KR100848360B1 - 집적된 필터링 및 감소된 기생 커패시턴스를 갖는트랜스임피던스 증폭기 - Google Patents

집적된 필터링 및 감소된 기생 커패시턴스를 갖는트랜스임피던스 증폭기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 집적 필터링을 갖는 트랜스임피던스 증폭기(TIA)에 관한 것이다. 커패시턴스가 TIA에 통합되고 전원 및 상기 TIA의 내부접지에 연결되어 있다. 트랜스임피던스 증폭기의 전원상의 잡음은 상기 전원잡음이 감소되도록 커패시터에 의해 필터된다. 집적된 커패시터도 또한 접지잡음을 줄인다. 상기 집적된 커패시터는 또한 또 다른 회로로부터 수신될 수 있는 공통모드잡음의 영향을 줄인다.
트랜스임피던스 증폭기(TIA), 광수신기, 트랜지스터 아웃라인 캔

Description

집적된 필터링 및 감소된 기생 커패시턴스를 갖는 트랜스임피던스 증폭기{Transimpedance Amplifier With Integrated Filtering And Reduced Parasitic Capacitance}
본 발명은 일반적으로 광수신기와 같은 광전자 부품에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명의 실시예는 전원잡음, 접지잡음, 및 출력공통모드잡음을 포함한 트랜스임피던스 증폭기로부터의 고주파수 잡음을 필터링하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
광섬유 케이블은 컴퓨터 및 통신 네트워크에 사용되는 수단 중 하나이다. 광섬유 네트워크는 변조된 광신호를 사용하여 데이터를 전송한다. 광은 종종 전류가 디지털 데이터스트림의 1 및 0을 나타내도록 변조되는 레이저에 의해 발생된다. 광신호가 광섬유 케이블을 통해 데이터를 전달하는데 사용되나, 광신호는 일반적으로 데이터를 추출하고 처리하기 위해 전기신호로 변환된다. 컴퓨터는 광신호를 검출하고 번역하는 소정 타입의 장치를 필요로 한다.
광수신기는 광신호를 수신하고 해석하기 위해 특별히 제작되었다. 광수신기는 일반적으로 입사광신호의 전력에서의 변화에 응답하여 전류 또는 전압을 발생할 수 있는 몇몇 종류의 검출기를 포함한다. 광섬유 수신기는 광섬유를 통해 수신된 광신호를 전기신호로 변환시킨 후, 광수신기는 전기신호를 증폭시키고 상기 전기신호를 전기 디지털 데이터스트림으로 변환시킨다.
광수신기에서 검출기로서 사용된 공통장치들 중 하나는 포토다이오드이다. 포토다이오드는 입사광에 응답하여 전류를 발생시킴으로써 동작된다. 입사광의 광전력이 포토다이오드에 흐르는 전류를 결정한다. 사실상, 광신호는 광섬유에 의해 전달된 디지털 데이터에 응답하는 포토다이오드에 전류를 발생시킨다.
적절하게 동작하기 위해, 포토다이오드는 양극을 트랜시임피던스 증폭기(transimpedance amplifier)의 입력에 연결시키고 음극을 전원 또는 바이어싱 회로에 연결시켜 반대로 바이어스된다. 이상적으로, 전원 또는 바이어싱 회로가 일정한 전압을 제공하여 포토다이오드에서의 전류가 입사광 신호에 기여할 수 있게 한다. 불행히도, 전원은 거의 불변의 잡음을 가지고 있다. 잡음은 스위칭, 호스트 보드연결, 및 다른 소스에서 나올 수 있다. 더욱이, 전원잡음은 종종 광네트워크상에 전달되는 데이터의 주파수와 동일한 범위에 있을 수 있는 주파수에 있다. 그 결과, 전원의 잡음은 포토다이오드에 의해 발생되는 전류에 영향을 끼칠 수 있고 광수신기의 성능에 해로운 영향을 끼친다.
전원상의 잡음이 입사광신호에 의해 발생된 전류와 함께 트랜스임피던스 증폭기에 들어간다. 잡음은 포토다이오드로부터의 신호에 따라 트랜스임피던스 증폭기에 의해 증폭된다. 따라서, 트랜스임피던스 증폭기의 성능이 손상된다. 전원잡음 문제에 대한 한가지 가능한 방안은 포토다이오드의 음극에 디커플링 커패시터(decoupling capacitor)를 사용하여 잡음을 접지(ground)로 돌리는 것이다. 디커 플링 커패시터는 각각의 회로부품이며 따라서 각각의 광수신기의 제조에 추가 비용을 도입하게 한다. 디커플링 커패시터는 또한 종종 집적회로에 결합된 접지와는 다른 외부 접지에 연결된다. 이는 특히 더 큰 주파수에 대해 사실이다.
집적회로 내부접지잡음과 같은 다른 고주파수 잡음 소스와 공통모드잡음은 외부 디커플링 커패시터에 의해 영향받지 않는다. 트랜스임피던스 증폭기에서, 트랜스임피던스 증폭기의 국소 접지는 종종 예컨대 본드 와이어가 있는 외부 접지에 연결된다. 고주파수에서, 접지 본드 와이어의 인덕턴스는 IC 내부접지 및 외부접지 사이에 상당한 임피던스를 도입하고 따라서 트랜스임피던스 증폭기에 의해 증폭되는 잡음을 도입하여 상기 트랜스임피던스 증폭기의 성능을 저하시킨다.
