KR101054388B1 - 광수신기용 트랜스임피던스 증폭기 - Google Patents

광수신기용 트랜스임피던스 증폭기 Download PDF

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Abstract

광수신기용 트랜스임피던스 증폭기가 개시된다. 본 발명에 따른 광수신기용 트랜스임피던스 증폭기는, 포토다이오드에서 출력되는 광전류를 전류 미러를 이용하여 전압으로 변환 및 증폭하는 제1 증폭부; 상기 제1 증폭부의 출력 전압을 증폭하는 제2 증폭부; 및 상기 제2 증폭부의 출력 전압을 버퍼링하는 버퍼링부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
트랜스임피던스 증폭기

Description

광수신기용 트랜스임피던스 증폭기{Transimpedance amplifier for optical receiver}
본 발명은 광수신기용 트랜스임피던스 증폭기에 관한 것으로 보다 상세하게는 이득 특성의 열화 없이 대역폭을 향상시키기 위한 트랜스임피던스 증폭기에 관한 것이다.
최근 인터넷이 급격하게 발달하면서 많은 양의 데이터를 고속으로 전송 가능하게 하는 전송매체가 필요하게 되었다. 따라서 먼 거리까지 많은 양의 데이터를 전송할 수 있고 손실률이 낮은 광섬유를 이용한 광통신 시스템이 주목을 받고 있다.
일반적으로 광통신 시스템의 수신부는 포토다이오드(photo diode, PD), 트랜스임피던스 증폭기(transimpedance amplifier, TIA), 제한 증폭기(limiting amplifier, LA), 판별 회로(decision circuit) 등으로 구성된다. 이러한 광통신용 수신기에서 사용되는 트랜스임피던스 증폭기는 포토다이오드에서 출력되는 미약한 광전류를 다음 단의 제한 증폭기에서 필요로 하는 전기적 전압신호로 변환 및 증폭시키는 역할을 한다. 여기서, 포토다이오드로부터 들어오는 광전류 신호는 매우 작 기 때문에 트랜스임피던스 증폭기는 충분한 이득을 가져야 하며, 포토다이오드의 기생 캐패시턴스가 존재하기 때문에 넓은 대역폭을 얻기 위해서는 트랜스임피던스 증폭기의 입력 저항이 작아야 한다.
도 1은 종래의 광수신기용 트랜스임피던스 증폭기의 일반적인 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 광수신기용 트랜스임피던스 증폭기는 포토다이오드(10), 증폭부(20), 피드백부(30), 및 버퍼부(40)로 구성된다.
증폭부(20)는 포토다이오드(10)로부터 출력되는 광전류를 전압 신호로 변환 및 증폭하며, 피드백부(30)는 증폭부(20)의 출력 신호를 증폭부(20)의 입력으로 피드백시킨다. 버퍼부(40)는 증폭부(20)의 출력 신호를 버퍼링한다.
이러한 종래의 트랜스임피던스 증폭기는 통상의 피드백부를 가지는 전압 모드 트랜스임피던스 증폭기로서, 일반적으로 큰 입력저항을 가지므로, 포토다이오드의 기생 커패시턴스로 인한 영향을 크게 받아 대역폭이 감소하게 된다. 이러한 대역폭의 감소를 최소화하기 위해 보통 피드백 저항을 줄임으로써 입력 저항을 낮춘다. 그러나 이런 식으로 입력 저항을 낮추게 되면 피드백으로 인한 이득 특성의 열화가 발생하게 되어 이득과 대역폭 간에 트레이드 오프 현상이 발생할 수밖에 없다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이득 특성의 열화 없이 넓은 대역폭 특성을 얻을 수 있는 광수신기용 트랜스임피던스 증폭기를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 광수신기용 트랜스임피던스 증폭기는, 포토다이오드에서 출력되는 광전류를 전류 미러를 이용하여 전압으로 변환 및 증폭하는 제1 증폭부; 상기 제1 증폭부의 출력 전압을 증폭하는 제2 증폭부; 및 상기 제2 증폭부의 출력 전압을 버퍼링하는 버퍼링부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 증폭부는, 상기 전류 미러를 구성하는 제1 엔모스 트랜지스터 및 제2 엔모스 트랜지스터를 포함하고, 상기 제1 엔모스 트랜지스터는 드레인과 게이트가 연결되고, 제1 엔모스 트랜지스터의 게이트와 상기 제2 엔모스 트랜지스터의 게이트가 연결될 수 있다.
여기서, 상기 제1 엔모스 트랜지스터의 드레인과 Vdd 전압단 사이에는 저항이 연결되고, 상기 포토다이오드는 상기 제1 엔모스 트랜지스터의 드레인 단과 연결될 수 있다.
상기 제2 증폭부는 제3 엔모스 트랜지스터와 소스 디제너레이션을 위한 회로를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제3 엔모스 트랜지스터의 소스와 접지 사이에는 소스 디제너레 이션을 위한 저항과 커패시터가 병렬로 연결될 수 있다.
상기된 본 발명에 의하면, 전류 미러와 소스 디제너레이션을 이용하여 이득 특성의 열화 없이 넓은 대역폭 특성을 가지는 광수신기용 트랜스임피던스 증폭기를 제공할 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이하 설명 및 첨부된 도면들에서 실질적으로 동일한 구성요소들은 각각 동일한 부호들로 나타냄으로써 중복 설명을 생략하기로 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜스임피던스 증폭기의 회로도이다. 본 실시예에 따른 트랜스임피던스 증폭기는 도시된 바와 같이, 포토다이오드(100)에서 출력되는 광전류(Iin)를 전류 미러를 이용하여 전압으로 변환 및 증폭하는 제1 증폭부(200), 제1 증폭부(200)의 출력 전압을 증폭하는 제2 증폭부(300), 및 제2 증폭부(300)의 출력 전압을 버퍼링하는 버퍼링부(400)를 포함한다.
제1 증폭부(200)는 전류 미러를 구성하는 제1 엔모스(NMOS) 트랜지스터(M1)와, 제2 엔모스 트랜지스터(M2)를 포함한다. 전류 미러의 구성을 위하여 제1 엔모 스 트랜지스터(M1)와 제2 엔모스 트랜지스터(M2)는 공통으로 접지되고, 제1 엔모스(NMOS) 트랜지스터(M1)는 드레인과 게이트가 연결되며, 제1 엔모스(NMOS) 트랜지스터(M1)의 게이트와 제2 엔모스 트랜지스터(M2)의 게이트가 연결된다.
