KR100682993B1 - 트랜스포머를 이용한 광수신 장치 - Google Patents

트랜스포머를 이용한 광수신 장치 Download PDF

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은 트랜스포머를 이용한 광수신 장치에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은, 광수신 장치에서 광전변환기(포토다이오드)와 트랜스임피던스 증폭기 중간에 트랜스포머를 삽입함으로써, 제1단의 광전변환기(포토다이오드)의 영향(기생성분의 영향)이 트랜스임피던스 증폭기에 미치지 않게 하고, 또한 제2단에 의해 임피던스 정합 및 주파수공진이 되게 하여 대역폭을 증가시킬 수 있는, 트랜스포머를 이용한 광수신 장치를 제공하는데 그 목적이 있음.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은, 광수신 장치에 있어서, 광신호를 수신하여 전기적 신호로 변환하기 위한 광전변환 수단; 상기 광전변환 수단의 영향이 트랜스 임피던스 증폭 수단에 미치지 않도록, 1차단은 상기 광전변환 수단에 연결되고 2차단은 트랜스임피던스 증폭 수단의 입력단에 연결되는 트랜스포머 수단; 및상기 트랜스포머 수단의 1차단에는 연결되지 않고 2차단에만 연결되는 상기 트랜스 임피던스 증폭 수단을 포함함.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 광수신 장치에 이용됨.
트랜스포머, 트랜스임피던스 증폭기, 제한증폭기, 포토다이오드, 기생성분

Description

트랜스포머를 이용한 광수신 장치{Optical Receiving Apparatus using transformer}
도 1 은 종래의 광수신 장치의 구성예시도,
도 2 는 본 발명에 따른 트랜스포머를 이용한 광수신 장치의 일실시예 구성도,
도 3 은 일반적인 트랜스포머가 사용된 고주파 회로의 구성도,
도 4 는 본 발명에 따른 트랜스포머를 이용한 광수신 장치의 일실시예 상세 회로도,
도 5 는 트랜스포머 동작에 의한 도 4의 광수신 장치의 등가회로도,
도 6 은 본 발명에 따른 파라시틱 캐패시턴스의 감소 효과에 대한 설명도,
도 7 은 본 발명에 따른 트랜스포머의 감은 수(turn 수)에 따른 매칭 변화에 대한 설명도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
200: 포토다이오드 210: 트랜스판더
211: 트랜스포머 212: 트랜스임피던스 증폭기
213: 제한 증폭기
본 발명은 트랜스포머를 이용한 광수신 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광수신 장치에서 광전변환기(포토다이오드)와 트랜스임피던스 증폭기 중간에 트랜스포머를 삽입함으로써, 제1단의 광전변환기(포토다이오드)의 영향(기생성분의 영향)이 트랜스임피던스 증폭기에 미치지 않게 하고, 또한 제2단에 의해 임피던스 정합 및 주파수공진이 되게 하여 대역폭을 증가시킬 수 있는, 트랜스포머를 이용한 광수신 장치에 관한 것이다.
도 1 은 종래의 광수신 장치의 구성예시도이다.
종래에는 광수신 장치가, 도면에 도시된 바와 같이, 2개의 칩(100, 110)으로 구별되어 패키지화 되었으며, 또한 포토다이오드(101)가 트랜스임피던스 증폭기 (102)와 연결되어 있어, 포토다이오드의 영향(예를 들면, 기생 캐패시터의 영향)으로 광수신 장치의 성능이 저하되는 문제점이 있었다.
즉, 광전송선을 통해 전달된 광신호는 포토다이오드(101)를 통해 전기신호로 변환된 뒤, 트랜스임피던스 증폭기(102)를 통해 큰 신호로 증폭이 된다. 근래에는 높은 주파수의 신호를 처리하기 위해, 포토다이오드의 캐패시터 성분을 작게 하여 트랜스임피던스 증폭기에 영향을 주지 않도록 설계해야 하지만, 여러 파라시틱 성 분에 의해 성능 구현이 곤란하다는 문제점이 있었다.