공통모드잡음은 종종 트랜스임피던스 증폭기의 출력을 통해 트랜스임피던스 증폭기로 들어갈 수 있다. 상기 트랜스임피던스 증폭기의 출력에 연결된 다른 집적회로가 이런 식으로 공통모드잡음에 도입될 수 있다. 공통모드잡음이 문제가 되는 이유 중 하나는 트랜스임피던스 증폭기의 입력단이 차동입력이 아니기 때문이다. 그 결과, 트랜스임피던스 증폭기의 입력단으로 옮겨간 공통모드잡음이 트랜스임피던스 증폭기의 성능에 영향을 줄 수 있다.
이들 및 다른 제한들은 트랜스임피던스 증폭기에서의 잡음을 필터링하는 시스템 및 방법에 관한, 보다 상세하게는 집적된 필터링을 갖는 트랜스임피던스 증폭기에 관한 본 발명의 실시예에 의해 극복된다. 본 발명의 실시예는 온칩(on chip) 자동이득제어 및 DC 소거를 갖는 트랜스임피던스 증폭기를 포함한다. 본 발명의 실시예는 디커플링 커패시터와 같은 외부 부품들 없이 광범위한 주파수와 입력 범위를 통한 안정적인 동작을 제공한다.
본 발명의 일실시예에서, 포토다이오드의 음극과 일예에서 트랜스임피던스 증폭기 집적회로의 내부 접지 사이에 집적 커패시터를 포함할 수 있는 별도의 필터링 모듈이 트랜스임피던스 증폭기에 통합된다. 필터링 모듈은 포토다이오드의 음극에 설치된 필터된 전원을 발생시킨다. 그런 후, 포토다이오드의 양극이 트랜스임피던스 증폭기에 입력된다. 신호는 트랜스임피던스 증폭기에 의해 증폭되고 차동신호로서 출력된다.
일실시예에서, 필터링 모듈은 트랜스임피던스 증폭기의 입력단의 내부 접지에 연결된다. 이는 포토다이오드의 양극과 음극을 부트스트랩(bootstrap)시킨다. 이런 식으로 상기 필터링 모듈을 연결함으로써, 고주파수 접지 잡음이 동일한 진폭 및 위상을 갖는 포토다이오드(양극 및 음극)의 양측에 나타나는 경향이 있다. 따라서, Ipd=Cpd∂Vpd/∂t=0.
필터링 모듈은 또한 클록 및 데이터 복구모듈 또는 후치증폭기와 같은 다른 집적회로의 연결을 통해 트랜스임피던스 증폭기에 들어가는 공통모드잡음을 필터한다. 본 발명의 이들 및 다른 이점과 특징은 하기의 설명과 첨부도면으로부터 보다 완전하게 이해되거나, 하기에 나타난 바와 같이 본 발명의 실시예에 의해 알게 된다.
본 발명의 상기 및 다른 이점과 특징을 더 명확히 하기 위해, 첨부도면에 도시된 특정 실시예를 참조로 본 발명을 더 상세하게 설명한다. 이들 도면은 단지 본 발명의 일반적인 실시예만을 도시한 것이며 따라서 본 발명의 범위를 제한하려고 의도한 것이 아님을 알아야 한다. 본 발명은 첨부도면의 이용을 통해 추가적인 특이성과 상세한 설명이 기술되고 설명되어 있다:
도 1은 집적 트랜스임피던스 증폭기를 포함하는 광수신기의 일실시예를 도시한 것이다.
도 2는 필터된 전원을 연결된 포토다이오드에 제공하는 집적 트랜스임피던스 증폭기의 블록도이다.
도 3은 필터된 전원을 연결된 포토다이오드에 제공하는 필터링 모듈을 갖는집적 트랜스임피던스 증폭기의 일실시예를 도시한 것이다.
도 4는 집적 커패시터를 사용하여 적어도 하나의 전원잡음을 필터하는 트랜스임피던스 증폭기의 구성도의 일실시예를 도시한 것이다.
도 5는 트랜지스터 아웃라인 헤더에 장착된 집적 트랜스임피던스 증폭기를 도시한 것이다.
도 6은 전원에 연결된 집적 부스트랩 커패시터를 갖는 트랜스임피던스 증폭기와 상기 트랜스임피던스 증폭기의 내부 접지의 또 다른 실시예를 도시한 것이다.
도 7은 트랜스임피던스 증폭기로부터의 필터된 전압을 받아들이는 포토다이오드의 측면도 및 트랜스임피던스 증폭기의 성능에 영향을 끼칠 수 있는 기생 커패시턴스를 줄이는 일예를 도시한 것이다.
도 8은 포토다이오드가 기생 커패시턴스를 줄이기 위해 트랜스임피던스 증폭기의 상단에 장착된 실시예를 도시한 것이다.
도 9는 Vcc 전원 거부에 대한 기생 커패시턴스의 영향을 도시한 것이다.
