenziale, detta serie di identiche trans-resistenze (RT) avente una presa centrale.
5. 5. L’amplificatore differenziale a trans-impedenza di una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni da 1 a 4, comprendente inoltre mezzi programmabili di aggiustamento dei valori di dette trans-resistenze (2RT, RT-RT).
6. 6. L’amplificatore differenziale a trans-impedenza di una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni da 1 a 5, comprendente inoltre un anello di controllo atto a mantenere una tensione di polarizzazione inversa costante del fotodiodo al variare delle condizioni di funzionamento.
7. 7. L’amplificatore differenziale a trans-impedenza di una qualsiasi delle rivendicazioni da 3 a 6, comprendente inoltre mezzi di protezione ESD collegati a detta presa centrale.