제1 엔모스(NMOS) 트랜지스터(M1)의 드레인은 포토다이오드(100)의 애노드와 연결되고, 포토다이오드(100)에서 출력되는 광전류(Iin)는 제1 엔모스(NMOS) 트랜지스터(M1)의 드레인 단으로 입력된다. 그리고 제1 엔모스(NMOS) 트랜지스터(M1)의 드레인과 Vdd 전압단 사이에는 저항(R1)이 연결되고, 제2 엔모스 트랜지스터(M2)의 드레인과 Vdd 전압단 사이에는 저항(R2)가 연결된다.
제2 증폭부(300)는 제1 증폭부(200)의 출력 전압을 증폭시키는 제3 엔모스 트랜지스터(M3)를 포함한다. 제3 엔모스 트랜지스터(M3)의 게이트는 제1 증폭부(200)의 출력단에 해당하는 제2 엔모스 트랜지스터(M2)의 드레인과 연결되고, 제3 엔모스 트랜지스터(M3)의 드레인과 Vdd 전압단 사이에는 저항(R3)가 연결된다. 제3 엔모스 트랜지스터(M3)의 소스와 접지 사이에는 소스 디제너레이션을 위하여 저항(Rs)과 커패시터(Cs)가 병렬로 연결된다.
버퍼링부(400)는 제4 엔모스 트랜지스터(M4)를 포함한다. 제4 엔모스 트랜지스터(M4)의 게이트는 제2 증폭부(300)의 출력단에 해당하는 제3 엔모스 트랜지스터(M3)의 드레인과 연결되고, 제4 엔모스 트랜지스터(M4)의 드레인과 Vdd 전압단 사이에는 저항(R4)가 연결된다. 제4 엔모스 트랜지스터(M4)의 소스는 접지된다. 버퍼링부(400)는 제2 증폭부(300)와 출력단(Vout) 사이의 버퍼 역할을 한다.
도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜스임피던스 증폭기의 보다 구체적인 동작을 설명하면 다음과 같다.
포토다이오드(100)에서 출력되는 광전류(Iin)는 제1 엔모스(NMOS) 트랜지스터(M1)의 드레인 단으로 입력된다. 제1 엔모스(NMOS) 트랜지스터(M1)의 트랜스컨덕턴스를 gm1이라 하면, 제1 증폭부(200)의 입력 저항은 (1/gm1∥R1)이 된다. 1/gm1은 일반적으로 매우 작은 값이므로, 저항(R1)으로 충분히 큰 저항값을 가지는 저항을 사용하면 상기 입력 저항은 (1/gm1∥R1)≒1/gm1 이 된다. 1/gm1이 R1 보다 매우 작으므로, 광전류(Iin)는 거의 모두 제1 엔모스(NMOS) 트랜지스터(M1)로 흐르고, 따라서 광전류(Iin)는 (W/L)2/(W/L)1의 비율로 제2 엔모스 트랜지스터(M2)에 흐르는 전류로 복사된다. W/L은 트랜지스터의 종횡비(aspect ratio)이다. 따라서 제2 엔모스 트랜지스터(M2)의 드레인 단의 전압은 광전류(Iin)가 변환 및 증폭된 전압이 된다.
도시되지는 않았으나, 포토다이오드(100)에는 포토다이오드(100)와 병렬로 연결된 기생 커패시턴스(Cpd)가 존재한다. Cin1을 제1 엔모스(NMOS) 트랜지스터(M1)의 입력 커패시턴스라고 하면, 입력단에서 시정수는 (Cpd+Cin1)(1/gm1)이 되고, 1/gm1이 매우 작은 값이므로 상기 시정수는 매우 작은 값이 된다. 따라서 입력단에서 난-도미넌트 폴(non-dominant pole)이 형성된다.
제1 증폭부(200)의 도미넌트 폴(dominant pole)은 제2 엔모스 트랜지스 터(M2)의 드레인 단에서 형성된다. 제2 엔모스 트랜지스터(M2)의 드레인 단에서 시정수는 Cout2(R2∥r0) ≒ Cout2R2 로서, 이는 (Cpd+Cin1)(1/gm1) 보다 큰 값이므로, 도미넌트 폴(dominant pole)이 형성된다. 여기서, Cout2는 제2 엔모스 트랜지스터(M2)의 드레엔 단에서 보이는 커패시턴스와 제3 엔모스 트랜지스터(M3)의 게이트 단에서 보이는 커패시턴스의 합이고, r0는 제2 엔모스 트랜지스터(M2)의 출력 저항이다. 이 도미넌트 폴(dominant pole)은 기생 커패시턴스(Cpd)와 관계없는 값이므로, 기생 커패시턴스(Cpd)의 큰 변화에 덜 민감하게 된다. 또한, 제1 증폭부(200)의 트랜스임피던스 게인은 R2와 (W/L)2/(W/L)1에 의해 조절되므로, PVT(process, voltage, and temperature) 변화에 덜 민감하게 된다.
한편, 제1 증폭부(200)의 대역폭은 주로 제2 엔모스 트랜지스터(M2)와 큰 출력 저항 때문에 제한된다. 따라서 제2 증폭부(300)의 제3 엔모스 트랜지스터(M3)의 소스와 접지 사이에 저항(Rs)과 커패시터(Cs)가 병렬로 연결된 소스 디제너레이션 회로를 사용한다. 즉, 저항(Rs)과 커패시터(Cs)에 의해 주파수 1/RsCs 에서 발생하는 제로(zero)가 제2 엔모스 트랜지스터(M2)의 드레인 단에서 형성되는 도미넌트 폴을 상쇄할 수 있도록 저항(Rs)과 커패시터(Cs)의 값을 선정함으로써 전체적인 대역폭을 확장할 수 있다.
버퍼링부(400)의 제4 엔모스 트랜지스터(M4)는 제2 증폭부(300)의 출력 전압을 버퍼링하여 Vout으로 출력한다.
상기된 실시예에 따른 광수신기용 트랜스임피던스 증폭기에 의하면, 제1 증폭부(200)에서 전류 미러를 사용하고, 제2 증폭부(300)에서 소스 디제너레이션을 사용함으로써 이득 특성의 열화 없이 대역폭을 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 트랜스임피던스 증폭기의 주파수 영역에서의 이득 특성을 나타낸 그래프이다. 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜스임피던스 증폭기는 트랜스임피던스 이득이 60dBohm으로서 높은 이득과 약 2GHz의 넓은 대역폭을 나타낸다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 종래의 광수신기용 트랜스임피던스 증폭기의 일반적인 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜스임피던스 증폭기의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 트랜스임피던스 증폭기의 주파수 영역에서의 이득 특성을 나타낸 그래프이다.