도 10은 포토다이오드 전원거부에 대한 기생 커패시턴스의 영향을 도시한 것이다.
도 11은 접지잡음거부에 대한 기생 커패시턴스의 영향을 도시한 것이다.
도 12는 출력공통모드거부에 대한 기생 커패시턴스의 영향을 도시한 것이다.
본 발명은 트랜스임피던스 증폭기(TIA)의 성능에 대한 고주파수 잡음의 영향을 줄이는 트랜스임피던스 증폭기(TIA)에 관한 것이다. 본 발명의 실시예는 TIA가 다른 부품들로부터의, 예로써 국한되지 않는, 전원잡음, 접지잡음 및/또는 공통모드잡음을 필터링함으로써 TIA의 성능을 향상시키게 할 수 있다. 본 발명의 실시예는 또한 TIA 와 결부하여 사용된 포토다이오드와 결합된 기생 커패시턴스(parasitic capacitance)를 감소시킬 수 있다. 이점적으로, 본 발명의 실시예는 외부 고주파수 공급 디커플링 커패시터와 같은 외부 커패시터를 필요로 하지 않는다. 이는 TIA의 비용을 절감한다.
도 1은 본 발명의 실시예를 실행하기 위한 예시적인 환경을 도시한 것이다. 도 1은 광신호(광)를 수신하고 상기 광신호를 전기신호 또는 데이터스트림(대개 전압으로 표시됨)로 변환시키는 광섬유 수신기(100)를 도시한 것이다. 광섬유 수신기(100)는 광섬유(102)를 통해 광신호(103)를 수신한다. 광신호를 전기신호 또는 전류로 변환시키는 포토다이오드(104) 또는 다른 광장치가 상기 광신호를 수신하고 전기신호(106)(전류)를 발생시킨다.
TIA(108)는 전기신호(106)를 증폭시켜 증폭된 전기신호(110)를 발생한다. TIA(108)는 저전력을 갖는 신호를 증폭시키는 능력을 상당히 저하함이 없이 큰 전력을 갖는 신호를 증폭시킬 수 있는 광범위한 동적범위를 갖는다. 그런 후 증폭된 전기신호(110)가 후치증폭기(112)에 의해 증폭되거나 클록 및 데이터 복구회로와 같은 또 다른 집적회로에 의해 동작된다. 후치증폭기(114)의 출력(114)은 번역모듈(116)에 의해 해석 또는 번역되고 전기 디지털 신호(118)로 변환된다.
도 2는 TIA의 일실시예를 도시한 것이다. 이 예에서, TIA(108)는 집적회로이고 VCCPD(160) 입력 및 VCC(168) 입력을 갖는다. TIA(108)에 제공된 VCCPD(160) 및 VCC(168)는 종종 상술한 바와 같은 잡음을 갖는다. 또한 VCCPD(160)는 TIA(108)내에서 VCC(168)와 연결되어 있지 않다. 상술한 바와 같이, 이 잡음은 주로 TIA(108)에 공급되는 VCCPD(160) 전에 제거된다. 그러나, TIA(108) 외부에 있는 VCCPD(160)로부터의 잡음을 제거하데는 추가부품들을 필요로 하고 추가비용이 들어간다.
도 2에서, TIA(108)는 초기에 VCCPD(160)를 필터하고 포토다이오드(104)에 공급되는 V필터된CCPD(162)를 생성한다. 포토다이오드(104)에 입사한 광은 전류로 변환되어 TIA(108)로 다시 입력된다. TIA(108)는 이 예에서 차동 출력(106)을 발생시키기 위해 광신호에 응답하여 포토다이오드(104)에 의해 발생된 전류에 따라 동작된다. TIA(108)는 또한 접지(164)를 포함한다. 그러나, 접지(164)는 TIA(108)에 대한 국소적인 접지이며 상기 접지(164)는 예컨대 본드 와이어를 통해 연결되어 있는 외부 접지와 반드시 같을 필요는 없다. TIA(108)의 실시예는 또한 외부 접지로부터의 잡음 뿐만 아니라 전원으로부터의 잡음을 필터한다.
도 3은 본 발명에 따른 예시적인 TIA의 블록도를 도시한 것이다. TIA(108)는 VCC(168)로부터의 전력을 받아들이고, 포토다이오드(104)로부터의 전류(103)를 받아들이는 증폭기(152) 또는 광신호를 전류 또는 전압으로 변환시키는 다른 장치를 포함한다. 하나 이상의 단(stage)을 포함할 수 있는 증폭기(152)는 전기신호를 증폭시키고 수신된 신호의 품질에 영향를 끼치 않게 잡음을 감소시키거나 방지하는데 일조한다. 버퍼도 또한 선택적으로 TIA(108)의 출력에 제공될 수 있다. 증폭기(152)가 다른 구성으로 실행될 수 있음을 당업자는 이해한다. 예시적인 구성은 공통베이스 구성(common base configuration) 및 분로 피드백 구성(shunt feedback configuration)을 포함하나 이에 국한되지 않는다. 게다가, 증폭기(152)는 또한 싱글엔드(single ended) 증폭, 차동증폭 등 또는 그 임의의 조합을 포함할 수 있다.
