KR101047748B1 - 트랜스 임피던스 증폭기 - Google Patents

트랜스 임피던스 증폭기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 외부로부터 전송된 전기적 신호를 위상반전 증폭하는 위상반전 증폭단; 상기 위상반전 증폭단에 연결되어 상기 위상반전 증폭단으로부터 전송된 전기적 신호의 레벨을 조정하여 출력하는 다수의 출력 버퍼단; 소정의 전원을 상기 위상반전 증폭단과 상기 다수의 출력 버퍼단으로 공급하기 위한 전원입력단; 및 상기 전원입력단과 상기 위상반전 증폭단 사이에 구비된 부하저항을 포함하여 구성되고, 상기 부하저항에 의해 상기 위상반전 증폭단과 상기 다수의 출력 버퍼단에는 서로 상이한 바이어스가 인가되는 것을 특징으로 하는 트랜스 임피던스 증폭기에 관한 것이다.
트랜스 임피던스 증폭기, 바이어스, 수신감도

Description

트랜스 임피던스 증폭기{Trans-impedance amplifier}
도 1은 종래의 광 수신기의 일반적인 구성을 개략적으로 나타낸 회로도.
도 2는 본 발명에 따라 트랜스 임피던스 증폭기의 바이어스 인가를 설명하기 위해 도시한 차단주파수에 대한 바이어스 전류 영역의 그래프.
도 3은 본 발명에 따라 바이어스가 인가되는 일예의 트랜스 임피던스 증폭기를 도시한 회로도.
도 4는 도 3의 회로에서 관측된 주파수 응답 및 잡음전류밀도의 특성을 도시한 그래프.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
200: 광검출부 220: 캐패시터
230: 저항 250: 와이어
300: 트랜스임피던스 증폭기 310: 위상반전 증폭단
330: 부하저항 340: 제 1 출력 버퍼단
360: 제 2 출력 버퍼단
본 발명은 트랜스 임피던스 증폭기에 관한 것으로, 특히 광 수신기 소자의 고속특성을 최대한 발휘하고 증폭기의 잡음을 억제하여 광 수신기의 수신감도를 향상시킬 수 있도록 바이어스되는 트랜스 임피던스 증폭기에 관한 것이다.
최근 인터넷을 통해서 전송할 데이터의 증가에 따라 전기 신호에 의한 기존의 통신 시스템이 광신호를 이용하여 대용량의 데이터를 주고 받을 수 있는 광통신 시스템으로 전환되고 있다. 이와 같은 광통신 시스템에서 사용되는 대표적인 광학 소자로는 광섬유, 광송신기 그리고 광수신기가 있다.
통상적으로 광수신기는 광검출소자와 트랜스 임피던스 증폭기의 조합으로 구성된다. 광신호를 흡수하여 전기적 신호로 변환시켜주는 광검출소자로는 사용용도에 따라 PIN, 애벌런치, MSM 광다이오드 등과 같은 광다이오드가 주류를 이루어 사용되어 왔다. 특히 PIN 광다이오드는 동작 원리 뿐만 아니라 에피구조도 간단하여 광검출소자로 널리 사용되고 있다.
또한, 10Gbps급 이상의 초고속 전자소자들은 Si에 비해 월등한 전기적 특성을 나타내는 화합물 반도체 소자 기술이 주로 사용되고 있다. 즉, 고주파 특성이 우수한 HEMT(High Electron Mobility Transistor) 또는 이종 접합 쌍극자 트랜지스터(Heterojunction Bipolar Transistor, 이하 'HBT'라 칭함) 기술을 이용하여 개발되고 있는데, 특히 HBT 기술은 디지털 형태의 광신호 처리에 매우 중요한 위상 잡음 특성이 우수하여 광수신기의 트랜스 임피던스 증폭기로 널리 사용되고 있다.
도 1은 종래의 광 수신기의 일반적인 구성을 개략적으로 나타낸 회로도이다.
도 1을 참조하면, 광수신기는 광검출소자(100), 트랜스 임피던스 증폭기(120), 상 기 광검출소자(100)와 트랜스 임피던스 증폭기(120)의 각 소자를 본딩 패드에서 연결하기 위한 와이어(110)로 구성된다.
상기 광검출소자(100)는 광섬유를 통해 입사하는 광신호를 흡수하여 전기적 신호로 변환하는 것으로서, 광다이오드일 수 있다. 상기 광 검출소자(100)는 응용 목적에 따라 주로 PIN 광다이오드, 애벌런치 광다이오드를 사용하는데, PIN 광다이오드의 경우, 동작 원리뿐만 아니라 에피 구조도 간단하여 제작 공정이 용이하며, 트랜스 임피던스 증폭기(120)의 공급 전원으로 주로 사용되는 3.3V 혹은 5V에서 충분한 성능을 발휘하므로 부가적인 전원이 필요없이 단일 전원으로 광수신기를 지원할 수 있는 편리성 때문에 가장 널리 사용되고 있다.
