KR100444911B1 - Differential transimpedance amplifier for optical receiver applications - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광수신기용 차동 트랜스임피던스 증폭기에 관한 것으로서, 광펄스신호를 광기전력으로 변환하는 포토다이오드(PD)의 출력을 입력받아 포토다이오드(PD)와 절연시키는 조절 캐스코드 구조의 제 1버퍼(10)와, 차동구조의 대칭성을 위해 제 1버퍼(10)와 대칭으로 형성된 제 2버퍼(20)와, 제 1버퍼(10)와 제 2버퍼(20)의 출력을 입력으로 하는 차동증폭기(30)와, 차동증폭기(30)와 전원전압(Vdd) 사이에 매개되어 넓은 스윙폭으로 다이나믹 레인지를 넓히기 위한 문턱전압보상 부하단(40)과, 차동증폭기(30)의 차동출력값을 입력받아 DC레벨 쉬프팅과 저전력으로 높은 이득을 얻도록 하는 캐스코드 구조의 제 3버퍼(50)와, 제 3버퍼(50)의 출력을 션트피킹 기술로 소자의 대역폭을 넓혀 고속동작을 하도록 하는 출력단(60)으로 이루어져 프리앰프의 면적을 줄이며, 고속, 고이득, 낮은 노이즈 특성 및 광대역의 특성을 갖도록 하는 이점이 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a differential transimpedance amplifier for an optical receiver, comprising: a first buffer 10 having an adjustable cascode structure that receives an output of a photodiode PD for converting an optical pulse signal into photovoltaic power and insulates the photodiode PD; ), A second buffer 20 symmetrically formed with the first buffer 10 for the symmetry of the differential structure, and a differential amplifier 30 having the outputs of the first buffer 10 and the second buffer 20 as inputs. DC voltage between the differential amplifier 30 and the power supply voltage Vdd and the differential output value of the threshold voltage compensation load stage 40 and the differential amplifier 30 to widen the dynamic range with a wide swing width. The third buffer 50 of the cascode structure to obtain high gain with shifting and low power, and the output of the third buffer 50 to the output terminal 60 to increase the bandwidth of the device by shunt peaking technology to operate at high speed. Reduce the area of the preamp, There is an advantage to have the characteristics of fast, high gain, low noise characteristics and broadband.
Description
본 발명은 광수신기용 차동 트랜스임피던스 증폭기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광수신기용 트랜스임피던스 증폭기를 효율적인 차동구조로 형성함으로써 프리앰프단의 면적을 줄이며, 고속, 고이득, 낮은 노이즈 특성 및 광대역의 특성을 갖도록 한 광수신기용 차동 트랜스임피던스 증폭기에 관한 것이다.The present invention relates to a differential transimpedance amplifier for an optical receiver, and more particularly, to reduce the area of the preamplifier stage by forming an efficient differential structure for the optical receiver, and to improve the characteristics of high speed, high gain, low noise and broadband. The present invention relates to a differential transimpedance amplifier for an optical receiver.
기하급수적으로 늘어나고 있는 인터넷 수요와 함께 백본(Backbone)을 통해 전송해야할 데이터의 양도 늘어남에 따라, 많은 양의 데이터를 고속으로 전송 가능하게 하는 전송매체로는, 최적의 최종적인 해결 방법으로써 광섬유로 수렴되고 있다.As exponentially growing Internet demand and the amount of data to be transmitted through the backbone have increased, the transmission medium that can transmit large amounts of data at high speed converges to optical fiber as an optimal final solution. It is becoming.
이런 광섬유를 이용한 광전송 시스템에선 광신호를 전자신호로 바꾸어 줄 소자가 필요하게 되는데 이러한 역할은 광수신기의 포토다이오드(PD)와 프리앰프에서 처리하게 되며, 전체 광수신기의 감도는 프리앰프에서 결정된다.In the optical transmission system using the optical fiber, a device for converting the optical signal into an electronic signal is required. This role is processed by the photodiode (PD) and the preamplifier of the optical receiver, and the sensitivity of the entire optical receiver is determined by the preamplifier. .