TIA(108)는 VCCPD(160)과 연결된 필터(150)를 포함한다. 필터(150)는 실질적으로 VCCPD(160)상의 잡음을 제거하거나 줄인다. 필터(150)는 고주파수가 필터(150)에 의해 감쇠되도록 고주파수에 대해 비교적 낮은 임피던스를 가지게 구성된다. 필터(150)의 출력이 포토다이오드(104)에 연결되고 V필터된CCPD(160)를 포토다이오드(104)에 제공한다. 필터(150)의 한가지 이점은 포토다이오드(104)에 의해 발생된 전류가 입사광신호에 응답하고 집적회로에 공급된 VCCPD(160)상의 잡음에 의해 발생되지 않는다는 것이다. 따라서, 포토다이오드(104)에 인가된 바이어스 필터된 전압(V필터된CCPD)은 잡음이 덜하고 필터되지 않은 전압보다 더 일정하다. 필터(150)의 또 다른 이점은 일반적으로 TIA(108)의 국소 접지에 연결된다는 것이다. 이는 필터(150)가 효과적으로 포토다이오드(104)를 부트스트랩시킬 수 있고, 이에 의해 접지잡음 및 출력 공통모드잡음과 관련된 있을 수 있는 일부 악영향을 제거한다.
제어회로(154)는 TIA(108)에 대한 자동이득제어 및 직류(DC) 소거를 제공한다. 제어회로(154)에서, 고주파수 필터(158)는 증폭기(152)에 의해 출력된 DC 성분을 검출하는데 사용될 수 있다. 증폭기(152)의 출력의 DC 성분 또는 저주파수 성분은 고주파수 필터(158)에 의해 통과되고 가변 임피던스회로(156)에 의해 소거된다. 또 다른 실시예에서, 고주파수 필터(158)는 피크 검출기 또는 유사한 회로로 대체될 수 있다.
가변 임피던스 회로(156)는 또한 TIA(108)에 자동이득제어를 제공하는데 이는 가변 임피던스회로(156)의 임피던스가 감소할 때 포토다이오드 전류의 AC 량 중 적어도 일부를 감쇠시킬 수 있기 때문이다. 이는 TIA(108)의 입력범위를 확장할 수 있다. 다르게 말하면, 가변 임피던스회로(156)는 포토다이오드(104)의 평균전류에 따라 변한다. 포토다이오드(104) 또는 다른 소스로부터 받아들여진 평균전류가 증가하면, 가변 임피던스회로의 임피던스는 감소한다.
가변 임피던스회로(156)의 임피던스가 감소하기 때문에, 가변 임피던스회 로(156)는 AC 성분 중 일부를 흡수하거나 감쇠시킨다. 이는 광섬유 수신기의 트랜스임피던스 이득의 자동제어를 제공한다. 평균 포토다이오드 전류가 낮은 경우, 가변 임피던스회로(156)의 임피던스는 비교적 커지고 AC 성분은 흡수되거나 감쇠되지 않고, 증폭기(124)에서 증폭된다. 따라서, TIA의 광감도를 동시에 트레이드 오프(trade off)함이 없이 TIA의 광과부하가 증가된다.
이는 TIA(108)에 이점적인데, 왜냐하면 클리핑, 포화, 또는 다른 문제없이 증폭될 수 있는 신호의 범위가 증가하기 때문이다. AC 성분이 가변 임피던스회로(156)에 의해 흡수되거나 감쇠되지 않음에 따라 저전력 신호가 또한 TIA(108)에 의해 증폭되는 한편, 더 큰 광전력을 갖는 광신호가 가변 임피던스회로(156)에 의해 부분적으로 흡수되거나 감쇠된다. 이에 의해, TIA(208)는 광범위한 신호를 성공적으로 증폭시킬 수 있다. 도 3에 도시된 TIA(108)의 이 예는 또한 고주파수 부스트(high frequency boost)(157)를 포함한다. Vcc에 대한 고주파수 부스트(157)는 TIA(108)의 대역폭을 확장시킨다.
도 4는 TIA(108)의 또 다른 실시예를 도시한 것이다. 도 4에서, 포토다이오드(104)의 음극은 TIA(214)와 일체로 형성된 커패시터(202)에 결합된다. 커패시터(202)는 이 예에서 국소 접지(212)에 연결된다. 커패시터(202)를 국소 접지(212)에 연결시키는 것은 예컨대 국소 접지(212)와 외부접지를 연결하는 본드 와이어에 있을 수 있는 인덕턴스로 인해 외부 접지와의 결합과 구별된다. 커패시터(202)는 또한 예컨대 입력단(224)의 이미터(223)에 결합될 수 있다.
커패시터(202)는 전원으로부터의 고주파수 잡음에 대한 필터의 일예이다. Vcc(215)가 TIA(214)에 수신되고 VCCPD(206)로부터 이격되어 있다. TIA(214)는 커패시터(202)가 부착된 VCCPD(206)에서 내부 접지(212)로의 고주파수 잡음을 필터하고 포토다이오드(104)에 필터된 V필터된CCPD(208)을 제공한다. 따라서, 포토다이오드(104)에 의해 발생된 전류(210)는 광신호에 응답하여 발생되고 전원잡음에 의해 야기된 포토다이오드(104)의 음극전압에서의 변화에 기여하지 않을 수 있다.
