ITUB20154605A1 - Amplificatore a transimpedenza, e relativo circuito integrato e ricevitore ottico - Google Patents

Amplificatore a transimpedenza, e relativo circuito integrato e ricevitore ottico Download PDF

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transistor
transimpedance amplifier
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power supply
vdd
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Francesco Radice
Melchiorre Bruccoleri
Maurizio Zuffada
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St Microelectronics Srl
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Description

"Amplificatore a transimpedenza, e relativo circuito integrato e ricevitore ottico"
TESTO DELLA DESCRIZIONE
Campo Tecnico
La forme di attuazione della presente descrizione si riferiscono ad amplificatori a transimpedenza.
Sfondo
Gli amplificatori a transimpedenza sono ben noti nella tecnica. In genere, un amplificatore a transimpedenza (TIA) è un convertitore corrente/tensione, che solitamente esegue anche un'amplificazione. Ad esempio, tali TIAs sono utilizati, ad es., in ricevitori ottici così da convertire la corrente fornita da un fotodiodo in un corrispondente segnale di tensione. Di conseguenza, un amplificatore a transimpedenza dovrebbe esibire una bassa impedenza al fotodiodo ed isolarlo dalla tensione di uscita dell'amplificatore.
Figura 1 mostra a guesto proposito un tipico sistema di trasmissione ottica, che comprende un circuito trasmettitore ottico 1 ed un circuito ricevitore ottico 3.
Nell'esempio considerato, il circuito trasmettitore 1 comprende un generatore di segnale 10 e mezzi di trasmissione 12 per generare una forma d'onda ottica, guaie un LED (Diodo ad Emissione di Luce) o un diodo laser. In sostanza, il generatore di segnale 10 riceve un segnale di dati digitale o analogico DI all'ingresso e genera un segnale di pilotaggio per i mezzi di trasmissione 12 in funzione del segnale di dati DI , trasmettendo così il segnale di dati DI tramite una modulazione della luce emessa dai mezzi di trasmissione 12.
Il circuito ricevitore ottico 3 comprende un sensore di luce 30, guaie un fotodiodo PD, un amplificatore a transimpedenza 32 ed un circuito di elaborazione 36.
Nell'esempio considerato, i mezzi di trasmissione 12 possono essere accoppiati al sensore di luce 30 per mezzo di una fibra ottica 2, e in genere il sensore di luce 30 è configurato per ricevere la luce generata dai mezzi di trasmissione 12 (considerando possibili perdite e rumore generate dalla fibra 2).
Specificatamente, nell'esempio considerato, 1'amplificatore a transimpedenza 32 converte la corrente fornita dal fotodiodo PD in un corrispondente segnale di tensione Voutindicativo dell'intensità di luce ricevuta dal fotodiodo PD.
Di conseguenza, il circuito di elaborazione 36, che in genere può essere un circuito analogico e/o digitale, guaie un microprocessore, ad es. un DSP (Processore di Segnale Digitale), può elaborare il segnale di tensione Vout così da rilevare il segnale di dati DI.
In genere, tra 1'amplificatore a transimpedenza 32 ed il circuito di elaborazione 36 possono anche essere prevesti ulteriori stadi di elaborazione del segnale analogico e/o digitale 34, guali uno o più stadi di amplificatore e/o filti, guali ad esempio filtri passabanda.
Figura 2 mostra a guesto proposito possibili implementazioni di un frontend ottico del circuito ricevitore 3.
Specificatamente, nell'esempio considerato, 1'amplificatore a transimpedenza 32 si basa su un transistor bipolare npn Q1 avente una data transconduttanza gm.
Specificatamente, nell'esempio considerato, la base del transistor Q1 è collegata al fotodiodo PD, il collettore è collegato ad una tensione di alimentazione positiva costante, guaie ad esempio VDD (ad es. una tensione tra 1 e 5 VDC, rispetto alla massa GND), per mezzo di un primo resistere Rc, e 1'emettitore è collegato a massa GND per mezzo di un secondo resistor e RE. In particolare, nell'esempio considerato , il catodo del fotodiodo PD è collegato alla base del transistor Q1.
In tipiche applicazioni il fotodiodo PD è in gualche modo polarizzato . Ad esempio, in Figura 2 1'anode del fotodiodo PD è collegato (ad es. direttamente) a massa GND ed il catodo del fotodiodo PD è collegato tramite un resistore o un'impedenza attiva Rbiasad una tensione di polarizzazione positiva (preferibilmente costante) Vb±&s, che potrebbe anche essere la tensione di alimentazione VDD. Di conseguenza, il transistor Q1 è utilizzato sostanzialmente in una configurazione di emettitore comune e la tensione di uscita corrisponde alla tensione nel collettore del transistor Q1.