이러한 프리앰프는 싱글 앰프로 만들어져 왔으나, 광수신기의 최종출력은 차동신호로 출력되어야 하기 때문에 싱글 증폭기로 프리앰프가 구성된 경우에는 포스트앰프에서 싱글신호를 차동신호로 변환하여 처리해야 하는 부담을 안게 되며, 또한 전원 노이즈나 기판 노이즈 같은 공통모드 노이즈에 치명적이다.Although this preamplifier has been made as a single amplifier, since the final output of the optical receiver must be output as a differential signal, when a preamplifier is configured as a single amplifier, the post amplifier takes the burden of converting and processing a single signal into a differential signal. Also, it is fatal to common mode noise such as power supply noise and substrate noise.
따라서, 이러한 단점을 개선하기 위해 공통모드 제거기능을 가지고 있으므로 노이즈 특성이 좋으며 차동신호를 출력함으로써 포스트앰프의 부담을 덜어주는 차동증폭기 구조를 사용하고 있다. 그러나, 차동증폭기의 대칭성을 위하여 광신호를 입력하기 위한 포토다이오드 커패시터와 대칭이 되도록 부가적으로 동일한 포토다이오드를 입력과 대칭적인 곳에 설치하거나 같은 크기의 커패시터를 입력과 대칭적인 곳에 설치하게 됨에 따라 프리앰프가 차지하는 면적이 커지게 되거나, 외부의 소자로 연결시킨다고 해도 사용하지 않은 포토다이오드(PD)를 소모하거나 캐패시터를 사용해야 하는 등 번거롭거나 장황한 문제점이 있다.Therefore, in order to alleviate these drawbacks, it has a common mode rejection function, so it has a good noise characteristic and uses a differential amplifier structure that reduces the burden of the post amplifier by outputting a differential signal. However, for the symmetry of the differential amplifier, additionally, the same photodiode is installed in the symmetrical position with the input to be symmetrical with the photodiode capacitor for the optical signal input, or the same size capacitor is installed in the symmetrical position with the input. Even if the area occupied by the amplifier becomes large or connected to an external device, there is a troublesome or lengthy problem such as consuming an unused photodiode (PD) or using a capacitor.
또한, 프리앰프는 전체 광수신기의 대역폭(Bandwidth)과 감도(Sensitivity)를 결정하기 때문에 광대역폭과 낮은 노이즈 특성을 갖는 프리앰프가 필요하게 된다. 더군다나. 대역폭(bandwidth) x 이득(gain) 은 일정하기 때문에 광대역폭을 취하면서도 높은 이득을 얻는 것은 기술적으로 어려움이 있는 문제점이 있다.In addition, since the preamplifier determines the bandwidth and sensitivity of the entire optical receiver, a preamplifier having a wide bandwidth and low noise characteristics is required. Furthermore. Since bandwidth x gain is constant, it is technically difficult to obtain a high gain while taking a wide bandwidth.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은 광수신기용 트랜스임피던스 증폭기를 차동구조로 형성함으로써 프리앰프의 면적을 줄이며, 고속, 고이득, 낮은 노이즈 특성 및 광대역의 특성을 갖도록 한 광수신기용 차동 트랜스임피던스 증폭기를 제공함에 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to reduce the area of the preamplifier by forming a transimpedance amplifier for the optical receiver in a differential structure, high speed, high gain, low noise characteristics and broadband characteristics The present invention provides a differential transimpedance amplifier for an optical receiver.