포토다이오드에 의해 발생된 전류(210)는 (도 4에서 분로 피드백 구성으로 배열된) 증폭기(216)에 수신되고, 상기 증폭기는 이 예에서 제 1 단(224)과 제 2 단(226)을 포함한다. 제 1 단(224)과 제 2 단(226)은 이득단(218)에 입력을 발생하고 상기 이득단(218)은 이 예에서 고주파수 부스트(228)를 포함한다. 이득단(218)의 출력은 이 실시예에서 차동전압신호이다.
TIA(214)의 증폭기(216)는 이 예에서 상술한 바와 같은 분로 피드백 구성으로 구성된다. 또 다른 실시예에서, 증폭기(216)는 공통 베이스 토폴로지 구성으로 구성될 수 있다. 제 2 단(226)의 출력이 상술한 바와 같이 가변 임피던스와 필터(158)를 제공하는 제어회로(220)에 제공된다. 증폭기(216) 출력의 DC 또는 저주파수 성분은 저주파수 동작 증폭기(230)에 의해 통과된다. 증폭기(230)는 pnp 트랜지스터(222)의 베이스를 구동시킨다. pnp 트랜지스터(222)의 이미터는 포토다이오드(104)에 의해 발생된 신호와 결합된다. 평균 포토다이오드 전류가 증가함에 따라, 트랜지스터(224)의 이미터 임피던스가 감소된다. 이는 제 1 단(224)에 의해 처 리되는 AC 성분 중 일부가 트랜지스터(222)에 의해 흡수되게 하고 TIA가 광전력이 큰 신호를 증폭 또는 투과시키게 한다. pnp 트랜지스터(222)는 도 3의 가변 임피던스회로의 예이다.
도 4에 도시된 TIA는 트랜지스터(222)에 대한 npn 트랜지스터 대신에 pnp 트랜지스터를 사용하기 때문에, 포토다이오드 전류의 AC 량과 성분은 트랜지스터(222)의 이미터에서 나타난 임피던스가 감소하는 경우 트랜지스터(222)에 의해 흡수되거나 감쇠되어 진다. 이는 포토다이오드 전류가 증가하고 포토다이오드에 의해 검출된 광신호가 전력을 증가시키는 경우이다.
증폭기(216), 가변 임피던스(156), 및 필터(158)의 다른 구성이 미국출원번호 No. 10/839,640에 기술되어 있으며, 상기 참조문헌은 전체가 참조로 본 명세서에 합체되어 있다.
도 5는 TIA를 포함하는 트랜지스터 아웃라인(TO) 헤더의 예시적인 도면을 도시한 것이다. 포토다이오드(514)는 일실시예에서 포토다이오드(154)가 TO 캔(can)의 렌즈를 통해 집광된 광을 최대화시키도록 TO 캔내에 위치될 수 있다. 도 5에서, 집적된 TIA(500)의 핀들은 본딩 와이어(501)를 사용하여 TO 헤더(503)에 연결되어 있다. TIA는 포토다이오드(514)로의 전력인 VCC(502) 및 VCCPD(504)를 받아들인다. VCC(502) 및 VCCPD(504)는 동일한 전원 또는 다른 전원에서 나올 수 있다. TIA(500) 내에, VCC(502) 및 VCCPD(504)는 이격되어 있다.
상술한 바와 같이, VCCPD(504)는 (이 예에서 집적회로) TIA(500)에 입력되며, 상기 TIA는 상술한 바와 같이 고주파수 전원잡음을 거부하는 필터를 포함한다. 그런 후, TIA(500)는 포토다이오드(514)의 음극에 연결된 필터된 V필터된CC(510)를 발생한다. 따라서, 필터된 V필터된CC(510)이 포토다이오드(514)의 음극에 연결된다. 포토다이오드(514)의 양극은 TIA(500)의 입력(512)에 연결되고 상술한 바와 같이 증폭기의 제 1 단에 공급된다. 핀(506 및 508)은 TIA(500)의 출력(OUT- 및 OUT+)이다.
TIA(500)는 전원잡음 이외에 접지잡음을 겪을 수 있다. 외부접지(518)는 본딩 와이어(501)를 사용하여 핀(516)을 통해 TIA(500)에 연결된다. 고주파수에서, TIA(500)의 국소 접지는 외부 접지(518)와 같지 않다. 내부접지(516)와 외부접지(518)를 연결시키는 본드 와이어는, 예컨대, 접지 잡음을 초래할 수 있는 고주파수에서 인덕턴스를 갖는다. 다수의 본드 와이어를 사용한 외부접지(518)의 연결은 접지잡음의 원인이 되는 인덕턴스를 감소시킨다.