In particolare, come mostrato in Figura 3, il fotodiodo PD si può modellare come un fotodiodo ideale 100, cioè un generatore di corrente che genera una corrente ISlavente collegato in parallelo un condensatore CPDed un resistore
RPD-Di conseguenza, la corrente fornita dal fotodiodo 100 genererà una variazione alla base del transistor Q, che verrà amplificata dal transistor Q1. Di conseguenza, negli esempi considerati, la tensione Voutrispecchierà le variazioni della corrente Isfornita dal fotodiodo PD e sarà di conseguenza indicativa dell'intensità di luce ricevuta dal fotodiodo PD.
Come mostrato in Figura 4, si può utilizzare uno schema sostanzialmente simile anche sostituendo con un FET (Transistor a Effetto di Campo) il transistor bipolare Q1, guaie un MOSFET (Transistore a Effetto di Campo con struttura Metallo-Ossido-Semiconduttore ) Q2 sostituendo i resistori Rce REcon corrispondenti resistori RDe Rsal drain e source del transistor Q2 e collegando il fotodiodo PD al gate del transistor Q2.
Al fine di migliorare la larghezza di banda del frontend ottico, sono state proposte diverse tecniche.
Ad esempio, Figura 5a mostra il cosiddetto peaking Induttivo di shunt (shunt inductlve peaking).
Specificatamente, in guesta tecnica, un induttore LPè collegato in serie con il resistore Rccosì da ridurre 1'influenza della capacità di uscita Coutdel front end ottico, cioè la capacità tra l'uscita Voute la massa GND.
Di conseguenza, guesto induttore LPgenererà una risonanza con la capacità di uscita Cout, riducendo così 1'effetto del filtro passa basso della capacità Cout.
Al contrario, Figura 6 mostra il cosiddetto peaking induttivo di serie (series inductlve peaking).
Specificatamente, in guest a tecnica, un induttore Lsè collegato tra il catodo del fotodiodo PD e la base del transistor Q1. Di conseguenza, guesto induttore Lssi può utilizzare per ridurre 1'influenza della capacità CPD(e possibili altri condensatori collegati in parallelo con il fotodiodo PD) all'ingresso dell'amplificatore a transimpedenza 32.
In genere, si possono anche combinare le tecniche precedenti, cioè peaking induttivo di shunt e peaking induttivo di serie.
Gli inventori hanno osservato che le suddette tecniche possono non essere sufficienti.
Specificatamente, come mostrato in Figura 7, di fatto anche 1'amplificatore a transimpedenza 32 esibisce una capacità di ingresso CBE, che corrisponde ad es. alla capacità della base-emettitore transistor bipolare Q1.
Di conseguenza, le capacità CPD/CBEl'induttore Lsformano di fatto una struttura di filtro CLC, che limita ancora la larghezza di banda del front end ottico.
Sintesi
Secondo una o più forme di attuazione, uno o più dei suddetti problemi sono risolti attraverso un amplificatore a transimpedenza avente le caratteristiche specificatamente esposte nelle rivendicazioni che seguono. Le forme di attuazione riguardano inoltre un relativo circuito integrato così come un corrispondente relativo ricevitore ottico.
Le rivendicazioni formano parte integrante dell'insegnamento tecnico della descrizione gui fornita.
Come menzionato in precedenza, la presente descrizione si riferisce ad amplificatori a transimpedenza.
In varie forme di attuazione , gli amplificatori a transimpedenza comprendono un primo ed un secondo terminale di alimentazione per ricevere una tensione di alimentazione costante positiva, in cui il secondo terminale di alimentazione rappresenta una massa.
L'amplificatore a transimpedenza comprende inoltre un terminale di ingresso suscettibile di essere collegato ad una sorgente di corrente. Specificatamente, nel caso di un frontend ottico, il terminale di ingresso è collegato al catodo di un fotodiodo. In guesto caso, il circuito può anche comprendere un circuito di polarizzazione accoppiato al terminale di ingresso.