상기 트랜스 임피던스 증폭기(120)는 상기 광검출소자(100)로부터 전송된 입력 전류 신호를 증폭해서 출력 전압 신호(Vout)를 생성한다.
상기 트랜스 임피던스 증폭기(120)는 궤환저항(Rf)(129)을 통한 부성 궤환 루프를 포함하는 공통 에미터형의 위상 반전 증폭단(Q1)(122), 에미터 팔로워 쌍으로 이루어진 제1 출력 버퍼단(Q2)(124), 및 제2 출력 버퍼단(Q3)(126)을 포함한다.
상기 위상 반전 증폭단(Q1)(122)은 상기 와이어(110)를 통하여 상기 광검출소자(100)로부터 전송된 전류 신호를 내부 이득에 의해 위상 반전 증폭한 후, 부하 저항(R1)(128)에 의해 전압 신호로 출력한다.
그러나 상기와 같은 종래의 광검출소자로 PIN 광다이오드를 사용하는 경우, 근본적으로 역방향 바이어스된 다이오드 동작 원리를 이용하므로 내부 이득이 없기 때문에 광전변환효율이 작아서 수신기의 감도 특성의 제한을 초래하는 문제점이 있 다.
따라서, 광수신기 전체의 수신감도를 향상시키기 위해 트랜스 임피던스 증폭기에서 첫 단 트랜지스터의 이득과 차단주파수의 열화를 방지하고, 잡음 특성을 향상시키기 위해 저잡음 영역의 바이어스를 인가하는 것이 필요하다.
본 발명은 종래의 트랜스임피던스 증폭기의 단점인 잡음을 해결하고 트랜스임피던스 증폭기의 고속특성을 향상시킬 수 있는 바이어스 인가의 트랜스임피던스 증폭기를 제공하여 광수신기 전체의 수신감도를 향상시키는 요구를 충족하는 것을 목적으로 한다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 외부로부터 전송된 전기적 신호를 위상반전 증폭하는 위상반전 증폭단; 상기 위상반전 증폭단에 연결되어 상기 위상반전 증폭단으로부터 전송된 전기적 신호의 레벨을 조정하여 출력하는 다수의 출력 버퍼단; 소정의 전원을 상기 위상반전 증폭단과 상기 다수의 출력 버퍼단으로 공급하기 위한 전원입력단; 및 상기 전원입력단과 상기 위상반전 증폭단 사이에 구비된 부하저항을 포함하여 구성되고, 상기 부하저항에 의해 상기 위상반전 증폭단과 상기 다수의 출력 버퍼단에는 서로 상이한 바이어스가 인가되는 것을 특징으로 하는 트랜스 임피던스 증폭기에 관한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 바이어스 인가를 설명하기 위해서 광통신용 수신기에 사용되는 프 론트 엔드 트랜스임피던스 증폭기의 회로도를 이용하여 설명한다.
도 2는 본 발명에 따라 트랜스 임피던스 증폭기의 바이어스 인가를 설명하기 위해 도시한 차단주파수에 대한 바이어스 전류 영역의 그래프이다.
일반적으로, 광통신용 수신기에서 트랜지스터에 인가되는 컬렉터 전류가 증가함에 따라 차단주파수도 증가하게 되는데 소자의 물리적 특성에 따라 일정 전류가 되면 다양한 고전류 효과에 의해 차단주파수의 증가가 멈추고 감쇠점(fall-off point)에서 차단주파수의 감소가 발생하게 된다. 회로의 고속동작을 위해서는 이러한 감쇠점에 이르기 직전 영역의 바이어스를 인가하여 높은 차단주파수에서 동작시켜야 한다.
그러나, 프론트 엔드 수신기의 전체 수신감도를 위해서는 증폭기에 구비된 첫 단의 트랜지스터의 산탄잡음이 전체 증폭기의 잡음 특성을 주로 결정하므로 잡음을 줄이기 위해 첫 단의 트랜지스터에 인가되는 인가 바이어스를 적절히 조절할 필요가 있다.
구체적으로, 증폭기의 회로를 구성하고 동작점을 결정하고 나면, 도 2에 도시된 차단 주파수에 대한 컬렉터 전류 그래프로부터 알 수 있듯이 각 단에 가하는 바이어스의 크기를 최적화하여 인가하게 된다.