도 1은 본 발명에 의한 광수신기용 차동 트랜스임피던스 증폭기를 나타낸 회로구성도이다.1 is a circuit diagram showing a differential transimpedance amplifier for an optical receiver according to the present invention.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 --Explanation of symbols for the main parts of the drawings-
10 : 제 1버퍼 20 : 제 2버퍼10: first buffer 20: second buffer
30 : 차동증폭기 40 : 문턱전압보상 부하단30: differential amplifier 40: threshold voltage compensation load stage
50 : 제 3버퍼 60 : 출력단50: third buffer 60: output stage
상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 광신호를 전류신호으로 변환하는 포토다이오드의 출력을 입력받아 포토다이오드와 절연시키는 조절캐스코드 구조의 제 1버퍼와, 차동구조의 대칭성을 위해 제 1버퍼와 대칭으로 형성된 제 2버퍼와, 제 1버퍼와 제 2버퍼의 출력을 입력으로 하는 차동증폭기와, 차동증폭기와 전원전압 사이에 매개되어 넓은 스윙폭으로 다이나믹 레인지를 넓히기 위한 문턱전압보상 부하단과, 차동증폭기의 차동출력값을 입력받아 DC레벨 쉬프팅과 저전력으로 높은 이득을 얻도록 하는 캐스코드 구조의 제 3버퍼와, 제 3버퍼의 출력을 션트피킹 기술로 소자의 대역폭을 넓혀 고속동작을 하도록 하는 출력단으로 이루어진 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object is the first buffer of the control cascode structure to receive the output of the photodiode converting the optical signal into the current signal and insulated from the photodiode, and the first buffer for the symmetry of the differential structure A second buffer formed symmetrically, a differential amplifier having the outputs of the first buffer and the second buffer as inputs, a threshold voltage compensation load stage for widening the dynamic range with a wide swing width between the differential amplifier and the power supply voltage, The third buffer of cascode structure to get high gain with DC level shifting and low power by receiving the differential output value of the differential amplifier, and the output stage for high speed operation by widening the bandwidth of the device by shunt peaking technology. Characterized in that consisting of.
위와 같이 이루어진 본 발명은 차동증폭기의 입력단에 조절 케스코드 구조의 제 1버퍼와 제 2버퍼에 포토다이오드와 절연시키게 되어 주파수 특성이 좋아지며 낮은 노이즈 특성을 갖게 되고 차동구조의 대칭성을 위한 매핑 포토다이오드 커패시터가 불필요해지는 장점이 있으며, 차동증폭기의 문턱전압을 보상하는 부하로써 넓은 스윙폭을 가져오는 부하를 사용함으로써 출력스윙이 Vdd까지 가능하게 하여, 다이나믹 레인지를 넓힐 수 있도록 하고 차동증폭기의 출력을 캐스코드 구조의 제 3버퍼를 경유하도록 함으로써 DC레벨 쉬프팅 뿐만 아니라 저전력으로 높은 이득을 가져올 수 있도록 하고, 출력단의 션트피킹 기술로 소자의 대역폭을 넓혀 고속동작이 가능하도록 작동된다.According to the present invention made as described above, the first and second buffers of the control cascode structure are insulated from the photodiode at the input terminal of the differential amplifier, so that the frequency characteristics are improved, the noise characteristics are low, and the mapping photodiode for symmetry of the differential structure Capacitors are eliminated, and the load that compensates the threshold voltage of the differential amplifier can be used as a load that has a wide swing width, allowing the output swing to Vdd, widening the dynamic range, and cascading the output of the differential amplifier. By passing through the third buffer of the code structure, not only the DC level shifting but also high gain with low power, and the output shunt peaking technology widens the device bandwidth to operate at high speed.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 또한 본 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, this embodiment is not intended to limit the scope of the present invention, but is presented by way of example only.
도 1은 본 발명에 의한 광수신기용 차동 트랜스임피던스 증폭기를 나타낸 회로구성도이다.1 is a circuit diagram showing a differential transimpedance amplifier for an optical receiver according to the present invention.