한편, 종래의 광수신 장치에서도 트랜스포머를 이용하였지만, 단지 임피던스 트랜스포머로 사용되어 임피던스 정합용으로 사용이 되었고, 제 1단과는 분리가 되지 않고 연결되어 있기 때문에 제 1단의 기생성분 캐패시터에 의한 영향을 받고 있다. 이러한, 종래의 기술은 단지 인덕터를 이용하여 임피던스 정합을 함으로써 이득의 손실을 보상하는 기능만을 수행하는 한계가 있었다. 그리고, 트랜스포머의 인덕턴스가 가변되지 않기 때문에, 고정된 공진주파수를 갖고 있으며, 또한 트랜스포머에 연결되는 트랜스임피던스 증폭기는 차동입력이 아닌 단일 입력의 형태를 갖고 있어 그 사용상 한계가 있다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 광수신 장치에서 광전변환기(포토다이오드)와 트랜스임피던스 증폭기 중간에 트랜스포머를 삽입함으로써, 제1단의 광전변환기(포토다이오드)의 영향(기생성분의 영향)이 트랜스임피던스 증폭기에 미치지 않게 하고, 또한 제2단에 의해 임피던스 정합 및 주파수공진이 되게 하여 대역폭을 증가시킬 수 있는, 트랜스포머를 이용한 광수신 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 광수신 장치에 있어서, 광신호를 수신하여 전기적 신호로 변환하기 위한 광전변환 수단; 상기 광전변환 수단의 영향이 트랜스 임피던스 증폭 수단에 미치지 않도록, 1차단은 상기 광전변환 수단에 연결되고 2차단은 트랜스임피던스 증폭 수단의 입력단에 연결되는 트랜스포머 수단; 및상기 트랜스포머 수단의 1차단에는 연결되지 않고 2차단에만 연결되는 상기 트랜스 임피던스 증폭 수단을 포함한다.
단지 인덕터를 이용하여 임피던스 정합을 함으로써 이득의 손실을 보상하는 기능만 수행하는 기존의 기술과 달리, 본 발명에서는 이것 이외 트랜스포머를 이용하여 신호가 전달되는 특성을 이용하여 제 1단의 기생성분의 영향을 줄이고, 제 2단에 의해 임피던스 정합 및 주파수공진이 되도록 설계하여 대역폭을 증가하고 이득의 손실을 줄이는 설계가 가능하다. 그리고, 각 단의 인덕턴스를 임의로 가변하여 기생성분값을 정확히 알지못하더라도 원하는 대역폭을 얻기위해 인덕턴스를 튜닝할 수 있다. 그리고, 트랜스포머를 통해 포토다이오드와 트랜스임피던스 증폭기가 완전히 격리되기 때문에 광수신 장치를 제작할 때 집적할 수 있는 회로의 범위를 확장할 수 있다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또 한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2 는 본 발명에 따른 트랜스포머를 이용한 광수신 장치의 일실시예 구성도이다. 여기서, "200"은 포토다이오드, "210"은 트랜스판더(Transponder)를 나타낸다.
본 발명은 반도체 회로(Semiconductor circuit) 등에 관한 것으로, 광수신 장치에 트랜스포머를 적용하여 1단(1차단)의 전류를 2단(2차단)에 전달하고 제 1단의 기생성분의 캐패시터가 2단과 완전히 분리되며 2단의 트랜스포머가 갖는 인덕턴스를 이용하여 광대역 특성을 갖도록 하는 회로에 관한 것이다.
트랜스임피던스 증폭기(212)의 뒷 단은 제한 증폭기(213)로 일반적으로 차동입출력으로 구성되어 있다. 따라서, 트랜스임피던스 증폭기 구조를 차동증폭기 형태로 구현하면, 기판 잡음을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 균형잡힌 신호로 처리할 수 있다.
또한, 포토다이오드(200)와 트랜스임피던스 증폭기(201)를 격리시켜, 포토다이오드(200)의 캐패시터 영향없이 대역폭과 이득을 증가시킬 수 있다. 그리고 트랜스포머(211)의 1차단과 2차단의 감은 수 비를 조정하여 트랜스임피던스 증폭기(212) 입력단의 임피던스를 변화시켜 이상적인 대역폭을 갖는 감은 수를 찾아 전체 광수신 장치의 성능을 향상시킬 수 있다.
트랜스포머에 의한 파라시틱 캐패시터는 작아야 하며, 트랜스포머의 공진주파수가 10 GHz이상이 되기 위해서는 트랜스포머의 사이즈는 작게 설계되어야 한다.
이하, 트랜스포머 연결시의 기본적인 동작을 설명하면, 다음과 같다. 전송선을 통해 입사된 광신호는 포토다이오드(200)에서 전류로 변환된다. 이렇게 변환된 전류가 트랜스포머(211)의 1차 단의 코일을 통해 흐르게 되면, 자기력이 유도되어 2차단의 코일에 전류가 흐르게 된다. 이 전류가 트랜스임피던스 증폭기(212)의 입력단을 통해 전압으로 증폭되어 제한 증폭기(213)로 입력된다. 흐르는 전류의 양은 트랜스포머(211) 각 단의 코일 감은 수와 파라시틱 성분에 의해 결정이 된다.