In varie forme di attuazione, il terminale di ingresso è collegato al terminale di controllo di un transistor, guaie la base di un transistor a giunzione bipolare npn o il gate di un transistor a effetto di campo. In varie forme di attuazione, un induttore è collegato tra un primo terminale del transistor, ad es. il collettore di un transistor a giunzione bipolare npn o il drain di un transistor a effetto di campo, e il terminale di alimentazione . Invece, il secondo terminale del transistor, ad es. 1'emettitore di un transistor a giunzione bipolare npn o il source di un transistor a effetto di campo, è collegato a massa tramite una rete di polarizzazione.
Tuttavia, al contrario della tecnica di peaking induttivo di shunt, 1'amplificatore a transimpedenza è configurato in modo tale che venga mantenuta sufficientemente bassa la resistenza tra il primo terminale del transistor ed il terminale di alimentazione, tale che 1'amplificatore a transimpedenza funzioni come un differenziatore compensando così il comportamento da integratore delle capacità associate al terminale di ingresso. Specificatamente, solitamente il trasmettitore ottico relativo piloterà i mezzi di trasmissione ottica, ad es. un diodo laser, con un segnale avente un dato spettro. In guesto caso, guesta resistenza dovrebbe essere sufficientemente piccola in modo tale che 1'amplificatore a transimpedenza funzioni come un differenziatore nella regione di spettro dove è localizzata la maggior parte di energia del segnale. Ad esempio, è solitamente appropriata una resistenza al di sotto di 20 Ohm. L'induttanza dell'induttore si può selezionare basandosi sul valore della capacità associato al terminale di ingresso, ad es. nell'intervallo tra 500pH (picohenry) e 5 nH (nanohenry), ad es. 1 a 2 nH.
Ad esempio, in varie forme di attuazione, il primo terminale del primo transistor è direttamente collegato al terminale di alimentazione tramite 1' induttore, e la resistenza corrisponde semplicemente a perdite di linea e alla resistenza parassita dell'induttore.
In varie forme di attuazione , 1'amplificatore a transimpedenza può comprendere un resistore collegato in serie con l' induttore ed almeno uno switch elettronico. Specificatamente, guesto switch elettronico si può utilizzare per cortocircuitare in modo selettivo il resistore, permettendo così un funzionamento come un amplificatore a transimpedenza tradizionale (con peaking induttivo di shunt) ed un amplificatore a transimpedenza che funziona come un differenziatore.
In varie forme di attuazione, la soluzione si può anche applicare ad un amplificatore a trans impedenza differenziale . In guesto caso, 1'amplificatore a transimpedenza comprende un secondo transistor in cui il terminale di controllo del secondo transistor è collegato ad un segnale di riferimento.
Breve descrizione delle figure
Le forme di attuazione della presente descrizione verranno ora descritte con riferimento ai disegni annessi, ceh sono previsti a puro titolo di esempio non limitativo in cui:
- le Figure 1 a 7 sono già state descritte in precedenza;
- la Figura 8 mostra una prima forma di attuazione del frontend di un ricevitore ottico secondo la presente descrizione;
- la Figura 9 mostra uno schema circuitale di un modello di segnale piccolo del frontend ottico della Figura 8;
- la Figura 10 mostra una seconda forma di attuazione del frontend di un ricevitore ottico secondo la presente descrizione;
- la Figura 11 mostra una forma di attuazione di un ricevitore ottico secondo la presente descrizione; e
- le Figure 12 a 16 mostrano ulteriori forme di attuazione di ricevitori ottici secondo la presente descrizione.
Descrizione dettagliata
Nella descrizione che segue sono forniti numerosi dettagli specifici, miranti a fornire una comprensione approfondita di forme di attuazione. Le forme di attuazione si possono ottenere senza uno o più dei dettagli specifici, o con altri procedimenti, componenti, materiali, ecc. In altri casi note strutture, materiali, o operazioni non sono illustrati o descritti in dettaglio in modo che certi aspetti di forme di attuazione non verranno oscurati.
Il riferimento ad "una forma di attuazione" nell'ambito della presente descrizione intende indicare che una particolare configurazione, struttura, o caratteristica descritte in relazione alla forma di attuazione è compresa in almeno una forma di attuazione. Pertanto, frasi guali "in una forma di attuazione" che possono essere presenti in uno o più punti della presente descrizione non fanno necessariamente riferimento ad una e alla stessa forma di attuazione. Inoltre, particolari conformazioni, strutture, o caratteristiche possono essere combinate in qualsiasi modo adeguato in una o più forme di attuazione.
Le intestazioni qui utilizzate sono fornite semplicemente per comodità e non interpretano 1'ambito di protezione o il significato delle forme di attuazione.