여기에 도시된 바와 같이, 광펄스신호를 광기전력으로 변환하는 포토다이오드(PD)의 출력을 입력받아 포토다이오드(PD)와 절연시키는 조절캐스코드 구조의 제 1버퍼(10)와, 차동구조의 대칭성을 위해 제 1버퍼(10)와 대칭으로 형성된 제 2버퍼(20)와, 제 1버퍼(10)와 제 2버퍼(20)의 출력을 입력으로 하는차동증폭기(30)와, 차동증폭기(30)와 전원전압(Vdd) 사이에 매개되어 넓은 스윙폭으로 다이나믹 레인지를 넓히기 위한 트랜스임피던스 부하단(40)과, 차동증폭기(30)의 차동출력값을 입력받아 DC레벨 쉬프팅과 저전력으로 높은 이득을 얻도록 하는 캐스코드 구조의 제 3버퍼(50)와, 제 3버퍼(50)의 출력을 션트피킹 기술로 소자의 대역폭을 넓혀 고속동작을 하도록 하는 출력단(60)으로 이루어진다.As shown here, the first buffer 10 of the control cascode structure that receives the output of the photodiode PD for converting the optical pulse signal into photovoltaic power and insulates the photodiode PD, and the differential structure The second buffer 20 formed symmetrically with the first buffer 10 for symmetry, the differential amplifier 30 having the output of the first buffer 10 and the second buffer 20, and the differential amplifier ( 30) and the power supply voltage (Vdd) is input between the transimpedance load stage 40 to widen the dynamic range with a wide swing width, and the differential output value of the differential amplifier 30 receives a high gain with DC level shifting and low power A third buffer 50 having a cascode structure and an output terminal 60 having a high-speed operation by increasing the bandwidth of the device by the shunt peaking technique are used for the output of the third buffer 50.
위와 같이 이루어진 본 발명을 설명하면 다음과 같다.Referring to the present invention made as described above are as follows.
포토다이오드(PD)를 통해 입력되는 광신호는 조절캐스코드 구조의 제 1버퍼(10)를 통해 입력되는데, 이때 제 1버퍼(10)와 제 2버퍼(20)의 조절캐스코드 구조로 인해 입력에서 바라보는 gm이 로컬 피드백되는 제 1NMOS트랜지스터(M1)의 트랜스콘덕턴스(transconductance, gm)을 루프전압 게인만큼 증가시키게 된다. 따라서 포토다이오드(PD)부터 절연시키는 버퍼로써 작용하게 되어 주파수 특성을 좋게 할 뿐만 아니라, 낮은 노이즈 특성을 가져오며, 매칭 커패시터가 필요 없게 만들어준다.The optical signal input through the photodiode (PD) is input through the first buffer 10 of the control cascode structure, which is input due to the control cascode structure of the first buffer 10 and the second buffer 20 G m, which is viewed from, increases the transconductance g m of the first NMOS transistor M1 to which local feedback is performed by the loop voltage gain. Therefore, it acts as a buffer to isolate the photodiode (PD), which not only improves the frequency characteristics, but also brings low noise characteristics and eliminates the need for matching capacitors.
따라서, 기존의 방식에서 차동증폭기의 대칭성을 위하여 부가적으로 사용되는 포토다이오드 커패시터를 사용하지 않아도 됨으로써 프리앰프가 차지하는 면적을 줄일 뿐만 아니라 프리앰프에 있어 가장 중요한 시스템 팩터인 노이즈특성도 좋아진다.Therefore, the conventional method eliminates the need for an additional photodiode capacitor used for the symmetry of the differential amplifier, thereby reducing the area occupied by the preamplifier and also improving noise characteristics, which are the most important system factor for the preamplifier.