커패시터(202)도 또한 접지잡음에서의 감소에 기여할 수 있는데, 이는 커패시터(202)가 TIA의 내부접지에 연결되어 있기 때문이다. 예컨대, 커패시터(202)는 증폭기의 입력단의 (TIA의 국소 접지에 연결되는) 이미터에 연결될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 커패시터(202)의 전원 측에 나타나는 잡음(예컨대, 전원잡음, 접지잡음, 출력공통모드잡음)은 커패시터(202)의 국소 접지측에 나타나는 잡음과 유사한 경향이 있다. 왜냐하면 커패시터(202)의 일측상의 전위가 잡음에 대하여 동일한 경향이 있기 때문에, 잡음에 기인하는 커패시터를 통해 흐르는 어떠한 전류도 없다. 그 결과, 증폭되는 포토다이오드의 전류에 대한 잡음영향이 감소된다.
도 6은 TIA(600)의 또 다른 실시예를 도시한 것이다. 이 예는 노드(604) 및 노드(606) 양단에 연결되어 있는 부트스트랩 커패시터(604)를 도시한 것이다. 이 예에서, 노드(604)는 VCCPD(605)에 효과적으로 연결되고 노드(606)는 TIA(605)의 국소 접지 뿐만 아니라 증폭기(610)에 결합된다. 상술한 바와 같이, 국소 접지에서의 잡음은 증폭기(610)에 의해 증폭될 수 있다. 상술한 바와 같이 커패시터(602)를 연결시키는 것이 증폭되는 접지잡음을 줄인다. 이 예에서, VCC(601)는 TIA(600)내의 VCCPD(605)로부터 이격되어 있다.
도 6은 또한 예컨대 후치증폭기 또는 클록 및 데이터 복구모듈일 수 있는 제 2 집적회로(650)를 도시한 것이다. 집적회로(650)는 TIA(600)의 차동출력(612)과 연결되어 있는 오픈 컬렉터 입력(open collector input)(652)을 갖는다. 집적회로(650)는 TIA(600)의 출력(612)을 통해 TIA(600)에 입력되는 공통모드잡음을 발생시킬 수 있다.
포토다이오드(608)로부터의 TIA(600)로의 입력은 차동입력이기 보다는 싱글엔드이기 때문에, 공통모드잡음이 증폭기(610)의 입력으로 이동되어 TIA(600)의 성능을 저하시킬 수 있다. 그러나, 커패시터(604)는 공통모드잡음(614)의 효과를 줄이는데 왜냐하면 공통모드잡음이 노드(604) 및 노드(606)에서 나타나기 때문이다. 그 결과, 노드(604) 및 노드(606) 모두가 효과적으로 함께 이동하고 효과적으로 증폭기(610)로 입력될 수 있는 어떠한 전류도 발생하지 않게 된다. 공통모드잡음은 입력에서 증폭기(610)로 효과적으로 제거된다.
도 7은 본 발명의 실시예에서 사용하기 위한 포토다이오드의 일실시예를 도시한 것이다. 포토다이오드(708)는 양극(710)과 음극(706)을 갖는다. 음극(706)은 일반적으로 일실시예에서 본딩 와이어를 사용하여 TIA 집적회로의 V필터된CC 출력에 연결된다. 양극(710)은 일반적으로 TIA 집적회로의 입력에 연결된다.
포토다이오드(708)는 전기적으로 비도전적인 기판(704)에 형성된다. 기판(702)은 접지면(702)상에 형성될 수 있다. 수신기의 성능을 보장하기 위해, 음극(706)과 접지면(702) 사이에 형성될 수 있는 기생 커패시턴스를 최소화하는 것이 유용하다. 이는 다양한 방법으로 달성될 수 있다. 예컨대, 기판(704)의 두께 및 유전상수가 커패시턴스를 최소화하기 위해 선택될 수 있다. 또한, 접지면(702)에 대해 음극의 면적이 또한 최소화될 수 있다. 다르게 말하면, 기생 커패시턴스는 고주파수 전원잡음거부 및 접지잡음거부를 향상시키기 위해 최소화되어야 한다. 기생 커패시턴스를 최소화하는 것은 전원잡음거부, 접지잡음거부, 및 고주파수에서의 포토다이오드 전원거부를 향상시킨다.
도 8은 포토다이오드가 TIA의 상단에 장착된 본 발명의 실시예를 도시한 것이다. 이 예에서, 포토다이오드(802)는 TIA(804)의 상단에 장착되어 있다. VCCPD(806)이 TIA(804)내에 필터되고 V필터된CCPD(808)이 포토다이오드(802)의 음극에 연결되며 포토다이오드의 양극은 TIA(804)의 810에 입력된다. 이점적으로, 포토다이오드(804)에 결합된 기생 커패시턴스가 이에 의해 감소된다. 예컨대, 시스템(800)은 트랜지스터 아웃라인(TO) 캔일 수 있고 TIA의 상단에 포토다이오드를 둠으로써 포토다이오드와 TO 캔의 접지 사이의 기생 커패시턴스가 줄어들 수 있다. 일실시예에서, 포토다이오드(802)는 일반적으로 TO 캔의 상단에 있는 렌즈로부터 광을 집광하기 위해 중심에 있는 TO 캔 또는 시스템(800)내에 장착될 수 있다.