Nelle seguenti Figure 8 a 15 parti, elementi o componenti che sono già stati descritti con riferimento alle Figure 1 a 7 sono indicati dagli stessi riferimenti utilizzati in precedenza in tali Figure; la descrizione di tali elementi descritti in precedenza non verrà ripetuta nel seguito così da non sovraccaricare la presente descrizione dettagliata.
Come menzionato in precedenza, la presente descrizione prevede un nuovo amplificatore a transimpedenza, che si può utilizzare per convertire una corrente di ingresso in una tensione di uscita, e che è adatto per applicazioni ad alta velocità, ad esempio sopra 25 GHz. Di conseguenza, gli amplificatori a transimpedenza della presente descrizione si possono utilizzare in ricevitori ottici ad alta velocità.
Figura 8 mostra a questo proposito 1'architettura di base del front end di un ricevitore ottico secondo la presente invenzione.
Specificatamente, anche in questo caso, un fotodiodo PD è collegato ad un amplificatore a transimpedenza 32a.
Ad esempio, nella forma di attuazione considerata, il fotodiodo PD è polarizzato come in Figura 2, cioè per mezzo di un resistere o impedenza attiva Rbiascollegato tra il catodo del fotodiodo PD ed una tensione di polarizzazione costante positiva 1⁄2ias- Ad esempio, si può utilizzare per questo scopo un resistore Rfaiascon una resistenza tra 1 e 20kOhm, ad es. 3 a 5 kOhm. Tuttavia, si possono utilizzare anche altri circuiti per polarizzare il fotodiodo PD.
Di conseguenza , anche nel presente front end ottico, che si basa sostanzialmente su un amplificatore a trans impedenza 32a, il fotodiodo ha una capacità parassita CPDassociata. Analogamente, anche l'amplificatore a trans impedenza 32a esibisce una capacità di ingresso CBE, che influenza anche negativamente la larghezza di banda del sistema .
A guest o proposito, gli inventori hanno osservato che le capacità CPDe CBEcostituiscono un filtro passa basso, che rappresenta un integratore analogico I.
Tuttava, invece di cercare di compensare 1'influenza di guest o filtro passa basso tramite una struttura di filtro appropriata all'ingresso dell' amplificatore a transimpedenza 32a (ad es. peaking induttivo di serie come mostrato in Figure 6 e 7), la presente descrizione propone 1'utilizzo di uno stadio di amplificazione dell' amplificatore a trans impedenza, che funziona come un differenziatore analogico D.
Specificatamente , nella forma di attuazione mostrata in Figura 8, il differenziatore D è implementato con un transistor bipolare npn Q3 ed un induttore di caricamento Lc. Nella forma di attuazione considerata, la base del transistor Q3 è collegata (ad es. direttamente ) al catodo del fotodiodo PD, il collettore è collegato (ad es. direttamente ) ad una tensione di alimentazione VDD per mezzo di un induttore Lc, e 1' emettitore è collegato (ad es. direttamente ) a massa GND per mezzo di una rete di polarizzazione PN.
Ad esempio, nella configurazione single ended considerata, la rete di polarizzazione PN si può implementare con un resistore REed un condensatore opzionale CPNcollegati entrambi in parallelo tra 1'emettitore del transistor Q3 e la massa GND. Ad esempio, la capacità del condensatore CPNsi può selezionare dall'intervallo da 5 a 50 pF (picofarrad), ad es . 10 a 20 pF.
Di conseguenza, nella forma di attuazione considerata, solo 1'induttore Lcè collegato tra la tensione di alimentazione VDD ed il collettore C del transistor Q3. In genere, la tensione di alimentazione VDD può essere qualsiasi tensione positiva costante, quale una tensione selezionata tra 1 e 5 VDC rispetto alla massa GND. Ad esempio, tale tensione di alimentazione VDD si può ottenere attraverso un regolatore di tensione, il che dovrebbe esibire un'impedenza di uscita piuttosto bassa ad alte frequenze.
Pertanto, in genere , anche la forma di attuazione mostrata in Figura 8 comprende un induttore collegato al collettore di un transistor. Tuttavia, al contrario della tecnica di peaking induttivo di shunt mostrata in Figura 5, questo induttore Lcnon è utilizzato per compensare la capacità di uscita Cout, ma implementa un differenziatore D, che permette di conseguenza di compensare il comportamento da integratore delle capacità all'ingresso (CPDe CBE)-La Figura 9 mostra a questo proposito un possibile modello di segnale piccolo del circuito mostrato in Figura 8.