광대역 특성을 얻기 위해서는, 인덕터와 캐패시터의 공진특성에 의해 극점(pole)의 위치를 높은 주파수로 옮겨 대역을 확장할 수 있다. 이 경우, 파라시틱 캐패시터와 트랜스포머의 인덕턴스을 이용하여 공진주파수를 얻는다. 일반적으로 파라시틱 캐피시터의 값은 정확하지 않기 때문에 트랜스포머의 인덕턴스를 가변할 수 있는 구조를 이용하면 정확한 대역폭 조절이 가능하다.
따라서, 본 발명에서는 인덕턴스를 가변할 수 있는 트랜스포머를 이용하여 파라시틱 캐패시턴스를 감소하고 인덕터의 피킹기술을 이용하여 트랜스임피던스의 대역폭을 확장할 수 있는 설계 방법과 결과에 대한 것이다.
포토다이오드(101)와 트랜스임피던스 증폭기(102)사이에 기생성분이 증가하면, 신호의 손실과 대역폭의 감소가 크기 때문에 이것을 줄이기 위해 따로 설계가 되어야 한다. 일반적으로 포토다이오드(200)와 트랜스임피던스 증폭기(212)는 본딩와이어를 통해 연결이 되며 기생 캐패시터를 줄이기 위한 회로 구조로 트랜스임피 던스 증폭기를 설계한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 광수신 장치에 트랜스포머(211)를 적용할 경우, 포토다이오드(200)와 격리되는 특성을 이용하여 트랜스임피던스 증폭기부터 이후의 회로(212, 213, 214, 215)를 하나의 칩으로 만들고, 포토다이오드(200)만 따로 제작하여 연결한다.
포토다이오드(200)와 연결되는 부분에 기생하는 성분의 영향은 제 1단에서의 임피던스 공진에 의해 제거하여 신호의 감쇄를 최소화한다. 하나의 칩으로 집적이 가능하기 때문에, 가격을 낮추어 경쟁력있는 칩의 제작이 가능하다.
그러나, 트랜스포머가 실리콘 기판위에 집적이 되면서 특성이 저하되어 회로성능에 약간의 감소가 예상되지만, 작은 인덕턴스를 갖는 트랜스포머의 특성을 정확히 알고 튜닝을 통해 회로에 적용한다면 회로의 설계가 원하는 스펙에 근접하는 성능을 갖도록 할 수 있다.
도 3 은 일반적인 트랜스포머가 사용된 고주파 회로의 구성도이다.
포트(Port)1(201)로 입력신호가 들어가고 트랜스포머(202)를 통해 포트(Port)2(203)와 포트(Port)3(204)로 각각 차동형태로 신호가 전달된다. 트랜스포머(202)의 역할은 입력신호의 크기를 절반으로 나누어 각각 포트2(203)와 3(204)에 위상이 180도 차이가 나는 신호를 트랜스포머의 손실과 결합(coupling) 상수에 비례해서 전달한다. 입력의 임피던스 매칭을 위해서는 포트2, 3(203, 204)의 인덕턴스 값을 정확히 조절하는 것이 요구된다.
도 4 는 본 발명에 따른 트랜스포머를 이용한 광수신 장치의 일실시예 상세 회로도로서, 트랜스포머(402)를 광수신 장치에 적용할 경우, 트랜스임피던스 증폭기(403)와 연결되는 회로도를 보여주고 있다.
포토다이오드(401)에 입력되는 광신호는 포토다이오드의 특성인 반응도 (responsivity)에 의해 전류신호로 변환이 된다. 변환된 전류신호는 일반적으로 트랜스임피던스 증폭기(403)로 바로 연결되지만, 본 발명에서는 도 4에 도시된 바와같이, 트랜스포머(402)를 중간에 삽입하여 입력단과 격리시켜 포토다이오드(401)에 의한 영향이 트랜스임피던스 증폭기(403)에 미치지 않도록 한다.
따라서, 트랜스임피던스 증폭기(403)의 이득은 트랜스임피던스에 의해 결정이 되고 대역폭은 트랜스포머의 인덕턴스와 기생 캐패시턴스에 의해 결정된 공진주파수에 의해 결정이 된다.
도 5 는 트랜스포머 동작에 의한 도 4의 광수신 장치의 등가회로도로서, 도 4의 회로도에 기생성분과 등가회로를 추가하여 만들어진 회로이다.