도 9는 기생 커패시턴스의 다양한 레벨을 사용한 전원잡음(VCC)거부(900)를 도시한 것이다. 고주파수에서의 좌표(902)에 의해 도시된 바와 같이, 전원잡음을 거부하는 TIA의 능력은 포토다이오드의 음극과 외부접지 사이의 기생 커패시턴스가 증가함에 따라 감소된다. 도 10은 다양한 레벨의 기생 커패시턴스를 사용한 포토다이오드 전원(VCCPD)거부(1000)를 도시한 것이다. 좌표(1002)는 기생 커패시턴스가 증가함에 따라 포토다이오드 전원잡음을 거부하는 능력이 감소되는 것을 나타낸다.
도 11은 기생 커패시턴스의 다양한 레벨과 관련된 접지잡음거부(1100)를 도시한 것이다. 좌표(102)는 기생 커패시턴스가 증가함에 따라 접지잡음을 거부하는 능력이 감소하는 것을 도시한 것이다. 도 12는 기생 커패시턴스의 다양한 레벨에 대한 출력공통모드잡음거부(1200)를 도시한 것이고 좌표(1202)는 기생 커패시턴스가 증가함에 따라 출력공통모드 잡음을 거부하는 능력이 감소하는 것을 도시한 것이다.
예컨대 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 포토다이오드는 기생 커패시턴스를 감소시킨다. 그 결과, TIA는 도 9 내지 도 12에 도시된 바와 같이 고주파수에서 더 양호한 전원잡음, 포토다이오드 전원잡음, 접지공급잡음, 및 출력공통모드잡음을 거부할 수 있다.
본 발명은 본 발명의 기술사상 또는 본질적인 특성으로부터 벗어남이 없이 다른 특정한 형태로 구현될 수 있다. 기술된 실시예는 모든 면에서 단지 예시적이며 제한되지 않는 것으로 간주되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 상술한 설명에 의해서라기 보다는 특허청구범위에 의해 나타나 있다. 특허청구범위의 의미 및 균등범위내에 있는 모든 변화들도 본 발명의 범위내에 포함되어야 한다.
본 발명의 상세한 설명에 포함됨.

Claims (27)

  1. 포토다이오드에 입사한 광에 응답하여 상기 포토다이오드로부터 전류를 수신하는 입력과,
    상기 포토다이오드로부터의 전류를 증폭시키고 전압출력을 발생시키는 하나 이상의 단(stage)을 갖는 증폭기와,
    상기 포토다이오드에 필터된 바이어스 전압을 제공하는 필터된 전압출력과,
    상기 필터된 전압출력과 포토다이오드 전원 사이에 연결된 필터모듈을 구비하고,
    상기 필터모듈은 상기 필터된 바이어스 전압을 발생하기 위해 상기 포토다이오드 전원상의 잡음을 필터링하며,
    상기 필터모듈은 필터된 전압출력과 상기 집적회로의 국소 접지 사이에 연결되는 커패시터인, 포토다이오드로부터 입력을 증폭시키기 위한 집적회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 포토다이오드 전원은 상기 집적회로 내의 제 2 전원으로부터 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 포토다이오드로부터 입력을 증폭시키기 위한 집적회로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 증폭기의 전압출력은 차동전압출력이고 상기 증폭기는 적어도 하나의 입력단과 적어도 하나의 출력단을 포함하는 포토다이오드로부터 입력을 증폭시키기 위한 집적회로.
  4. 제 3 항에 있어서,
    자동이득제어를 제공하는 제어회로를 더 구비하고, 상기 제어회로는 포토다이오드로부터의 전류의 평균전력이 증가함에 따라 pnp 트랜지스터의 임피던스가 감소하도록 이미터가 상기 증폭기에 연결된 pnp 트랜지스터를 구비하는 포토다이오드로부터 입력을 증폭시키기 위한 집적회로.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 필터모듈은 상기 증폭기의 제 1 단의 이미터에 연결되어 있는 포토다이오드로부터 입력을 증폭시키기 위한 집적회로.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 필터모듈은 접지잡음을 필터하는 포토다이오드로부터 입력을 증폭시키기 위한 집적회로.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 필터모듈은 차동출력에 연결된 또 다른 집적회로에 의해 발생된 공통모드잡음을 필터하는 포토다이오드로부터 입력을 증폭시키기 위한 집적회로.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 집적회로에서 증폭된 전류의 주파수 범위를 확장하는 고주파수 대역 부스터(booster)를 더 구비하는 포토다이오드로부터 입력을 증폭시키기 위한 집적회로.