Specificatamente, come menzionato in precedenza, il fotodiodo PD si può modellare con un generatore di corrente 100. Ad esempio, tipici fotodiodi prevedono una variazione di corrente nell'intervallo tra 10 e 150 μΑ (microampere), ad es . 20-50 μΑ.
Questo generatore di corrente 100 è collegato tra la base di un (ideale) transistor a giunzione bipolare npn Q4 avente il guadagno gmdel transistor Q3.
Tra la base del transistor Q4 e la massa GND è collegata una capacità Cin, che modella la capacità CPDdel fotodiodo PD e la capacità CEE del transistor bipolare Q3. Ad esempio, per tipici fotodiodi e transistor BJT, il valore di Cinpuò essere nell'intervallo da 10 a 100 fF (femtofarrad), ad es. 20 a 50 fF.
Analogamente , una capacità Cpè collegata tra la base ed il collettore del transistor Q4 . Questa capacità Cpmodella la capacità della base-collettore del transistor Q3. Infine, 1'induttore Lcè collegato tra il collettore del transistor Q4 e ia tensione di alimentazione VDD.
Di conseguenza, risolvendo le equazioni di circuito relative, si può approssimare la tensione di uscita come:
V = TAs)* sL// g<r>cln<λΛ>
out
C^j c„
dove 1'operatore "// " indica che questi componenti sono collegati in parallelo (con A//B= (AB)/ (A+B)). Di conseguenza, basandosi su tipici valori dei suddetti componenti, si può trascurare il termine "gm(Cm/Cp)
Dalla suddetta equazione si può pertanto osservare che 1'impedenza di uscita compensa completamente 1' impedenza di ingresso . Di fatto, semplicemente il guadagno dell' amplificatore a transimpedenza 32a diminuisce con valori di capacità di ingresso in aumento.
Nella forma di attuazione considerata, il circuito funziona senza un resistor e di retroazione, cioè in una configurazione ad anello aperto , che è significativamente più veloce dell' approccio ad anello chiuso . Coloro eserti della tecnica apprezzeranno che la mancanza del resistore di retroazione rimuove anche il rumore associato . A alta frequenza, dove 1'induttanza è un'alta impedenza, un ulteriore minor effetto di riduzione si può ancora ottenere dall' accoppiamento di retroazione della capacità parassita Cptra la base ed il collettore del transistor Q3 . Di conseguenza, il circuito secondo la presente descrizione ha significativi vantaggi rispetto alla solita configurazione ad anello chiuso con il resistore di retroazione , in particolare per quanto riguarda la velocità di funzionamento .
La Figura 10 mostra una forma di attuazione di un'implementazione differenziale di un amplificatore a trans impedenza 32b secondo la presente descrizione.
Nella forma di attuazione considerata, 1'amplificatore a transimpedenza 32b è nuovamente accoppiato ad un fotodiodo PD, che in qualche modo è polarizzato . Ad esempio, nella forma di attuazione considerata, il fotodiodo PD è polarizzato tramite un resistore 3⁄4>±&Ξcollegato tra il catodo del fotodiodo ed una tensione di polarizzazione positiva
iidas-Analogamente , alla configurazione single ended mostrata in Figura 8 , il fotodiodo PD è collegato (ad es. direttamente ) alla base di un transistor a giunzione bipolare npn Q3lfche corrisponde al transistor in Figura 8. Di conseguenza, anche in questa configurazione , il collettore del transistor Q3i è collegato (ad es. direttamente) tramite un induttore Lei ad una tensione di alimentazione positiva costante , ad es. VDD, e 1'emettitore del transistor Q3i è collegato (ad es. direttamente) tramite una rete di polarizzazione PN a massa.
Ad esempio, in una configurazione differenziale, la rete di polarizzazione PN si può implementare con un generatore di corrente 102 ed un condensatore opzionale CPNcollegato in parallelo . Ad esempio, nella forma di attuazione considerata, il generatore di corrente 102 può prevedere una corrente selezionata tra 100 μΑ (microampere) e 10 mA (milliampere), ad es. tra 400 μΑ e 4 mA.
La capacità del condensatore si può nuovamente selezionare dall'intervallo da 5 a 50 pF (picofarrad), ad es. 10 a 20 pF.
Di conseguenza, nella forma di attuazione considerata, l'emettitore del transistor Q3i è collegato a massa GND tramite il generatore di corrente 102.