포토다이오드(501)와 병렬로 연결된 Cp(502)는 포토다이오드(501)의 기생 캐패시터이며, 트랜스포머 제 1단(503)의 인덕터중 Lb는 포토다이오드와 트랜스포머가 본딩으로 연결되면서 생기는 본딩인덕터이며, L1은 트랜스포머의 인덕터로 2개가 직렬로 연결이 되기 때문에 전체 1단(503)의 인덕턴스값은 Lb와 L1의 합이 된다.
L2와 L3은 각각 트랜스포머 2단(504)의 인덕턴스값이며, C2와 C3은 트랜스포머와 트랜스임피던스 증폭기의 입력에서 기생하는 캐패시터를 나타내고 있다.
1단(503)과 2단(504)은 결합(coupling) 상수가 변환되며 각각은 감은 수는 N1, N2, 그리고 N3로 다른 값을 갖도록 하여 인덕턴스를 변화시킬 수 있다.
도 6 은 본 발명에 따른 파라시틱 캐패시턴스의 감소 효과에 대한 설명도이다.
도6에 도시된 바와 같이, 대역폭을 확장하기 위해서는, 기생 캐패시터와 트랜스포머의 인덕터에 의한 공진주파수를 대역폭 근처의 주파수로 이동시켜 원하는 대역폭을 얻을 수 있다. 이 경우 인덕터 피킹에 의해 약간의 오버슈트(overshoot)가 발생할 수 있다.
도 7 은 본 발명에 따른 트랜스포머의 감은 수(turn 수)에 따른 매칭 변화에 대한 설명도로서, 트랜스포머의 각 단의 감은 수를 변화시키면서 임피던스 정합이 어떤 경향으로 바뀌는가를 보여주고 있다.
도면에 도시된 바와 같이, 낮은 주파수에서는 반사계수가 낮은 값을 갖고 있지만, 인덕턴스가 감소함에 따라 임피던스 정합이 되는 주파수는 올라가지만 반사계수도 증가하면서 정합 특성이 나빠지는 것을 볼 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
상기와 같은 본 발명은, 초고주파 회로에서 일반적으로 적용이 되어왔던 트 랜스포머를 광수신 장치에 적용함으로써, 광대역 특성을 갖는 회로의 제작을 용이하게 하고, 회로 집적도를 높이는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 트랜스포머를 광수신 장치에 적용하여 주파수 튜닝 및 임피던스 정합을 조절할 수 있게 하고, 포토다이오드와 트랜스임피던스 증폭기가 트랜스포머를 통해 격리되는 특성을 이용하여 광수신 장치의 집적할 수 있는 회로의 범위가 증가시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 트랜스포머의 인덕턴스를 튜닝하여 공진주파수를 변화시키면서, 원하는 대역폭을 얻을 수 있게 하고, 또한 트랜스포머의 특성상 제 2단의 출력이 차동으로 나올 수 있기 때문에 차동입출력의 트랜스임피던스 증폭기의 제작을 용이하게 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 트랜스임피던스 증폭기와 클럭데이타 복구회로를 분리해서 패키지화 했던 종래기술과 달리, 트랜스포머를 이용함으로써, 트랜스임피던스 증폭기부터 디먹스(디멀티플렉스)까지 하나의 칩으로 만든 후 포토다이오드만 따로 트랜스임피던스 증폭기와 연결하여 광수신 장치를 제작하는 것을 가능하게 하는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 광수신 장치에 있어서,
    광신호를 수신하여 전기적 신호로 변환하기 위한 광전변환 수단;
    상기 광전변환 수단의 영향이 트랜스 임피던스 증폭 수단에 미치지 않도록, 1차단은 상기 광전변환 수단에 연결되고 2차단은 트랜스임피던스 증폭 수단의 입력단에 연결되는 트랜스포머 수단; 및
    상기 트랜스포머 수단의 1차단에는 연결되지 않고 2차단에만 연결되는 상기 트랜스 임피던스 증폭 수단
    을 포함하는 트랜스포머를 이용한 광수신 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 트랜스포머 수단은,
    상기 1차단과 상기 2차단의 인덕턴스가 가변됨으로써, 임피던스 정합 및 상기 트랜스임피던스 증폭 수단의 대역폭이 조절되는 것을 특징으로 하는 트랜스포머를 이용한 광수신 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 트랜스포머 수단은,
    상기 트랜스포머 수단의 출력이 상기 트랜스임피던스 증폭 수단의 입력이 되도록, 상기 트랜스포머 수단의 두개의 출력이 180도의 위상차가 발생되도록 연결되는 것을 특징으로 하는 트랜스포머를 이용한 광수신 장치.
KR1020040104857A 2004-12-13 2004-12-13 트랜스포머를 이용한 광수신 장치 KR100682993B1 (ko)

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