ITMI20120736A1 - 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 foto-corrente 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 retro-azionato in configurazione invertente e alimentato in ingresso dalla foto-corrente 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 foto-corrente 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. In base alla 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 foto-corrente 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, il valore delle quali non à ̈ ben caratterizzato. Nel caso più comune di uno stadio G1realizzato con una coppia differenziale (o pseudo differenziale) come mostrato in Fig. 4 per un’implementazione MOS pseudo-differenziale (pe semplicità non à ̈ mostrata la circuiteria di polarizzazione della coppia di transistori pseudo differenziale), ciò determina una deviazione non ben caratterizzata del guadagno di trans-impedenza del TIA dal valore ideale 2gmZT,PDZL(dove, in confronto con la Fig.3, RT,PDà ̈ stata generalizzata in ZT,PD) a un valore 2gmZT,PDZL+gm(ZPD1+ ZPD2)ZL, in cui gm à ̈ la trans-conduttanza dei transistori.

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.

OBIETTIVI E SOMMARIO DELL’INVENZIONE

Un obiettivo della richiedente à ̈ stato di trovare rimedi ai sopra discussi limiti ed inconvenienti di una TIA ad anello aperto con topologia differenziale o pseudodifferenzale.

L’efficace soluzione per tale ambizioso obiettivo à ̈ stata trovata dalla richiedente ed à ̈ oggetto della presente domanda. La nuova topologia differenziale di amplificatore a trans-impedenza a anello aperto della richiedente conserva tutti i vantaggi di una topologia differenziale classica illustrata nei diagrammi circuitali della tecnica anteriore delle Figure 2, 3 e 4, risolvendo nel contempo gli inconvenienti discussi nei punti 1), 2) e 3) che si manifestano in modo marcato nelle applicazioni ad alta velocità di trasmissione dei dati, comunemente data rate (DR).

Una TIA differenziale o pseudo-differenziale comprendente una coppia differenziale ausiliaria di transistori di ingresso accoppiati ai nodi di uscita dell’amplificatore in opposizione di fase rispetto alla prima coppia differenziale di transistori di ingresso del transistore e con la quale condivide la stessa impedenza di carico, à ̈ stata trovata in grado di mantenere tutti i vantaggi di una topologia differenziale classica (vedi sopra) e di conservare immutate prestazioni anche in applicazioni ad alta DR, superando efficacemente i sopra discussi inconvenienti delle topologie circuitali della tecnica anteriore.

Fondamentalmente, la nuova topologia circuitale, in grado di risolvere inconvenienti apparentemente scorrelati delle topologie differenziali o pseudodifferenziali di amplificatore a trans-impedenza funzionante ad alta DR, si caratterizza per l’introduzione di un secondo amplificatore differenziale, ausiliario, composto da una coppia differenziale di transistori di ingresso identici a quelle della coppia differenziale principale di transistori di ingresso, condividenti gli stessi carichi, connessi in opposizione di fase, rispetto ai transistori della prima coppia, ai nodi di uscita dell’amplificatore a trans-impedenza.

L’effetto della di tale coppia differenziale ausiliaria di transistori di ingresso dell’amplificatore à ̈ quello di cancellare in pratica gli effetti di impedenze serie di ingresso scarsamente caratterizzabili nel modello di progettazione sulla caratteristica di risposta dell’amplificatore, che in pratica si aggiungono a impedenze primarie di ingresso nelle architetture circuitali della tecnica anteriore, recuperando così una condizione che rende la tensione di uscita determinata solamente dalle due ben caratterizzate impedenze di ingresso primarie ZPD.

L’obiettivo che il guadagno di trans-impedenza del TIA corrisponda in modo affidabile sempre al valore ideale di progetto à ̈ sorprendentemente conseguito nella nuova e relativamente semplice architettura trovata dalla richiedente.

L’invenzione à ̈ definita nelle annesse rivendicazioni, il contenuto delle quali à ̈ inteso costituire parte di questa descrizione ed à ̈ qui incorporato per espresso riferimento.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Fig. 1 mostra un tipico TIA della tecnica anteriore: (a) in configurazione retroazionata; (b) in configurazione ad anello aperto.

Fig. 2 mostra una tipica configurazione di TIA ad anello aperto avente una topologia circuitale differenziale.

Fig. 3 mostra un modello circuitale con due impedenze serie d’ingresso non caratterizzate che vengono ad aggiungersi al circuito di un TIA differenziale in configurazione open-loop.

Fig. 4 mostra un modello di caratteristica del guadagno di trans-impedenza per una coppia pseudo differenziale di transistori di ingresso.

Fig. 5 mostra uno schema di principio secondo una forma esemplificativa del nuovo TIA differenziale in configurazione open-loop con coppia differenziale ausiliaria di transistori di ingresso, secondo un’implementazione dell’amplificatore della presente invenzione.

Fig. 6 mostra un’altra forma di realizzazione della nuova configurazione differenziale ad anello aperto di un TIA secondo la presente invenzione, comprendente impedenze non nulle sui percorsi di corrente di alimentazione e verso massa.

Fig. 7 mostra un’ulteriore forma esemplificativa di realizzazione della nuova configurazione differenziale ad anello aperto di un TIA secondo la presente invenzione, comprendente condensatori di by-pass di ingresso con a) struttura concentrata e b) con struttura distribuita.