Al fine di implementare una configurazione differenziale, 1'amplificatore a transimpedenza 32b comprende un ramo complementare . Specificatamente, nella forma di attuazione considerata, 1'amplificatore a transimpedenza 32b comprende un secondo transistor a giunzione bipolare npn Q32, in cui il collettore del transistor Q32è collegato (ad es. direttamente) tramite un secondo induttore Lc2ad una tensione di alimentazione positiva costante, ad es. VDD, e 1'emettitore del transistor Q3i è collegato a massa GND (ad es. direttamente) tramite la rete di polarizzazione PN. Gli induttori Lei and Lc2possono avere la stessa induttanza e/o 1'induttanza si può selezionare basandosi sul valore della capacità di ingresso Cin, ad es. nell'intervallo tra 5G0pH (picohenry) e 5 nH (nanohenry), ad es. 1 a 2 nH.
Si possono utilizzare soluzione diverse per ottenere un segnale di riferimento REF alla base del transistor Q32. Ad esempio, nella forma di attuazione considerata, la base del transistor Q32è collegata tramite un resistore RSetad una tensione positiva costante, guaie VDD.
Tuttavia, si possono utilizzare anche soluzioni più complesse, guaie un secondo fotodiodo (con circuito di polarizzazione associato). In guesto caso, il secondo fotodiodo non è illuminato fornisce semplicemente il segnale di riferimento REF per la base del transistor Q3≤.
In varie forme di attuazione , gli amplificatori a trans impedenza 32a e 32b possono comprendere anche un resistor e di carico RLcollegato (ad es. direttamente ) in parallelo con 1'induttore Lco due resistori di carico Rue RL2 rispettivamente collegati in parallelo con gli induttori Lei e Lc≤- Questi resistor! possono essere adatti per smorzare il picco di risonanza fornito dagli induttori e la capacità di carico Cout.
Ad esempio, la resistenza di guesti resistori di carico si può selezionare dall'intervallo tra 50 Ohm e 500 Ohm, ad es . 100 a 300 Ohm.
In genere, come già menzionato con riferimento alla Figura 4, il transistor a giunzione bipolare npn Q3, Q3i e Q3≤ di un amplificatore a transimpedenza 32a/32b si possono anche sostituire con un FET (Transistor a effetto di campo), guai e un MOSFET (Metal-Oxide- Semiconductor Field-Ef fect Transistor ) a canale n.
Di conseguenza, come mostrato in Figura 11, un circuito ricevitore ottico 3a secondo la presente descrizione comprende un fotodiodo PD, un amplificatore a transimpedenza 32a/32b ed un circuito di elaborazione 36.
Ad esempio, il circuito ricevitore ottico 3a si può integrare in un circuito integrato . In genere, il fotodiodo PD e/o il circuito di elaborazione 36 può essere integrati con 1'amplificatore a transimpedenza 32a o 32b o forniti su un chip separato.
Il circuito ricevitore ottico 3a può anche comprendere uno o più regolatori di tensione 38a e 38b configurati per generare le tensioni VDD e Vb±asper 1'amplificatore a trans impedenza 32a o 32b. Come menzionato in precedenza, il regolatore di tensione 32a utilizzato per generare la tensione VDD dovrebbe esibire un' impedenza di uscita piuttosto bassa ad alte frequenze.
Infine, tra 1'amplificatore a transimpedenza 32a/32b ed il circuito di elaborazione 36 si possono anche inoltre provvedere stadi di elaborazione analogici e/o digitali 34a, quali uno o più stadi di amplificatore e/o filtri, quali ad esempio filtri passabanda.
Ad esempio, Figura 12 mostra una forma di attuazione, in cui 1'uscita di un amplificatore a transimpedenza 32b differenziale è fornita ad uno o più ulteriori amplificatori CHi, CH2. Ad esempio, questi amplificatori CHi, CH2 possono implementare una catena di Cherry-Hooper.
Tra i vari stadi si possono anche provvedere filtri, quali filtri RC passa basso comprendenti un resistore RCHed un condensatore CCH-Figura 14 mostra una forma di attuazione, in cui il blocco di elaborazione del segnale 34a comprende almeno un circuito formatore di segnale 342.
Specificatamente, come mostrato in Figura 13, di fatto anche 1'induttore Le esibirà una resistenza parassita Rparin serie equivalente.
Tuttavia, rispetto ad un resistore convenzionale Rccome mostrato ad es . in Figura 5, questa resistenza Rparè solitamente più piccola di 20 Ohm, ad es. più picola di 10 Ohm, e rappresenta semplicemente la resistenza parassita dell'induttore Lce possibili perdite di linea.