Claims (5)

  1. 광수신기용 트랜스임피던스 증폭기에 있어서,
    포토다이오드에서 출력되는 광전류를 전류 미러를 이용하여 전압으로 변환 및 증폭하는 제1 증폭부;
    상기 제1 증폭부의 출력 전압을 증폭하는 제2 증폭부; 및
    상기 제2 증폭부의 출력 전압을 버퍼링하는 버퍼링부를 포함하고,
    상기 제1 증폭부는 상기 전류 미러를 구성하는 제1 엔모스 트랜지스터 및 제2 엔모스 트랜지스터를 포함하고,
    상기 제2 증폭부는, 상기 제1 증폭부의 출력 전압을 증폭시키는 제3 엔모스 트랜지스터와, 상기 제3 엔모스 트랜지스터의 소스와 접지 사이에 저항과 커패시터가 병렬로 연결된 소스 디제너레이션 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 광수신기용 트랜스임피던스 증폭기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 엔모스 트랜지스터는 드레인과 게이트가 연결되고, 제1 엔모스 트랜지스터의 게이트와 상기 제2 엔모스 트랜지스터의 게이트가 연결되는 것을 특징으로 하는 광수신기용 트랜스임피던스 증폭기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 엔모스 트랜지스터의 드레인과 Vdd 전압단 사이에는 저항이 연결되고,
    상기 포토다이오드는 상기 제1 엔모스 트랜지스터의 드레인 단과 연결되는 것을 특징으로 하는 광수신기용 트랜스임피던스 증폭기.
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