즉, 바이어스 전류가 증가함에 따라 소자의 고속특성을 나타내는 차단주파수는 일반적으로 증가하게 되는데, 소자의 물리적 특성에 따라 일정 전류를 초과하게 되면 커크 효과(Kirk effect), 고준위 주입 효과, 기생성 직렬 저항 등과 같은 고전류 효과에 의해 전송 시간(transit time)이 급격히 증가하면서 감쇠점(Fall-off Point) 이후에는 차단주파수가 오히려 감소하게 된다. 따라서, 고속 광대역 증폭기의 설계에 있어서 C 영역의 바이어스는 사용할 수 없다.
그러므로, 본 발명에 따른 바이어싱 방법에서는 감쇠가 일어나기 전 최대의 차단주파수 특성을 나타내는 B영역을 일반적인 RF 동작 영역으로 사용하여 대부분의 증폭단에 B 영역의 바이어스를 인가한다.
한편, 수신기의 전체 수신감도는 프론트 엔드 모듈에 위치하는 트랜스임피던스 증폭기의 잡음에 의해 좌우되며, 특히 바이폴라 계열의 증폭기 집적회로에서 전체 증폭기 잡음은 첫 단 트랜지스터의 산탄 잡음(Shot noise)에 크게 의존한다.
따라서, 증폭기 첫 단의 트랜지스터의 산탄 잡음에 의해 전체 BER(Bit Error Rate)특성의 열화에 끼치는 영향이 상당하므로, 잡음을 줄이기 위해 적절한 차단주파수를 나타내는 범위 내에서 바이어스 전류의 크기를 줄여야 한다. 즉, 증폭기의 나머지 단의 트랜지스터에는 일반적인 RF 동작영역인 B영역의 바이어스(구체적으로, 최대 차단주파수의 90％ ~ 95％ 범위의 바이어스)를 인가하여 소자의 고속 특성을 최대한 발휘할 수 있도록 하되, 첫 단의 트랜지스터에는 저잡음 동작영역의 A영역의 바이어스(구체적으로, 최대 차단주파수의 75％ ~ 85％ 범위의 바이어스)를 인가하여 수신기 전체의 수신감도 특성을 향상시킬 수 있다.
이와 같이 종래와는 달리, 본 발명에 따라 고속 저잡음 특성을 나타내는 프론트 엔드 트랜스임피던스 증폭기를 구현하기 위해 증폭기를 구성하는 각 단의 트랜지스터에 차별적으로 바이어스를 인가함으로써, 소자의 고속 특성을 최대한 발휘하면서도 프론트 엔드 증폭기의 잡음을 억제하여 전체 수신기의 수신감도를 향상시 킬 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바이어스 인가를 설명하기 위해 광통신용 수신기에 사용되는 프론트 엔드 트랜스임피던스 증폭기의 회로도를 이용하여 바이어스 인가를 설명한다.
도 3은 본 발명의 바이어스 인가가 적용되는 일예의 트랜스 임피던스 증폭기를 도시한 회로도로서, 전술한 바와 같이 본 발명의 바이어스 인가를 설명하기 위해서 광통신용 수신기에 사용되는 프론트 엔드 트랜스임피던스 증폭기의 회로도를 이용하여 설명한다.
도 3을 참조하면, 트랜스임피던스 증폭기(300)는 광다이오드(210)를 포함하는 광검출부(200)에 본딩 와이어(250)로 연결되며, 궤환저항(RF)(320)을 통한 부성 궤환 루프를 포함하는 공통 에미터형의 위상반전 증폭단(Q1)(310), 에미터 팔로워 쌍으로 이루어진 제 1 출력 버퍼단(Q2)(340), 및 제 2 출력 버퍼단(Q4)(360)으로 구성된다.
광검출부(200)는 직렬 저항(230)과 병렬 캐패시터(220)를 구비하고, 광전송선로로부터 일정 광전력(Pin)으로 입사하는 광신호가 광다이오드(210)에 의해 수신되어 미약한 전류 신호로 변환되며 와이어(250)를 통하여 트랜스임피던스 증폭기(300)에 전송된다.
트랜스임피던스 증폭기(300)에서 위상반전 증폭단(Q1)(310)은 와이어(250)를 통해 광검출부(200)로부터 전송된 전류 신호를 내부 이득에 의해 위상반전 증폭한 후 부하저항(RC)(330)에 의해 전압신호로 출력한다.
이어서, 위상반전 증폭단(310)에서 출력된 전압신호는 제 1 출력 버퍼단(Q2)(340)과 제 2 출력 버퍼단(Q4)(360)을 통하여 전압 레벨이 조정되어 출력단(OUT)으로 출력된다.