Tuttavia, a frequenze molto basse , il guadagno di transimpedenza dell'amplificatore verrà influenzato da questa resistenza parassita Rpar- Specificatamente, a basse frequenze, il guadagno ZDCdell' amplificatore a transimpedenza si può approssimare mediante:
^DC<—>Rin?Dispai
dove Rinrappresenta la resistenza di ingresso, che ad es. corrisponde alla resistenza di polarizzazione Rbiase la resistenza del fotodiodo RPDnel caso in cui il fotodiodo PD sia polarizzato come mostrato in Figura 2b.
Di conseguenza, come mostrato in Figura 14, il guadagno a bassa freguenza dell'amplificatore 32a/32b è solitamente inferiore al guadagno ad alta freguenza (sino alla freguenza di taglio dell'amplificatore). Di conseguenza, si può aggiungere un circuito formatore 342, guaie un zero poie egualizer, così da rendere nuovamente piatto il guadagno di freguenza.
Infine, per poter gestire diversi intervalli di valore di potenza ottica, cioè diversi intervalli di correnti fornite dal fotodiodo PD, il front end ottico può comprendere una pluralità di amplificatori a transimpedenza, che si possono abilitare in modo selettivo.
Ad esempio, la Figura 15 mostra una forma di attuazione, in cui il ricevitore ottico comprende in aggiunta ad un amplificatore a transimpedenza 32a o 32b descritto in precedenza un secondo amplificatore a transimpedenza 32c. Ad esempio, il ricevitore ottico 3a si può configurare per abilitare (ad es. per mezzo di uno switch elettronico Si) 1'amplificatore a transimpedenza 32a/32b per piccole correnti ISfad es. sotto 50 μΑ, e abilitare (ad es. per mezzo di uno switch elettronico S2 )1'amplificatore a transimpedenza 32c per correnti maggiori Is, ad es. sopra 50 μΑ. In guesto caso, l'amplificatore a transimpedenza 32c si può anche implementare con un amplificatore a transimpedenza convenzionale, guaie un TIA ad anello chiuso, poiché il rapporto segnale/rumore è in guesto caso sufficientemente alto.
In varie forme di attuazione , il guadagno dell'amplificatore a transimpedenza 32a o 32b può essere variabile.
Ad esempio, come mostrato in Figura 16, 1'amplifier 32a (e analogamente anche 1'amplificatore 32b) può comprendere un resistore Rced uno switch elettronico S3. Specificatamente, lo switch elettronico S3 si può utilizzare per cortocircuitare il resistore Rco collegare il resistore Rcin serie con l'induttore Lc, trasformando così 1'amplificatore a transimpedenza 32a o 32b della presente descrizione in un amplificatore a transimpedenza con peaking induttivo di shunt come mostrato ad es. in Figura 5.
Specificatamente, guando lo switch S3 è chiuso, la resistenza tra il collettore del transistor Q3 e la tensione di alimentazione VDD sarà nuovamente così piccola che
1'amplificatore a transimpedenza funziona come un differenziatore nella regione di spettro dove è localizzata la maggior parte dell'energia del segnale.
Naturalmente, fermi restando i principi dell'invenzione, i particolari e le forme di attuazione possono variare, anche in modo significativo, rispetto a guanto è stato qui descritto a puro titolo di esempio senza discostarsi dall'ambito di protezione della presente invenzione, come definito dalle seguenti rivendicazioni.

Claims (10)

  1. RIVENDICAZIONI 1 . Amplificatore a transimpedenza (32a; 32b) comprendente : - un primo (VDD) ed un secondo (GND) terminale di alimentazione per ricevere una tensione di alimentazione costante positiva, in cui detto secondo terminale di alimentazione (GND) rappresenta una massa; - un terminale di ingresso suscettibile di essere collegato ad una sorgente di corrente (PN; 100), - un primo transistor (Q3; Q3i) comprendente un terminale di controllo e due ulteriori terminali , in cui detto terminale di ingresso è collegato al terminale di controllo di detto primo transistor (Q3; Q3i); - un primo induttore (Lc; Lei) collegato tra il primo di detti due ulteriori terminali di detto primo transistor (Q3; Q3i) e detto primo terminale di alimentazione (VDD); e - una rete di polarizzazione (PN) collegata tra il secondo di detti due ulteriori terminali di detto primo transistor (Q3; Q3i) e la massa (GND); in cui detto amplificatore a transimpedenza è configurato in modo tale che sia sufficientemente piccola la resistenza (Rpar) tra detto primo di detti due ulteriori terminali di detto primo transistor (Q3; Q3i) e detto primo terminale di alimentazione (VDD) , tale che detto amplificatore a transimpedenza (32a; 32b) funziona come un differenziatore (D).