또한, 제 1버퍼(10)를 통해 입력된 신호는 차동증폭기(30)에서 증폭된다. 이때 차동증폭기(30)의 트랜스임피던스 부하단(40)은 제 4NMOS트랜지스터(M4)와 제5NMOS트랜지스터(M5)의 게이트가 제 2NMOS트랜지스터(M2)와 제 3NMOS트랜지스터(M3)의 소오스에 연결되어 문턱전압(Vth) 손실을 보상함으로써 출력 스윙폭을 전원전압(Vdd)까지 가능하게 함으로써 소자의 다이나믹 레인지를 넓혀주게 된다.In addition, the signal input through the first buffer 10 is amplified by the differential amplifier 30. At this time, the transimpedance load stage 40 of the differential amplifier 30 has a threshold when the gates of the fourth NMOS transistor M4 and the fifth NMOS transistor M5 are connected to the sources of the second NMOS transistor M2 and the third NMOS transistor M3. Compensating the voltage (Vth) loss allows the output swing width up to the supply voltage (Vdd), thereby widening the dynamic range of the device.
그리고, 차동증폭기(40)에서 증폭된 신호는 제 3버퍼(50)의 캐스코드 구조에 의해 적당한 DC레벨로 바꾸어 주는 DC레벨 쉬프팅 역할을 하며 높은 이득을 얻게 도와주기 때문에 부가적인 포스트앰프를 사용하지 않고서도 저전력으로 높은 이득을 얻을 수 있게 된다.In addition, the signal amplified by the differential amplifier 40 plays a role of DC level shifting to change to a proper DC level by the cascode structure of the third buffer 50 and does not use an additional post amplifier because it helps to obtain a high gain. High gains can be achieved at low power without the need.
이렇게 제 3버퍼(50)를 통과한 광전신호는 출력단(60)을 통해 출력된다.The photoelectric signal passing through the third buffer 50 is output through the output terminal 60.
이때 출력단(60)은 션트피킹 기술로 전원전압(Vdd)과 제 1내지 제 2인턱터(L1,L2)를 통해 연결되어 있어 소자의 대역폭을 넓혀 고속동작이 가능하도록 하고 있다.At this time, the output terminal 60 is connected through the power supply voltage Vdd and the first to second inductors L1 and L2 by shunt peaking technology, thereby widening the bandwidth of the device to enable high-speed operation.
위와 같이 광수신기의 트랜스임피던스 증폭기를 공통모드 제거기능을 갖는 차동증폭기(30)로 형성함으로써 기판 커플링 노이즈나 채널같은 커플링 노이즈는 높은 공통모드 제거 특성에 의해 제거되기 때문에 낮은 노이즈 특성을 나타내며, 포스트앰프에서 차동신호 출력을 만들기 위한 작업을 용이하게 한다.By forming the transimpedance amplifier of the optical receiver as the differential amplifier 30 having the common mode rejection function, the coupling noise such as the substrate coupling noise or the channel is removed by the high common mode rejection characteristic, thereby exhibiting low noise characteristics. This facilitates the task of making differential signal outputs in the post amplifier.
또한, 조절캐스코드 구조의 제 1내지 제 2버퍼(10,20)와, 스윙폭이 넓은 트랜스임피던스 부하단(40)과 캐스코드 구조의 제 3버퍼(50)와, 션트피킹 기술에 의한 출력단(60)을 통해 고속, 고이득, 낮은 노이즈 특성 및 광대역의 특성을 갖게 된다.Also, the first to second buffers 10 and 20 of the adjustable cascode structure, the transimpedance load stage 40 having a wide swing width, the third buffer 50 of the cascode structure, and the output stage by the shunt peaking technique. Through 60, high speed, high gain, low noise, and broadband characteristics are obtained.
상기한 바와 같이 본 발명은 광수신기용 트랜스임피던스 증폭기를 차동구조로 형성함으로써 프리앰프단의 면적을 줄이며, 고속, 고이득, 낮은 노이즈 특성 및 광대역의 특성을 갖는 이점이 있다.As described above, the present invention reduces the area of the preamplifier stage by forming a transimpedance amplifier for an optical receiver in a differential structure, and has advantages of high speed, high gain, low noise, and broadband characteristics.
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