이와 같은 광통신용 수신기에 사용되는 프론트 엔드 트랜스임피던스 증폭기(300)에서 본 발명에 따라 바이어스를 인가하되, 제 1 출력 버퍼단(Q2)(340)과 제 2 출력 버퍼단(Q4)(360)에는 도 2에 도시된 고속 동작영역인 B영역의 바이어스(구체적으로, 최대 차단주파수의 90％ ~ 95％ 범위의 바이어스)로서 본 발명의 실시예에서는 약 1.2 mA ~ 1.5 mA를 인가하여 소자의 고속 특성을 최대한 발휘할 수 있게 한다.
또한, 부하저항(RC)(330)을 이용하여, 위상반전 증폭단(Q1)(310)에는 저잡음 동작영역인 A영역의 바이어스(구체적으로, 최대 차단주파수의 75％ ~ 85％ 범위의 바이어스)로서 본 발명의 실시예에서는 약 0.7 mA ~ 0.9 mA를 인가하여 산탄 잡음을 감소시켜 광수신기 전체의 수신감도특성을 향상시킬 수 있게 한다.
본 발명의 바이어스 인가가 적용된 프론트 엔드 트랜스임피던스 증폭기(300)의 주파수 응답 특성을 살펴보면, 도 4에 도시된 바와 같이 차단주파수(fT)가 28GHz 이고 최대 발진주파수(fmax)가 39GHz인 경우에 -3dB의 최대 대역폭(f3dB)이 9.5 GHz로써, [수학식 1]의 계산식에 의해 계산한 최대 대역폭인 6.8GHz 보다 더 넓게 구현되었음을 알 수 있다.
Figure 112005062023181-pat00001
여기서, [수학식 1]은 업계에서 일반적으로 통용되는 단위 소자의 차단주파수와 최대 발진주파수에 대해 광대역 증폭기에서 구현할 수 있는 최대 대역폭의 관계를 나타내고, fT는 차단주파수, fmax는 최대 발진주파수이며 실험값으로서 a=0.2이며 b=1.7이다.
한편, 트랜스임피던스 증폭기의 잡음 특성을 나타내는 등가 입력 잡음전류밀도(Ieq: Equivalent Input Noise Current Density)는 대역폭 범위 내에서 최대 9.1 pA/ Hz 로 억제하여 저잡음 특성을 구현하였다.
이와 같이 본 발명의 바이어싱 방법을 적용하면 종래의 통용되던 [수학식 1]에 의해 추출되는 대역폭보다 넓으면서도 잡음에 강한 프론트 엔드 트랜스임피던스 증폭기를 구현할 수 있다.
본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 전술한 실시예들은 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다.
또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위내에서 다양한 실시가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상기한 바와 같이 본 발명은 차별적으로 바이어스를 인가함으로써 이론적인 대역폭보다 넓으면서도 잡음에 강한 프론트 엔드 트랜스임피던스 증폭기를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 바이어스 인가의 프론트 엔드 트랜스임피던스 증폭기를 제공하여 광수신기 전체의 수신감도를 향상시킬 수 있다.

Claims (5)

  1. 외부로부터 전송된 전기적 신호를 위상반전 증폭하는 위상반전 증폭단;
    상기 위상반전 증폭단에 연결되어 상기 위상반전 증폭단으로부터 전송된 전기적 신호의 레벨을 조정하여 출력하는 다수의 출력 버퍼단;
    소정의 전원을 상기 위상반전 증폭단과 상기 다수의 출력 버퍼단으로 공급하기 위한 전원입력단; 및
    상기 전원입력단과 상기 위상반전 증폭단 사이에 구비된 부하저항을 포함하여 구성되고,
    상기 부하저항에 의해 상기 위상반전 증폭단과 상기 다수의 출력 버퍼단에는 서로 상이한 동작 영역의 바이어스가 인가되는 것을 특징으로 하는 트랜스 임피던스 증폭기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상반전 증폭단에는 저잡음 동작영역의 바이어스가 인가되는 것을 특징으로 하는 트랜스 임피던스 증폭기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 저잡음 동작영역의 바이어스는 최대 차단주파수의 75％ 내지 85％ 범위에 해당하는 전류 값으로 인가되는 것을 특징으로 하는 트랜스 임피던스 증폭기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 출력 버퍼단에는 각각 고속 동작영역의 바이어스가 인가되는 것을 특징으로 하는 트랜스 임피던스 증폭기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 고속 동작영역의 바이어스는 최대 차단주파수의 90％ 내지 95％ 범위에 해당하는 전류 값으로 인가되는 것을 특징으로 하는 트랜스 임피던스 증폭기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20050008073A (ko) * 2003-07-14 2005-01-21 엘지이노텍 주식회사 광수신기 광전집적회로
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