DESCRIZIONE DI ALCUNE FORME DI REALIZZAZIONE DELL’INVENZIONE Un diagramma circuitale di principio del nuovo TIA differenziale in configurazione open-loop, con coppia differenziale ausiliaria di transistori di ingresso, secondo una forma di implementazione pseudo-differenziale dell’amplificatore dell’invenzione, à ̈ mostrata in Fig. 5, in cui per semplicità, la circuiteria di polarizzazione delle coppie pseudo-differenziali di transistori non à ̈ mostrata.

In confronto alla nota topologia di Fig. 4, l’impatto delle impedenze serie scarsamente caratterizzabili di ingresso ZPD1,2viene praticamente eliminato introducendo la coppia differenziale ausiliaria di transistori di ingresso M3-M4, identici ai transistori della coppia differenziale principale M1-M2, e condividenti gli stessi carichi ZL.

Le “gate†della coppia ausiliaria sono collegate in AC attraverso condensatori di blocco rispettivamente ai due nodi di polarizzazione del fotodiodo VPD+ e VPD-, come mostrato in Fig. 5; in altre parole ai nodi sui quali desiderate tensioni non trascurabili possono svilupparsi quando il transistore funziona a frequenze molto alte, come discusso in relazione alle topologie circuitali della tecnica anteriore. Questa coppia differenziale ausiliaria di ingresso cancella gli effetti degradanti delle due scarsamente caratterizzate impedenze di ingresso ZPD1e ZPD2, sui nodi di uscita del TIA, sui quali la tensione di uscita resta così determinata solamente dalle due impedenze ZT,PD, anche alle frequenze molto elevate. In questo modo, il guadagno di trans-impedenza del TIA à ̈ dato da 2gmZT,PDZL, uguale in pratica al valore ideale.

Secondo una forma preferita di realizzazione, le impedenze ZT,PDe/o ZLpossono includere anche induttori di picco per incrementare la larghezza di banda (BW).

Ovviamente la coppia differenziale ausiliaria dei transistori di ingresso M3-M4, accoppiata in opposizione di fase ai nodi di uscita del TIA secondo la presente invenzione, restano perfettamente efficaci anche in caso di impedenze non nulle del percorso della corrente di alimentazione (vdd) e del percorso di corrente verso massa (gnd), come indicato rispettivamente da Zupe Zdownnell’esempio di realizzazione del circuito mostrato in Fig.6.

Le nuove alternative topologie circuitali sono perfettamente adatte per applicazioni circuitali differenziali o pseudo-differenziali, o particolarmente per applicazioni fotoniche su silicio.

La nuova architettura TIA dell’invenzione può essere ulteriormente migliorata per ridurre l’impatto, specialmente ad alte frequenze, della capacità parassita associata al fotodiodo PD, aggiungendo un condensatore di by-pass tra i nodi VPD+ e VPD-, come mostrato in Fig.7 (a).

In aggiunta, la prevedibilità dell’effetto di by-pass fino a frequenze di diverse decine di GHz può essere ulteriormente migliorata sostituendo una capacità di by-pass in forma “lumped†(concentrata) con una rete R-L-C distribuita, implementata per esempio via linee di trasmissione alternate del segnale e numerose capacità “lumped†, come schematicamente mostrato in Fig. 7(b), tale da conseguire il desiderato valore complessivo di capacità di by-pass.

Claims (4)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un amplificatore differenziale a trans-impedenza (TIA), comprendente: un nodo positivo di polarizzazione (VPD+) e un nodo negativo di polarizzazione (VPD-) collegati ad una sorgente DC; un fotodiodo (PD) avente un anodo collegato a detto nodo positivo di polarizzazione ed un catodo collegato a detto nodo positivo di polarizzazione attraverso identiche impedenze serie (ZT,PD); una prima coppia differenziale o pseudo-differenziale di transistori d’ingresso (M1, M2) dell’amplificatore e rispettive impedenze di carico (ZL), collegati tra un nodo comune di massa ed una linea di alimentazione (VDD), configurati in modo da generare una replica amplificata di una tensione differenziale presente su nodi di ingresso dell’amplificatore su una coppia di nodi di uscita (OUT+, OUT-), caratterizzato dal fatto che comprende una seconda coppia differenziale o pseudo-differenziale di transistori d’ingresso (M3, M4), identici ai transistori di detta prima coppia di transistori d’ingresso (M1, M2) dell’amplificatore e condividenti le stesse impedenze di carico (ZL), configurati in modo da generare una replica amplificata di una tensione differenziale presente su detti nodi di ingresso dell’amplificatore collegati attraverso condensatori di blocco, rispettivamente a detto nodo positivo di polarizzazione (VPD+) e detto nodo negativo di polarizzazione (VPD-), su detti nodi di uscita (OUT+, OUT-), in opposizione di fase rispetto alla replica amplificata generata dalla prima coppia di transistori d’ingresso dell’amplificatore.
2. 2. L’amplificatore a trans-impedenza (TIA) della rivendicazione 1, in cui dette identiche impedenze serie (ZT,PD) e/o identiche impedenze di carico (ZL) comprendono un’induttanza di valore programmabile di peaking (ZPD1, ZPD2).
3. 3. L’amplificatore a trans-impedenza (TIA) della rivendicazione 1, comprendente inoltre un elemento capacitivo di by-pass collegato tra detti nodi di polarizzazione.
4. 4. L’amplificatore a trans-impedenza (TIA) della rivendicazione 1, in cui detto elemento capacitivo di by-pass à ̈ in forma di una rete distribuita multi-stadio composta da una pluralità di condensatori di by-pass collegati tra linee di elementi R-L o R-L-C in serie.