  9. 기판상에 배치된 포토다이오드; 및
    상기 포토다이오드에 연결되고, 상기 포토다이오드를 바이어스하기 위해 필터된 전압을 발생시키는 트랜스임피던스 증폭기를 구비하고,
    상기 트랜스임펀스 증폭기는
    입사광에 응답하여 상기 포토다이오드에 의해 발생된 입력전류를 받아들이는 증폭기와,
    상기 입력전류의 DC 소거를 제공하고 상기 입사광의 전력이 증가함에 따라 입력전류를 부분적으로 감쇠시키기 위한 가변 임피던스를 포함하는 제어회로와,
    필터된 전압을 발생시키도록 집적회로 내의 전원으로부터 잡음을 필터링하기 위하여 필터된 전압 출력과 포토다이오드 전원 사이에 연결되고, 상기 트랜스임피던스 증폭기의 국소 접지에 연결된 외부 접지로부터의 접지 잡음을 필터링하기 위하여 상기 필터된 전압 출력과 상기 트랜스임피던스 증폭기의 국소 접지 사이에 연결된 커패시터를 구비하는, 입사광 신호를 검출하여 증폭된 출력을 발생시키는 광수신기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 기판은 기생 커패시턴스를 최소화하도록 선택된 두께와 유전상수를 가지고, 접지면에 대해 상기 포토다이오드의 음극면적이 최소화되는 입사광 신호를 검출하여 증폭된 출력을 발생시키는 광수신기.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 포토다이오드의 음극은 상기 트랜스임피던스 증폭기에 의해 발생된 필터된 전압과 연결되고 상기 포토다이오드의 양극은 상기 증폭기와 연결되는 입사광 신호를 검출하여 증폭된 출력을 발생시키는 광수신기.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 기판은 비도전성인 입사광 신호를 검출하여 증폭된 출력을 발생시키는 광수신기.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 트랜스임피던스 증폭기는 상기 트랜스임피던스 증폭기의 입력범위를 확장시키기 위한 대역폭 부스터를 더 구비하는 입사광 신호를 검출하여 증폭된 출력을 발생시키는 광수신기.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어회로는 가변 임피던스와 필터를 더 구비하고, 상기 가변 임피던스는 이미터가 상기 증폭기에 연결되게 하는 pnp 트랜지스터를 구비하며, 상기 필터는 상기 입력전류의 DC 성분을 검출하는 입사광 신호를 검출하여 증폭된 출력을 발생시키는 광수신기.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 가변 임피던스의 임피던스는 입력전류의 평균전력이 증가함에 따라 감소하고, 상기 입력전류가 증가함에 따라 상기 입력전류가 부분적으로 감쇠되도록 상기 입력전류의 평균전력이 감소할 때 상기 임피던스가 증가하여, 자동이득제어를 제공하는 입사광 신호를 검출하여 증폭된 출력을 발생시키는 광수신기.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 커패시터는 상기 전원의 잡음이 상기 포토다이오드로부터 디커플되지 않도록 전원, 포토다이오드의 음극, 트랜스임피던스 증폭기의 국소 접지에 연결되는 입사광 신호를 검출하여 증폭된 출력을 발생시키는 광수신기.
  17. 제 9 항에 있어서,
    상기 커패시터는 접지잡음거부, 전원거부 및 출력공통모드잡음거부 중 적어도 하나를 제공하기 위해 상기 증폭기를 부트스트랩(bootstrap)시키는 입사광 신호를 검출하여 증폭된 출력을 발생시키는 광수신기.
  18. 제 9 항에 있어서,
    상기 트랜스임피던스 증폭기의 차동출력을 통해 상기 트랜스임피던스 증폭기에 들어가는 공통모드잡음이 상기 커패시터에 의해 상기 증폭기로부터 필터되는 입사광 신호를 검출하여 증폭된 출력을 발생시키는 광수신기.
  19. 제 9 항에 있어서,
    상기 증폭기는 분로 피드백 증폭기(shunt feedback amplifier)인 입사광 신호를 검출하여 증폭된 출력을 발생시키는 광수신기.
  20. 제 9 항에 있어서,
    상기 증폭기는 공통베이스 증폭기(common base ampifier)인 입사광 신호를 검출하여 증폭된 출력을 발생시키는 광수신기.
  21. 광수신기에서, 잡음을 거부하는 광수신기의 능력에 영향을 끼치는 기생 커패시턴스를 줄이기 위해,
    접지면을 포함하는 헤더;
    상기 헤더 내의 상기 접지면 위에 위치되는 트랜스임피던스 증폭기를 포함하는 집적회로; 및
    포토다이오드와 상기 헤더의 접지면에 결합되는 기생 커패시턴스를 줄이기 위해 해더 내에 장착되며, 상기 집적회로로부터 필터된 전압을 수신하는 포토다이오드를 구비하고,
    상기 포토다이오드는 상기 접지면 상에 배열된 기판 상에 탑재되며, 상기 포토다이오드의 음극과 상기 접지면 사이의 기생 커패시턴스를 최소화하는 두께와 유전상수를 갖도록 선택되는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 아웃라인 캔.
  22. 삭제
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 기판은 전기적으로 비도전성인 트랜지스터 아웃라인 캔.
  24. 삭제
  25. 제 21 항에 있어서,
    상기 포토다이오드는 상기 집적회로 위에 장착되는 트랜지스터 아웃라인 캔.
  26. 제 21 항에 있어서,
    상기 집적회로는 포토다이오드 전원으로부터의 잡음, 제 2 전원으로부터의 잡음, 접지로부터의 잡음, 및 출력공통모드 잡음을 거부하는 필터를 설치하기 위해 상기 포토다이오드를 부트스트랩하는 커패시터를 포함하는 트랜지스터 아웃라인 캔.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 포토다이오드 전원은 상기 집적회로내에 상기 제 2 전원으로부터 이격되어 있는 트랜지스터 아웃라인 캔.
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