  2. 2 . Amplificatore a transimpedenza (32a; 32b) secondo la rivendicazione 1, comprendente un circuito di polarizzazione (Rbias, Vbia3+) accoppiato al terminale di controllo di detto primo transistor (Q3; Q3i).
  3. 3. Amplificatore a transimpedenza (32a; 32b) secondo la rivendicazione 1 o rivendicazione 2, in cui: - detto primo transistor (Q3; Q3i) è un transistor a giunzione bipolare npn, in cui detto terminale di controllo di detto primo transistor è la base di detto transistor a giunzione bipolare npn, detto primo di detti due ulteriori terminali di detto primo transistor è il collettore di detto transistor a giunzione bipolare npn e detto secondo di detti due ulteriori terminali di detto primo transistor è 1'emettitore di detto transistor a giunzione bipolare npn, or - detto primo transistor (Q3; Q3i) è un transistor a effetto di campo a canale n, in cui detto terminale di controllo di detto primo transistor è il gate di detto transistor a effetto di campo, detto primo di detti due ulteriori terminali di detto primo transistor è il drain di detto transistor a effetto di campo e detto secondo di detti due ulteriori terminali di detto primo transistor è il source di detto transistor a effetto di campo.
  4. 4. Amplificatore a transimpedenza (32a; 32b) secondo una gualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto primo di detti due ulteriori terminali di detto primo transistor (Q3; Q3i) è collegato direttamente a detto primo terminale di alimentazione (VDD) tramite detto primo induttore (Lc;Lei)-
  5. 5. Amplificatore a transimpedenza (32a; 32b) secondo gualsiasi delle rivendicazioni 1 a 3, comprendente un resistore (Rc)ed almeno uno switch elettronico (S3) per collegare in modo selettivo detto resistore (Re) in serie con detto primo induttore (Lc;Lei), in modo tale che si può aumentare in modo selettivo la resistenza (Rpar)tra detto primo di detti due ulteriori terminali di detto transistor (Q3; Q3i) e detto primo terminale di alimentazione (VDD).
  6. 6. Amplificatore a transimpedenza (32a; 32b) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente: - un secondo transistor (Q3≤ )comprendente un terminale di controllo e due ulteriori terminali, in cui detto terminale di controllo di detto secondo transistor (Q32 )è collegato ad un segnale di riferimento (REF), in cui il primo di detti due ulteriori terminali di detto secondo transistor (Q32 )è collegato tramite un secondo induttore (Lei) a detto primo terminale di alimentazione (VDD), ed in cui il secondo di detti due ulteriori terminali di detto secondo transistor (Q3; Q3i) è collegato a massa (GND) tramite detta rete di polarizzazione (PN).
  7. 7. Circuito integrato (3a) comprendente un amplificatore a transimpedenza (32a; 32b) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
  8. 8. Circuito integrato (3a) secondo la rivendicazione 7, comprendente: - un fotodiodo (PN), in cui il catodo di detto fotodiodo (PN) è collegato a detto terminale di controllo di detto primo transistor (Q3; Q3i).
  9. 9. Circuito integrato (3a) secondo la rivendicazione 7 o rivendicazione 8, comprendente almeno uno fra: - un regolatore di tensione (38a, 38b) configurato per generare detta tensione di alimentazione costante positiva per detto amplificatore a transimpedenza (32a; 32b); - uno o più amplificatori collegati a cascata con detto amplificatore a transimpedenza (32a; 32b); - un circuito formatore di segnale (342) configurato per compensare detta resistenza (Rpar)tra detto primo di detti due ulteriori terminali di detto primo transistor (Q3; Q3i) e detto primo terminale di alimentazione (VDD) nello spettro di frequenza; - un ulteriore amplificatore a transimpedenza (32c) e almeno uno switch elettronico (SI, S2) per abilitare in modo selettivo detto amplificatore a transimpedenza (32a; 32b) o detto ulteriore amplificatore a transimpedenza (32c).
  10. 10. Ricevitore ottico comprendente un circuito integrato (3a) secondo una guaisiasi delle rivendicazioni precedenti.
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