KR20030065008A - 광수신기용 차동 트랜스임피던스 증폭기 - Google Patents

광수신기용 차동 트랜스임피던스 증폭기 Download PDF

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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.

Description

광수신기용 차동 트랜스임피던스 증폭기{DIFFERENTIAL TRANSIMPEDANCE AMPLIFIER FOR OPTICAL RECEIVER APPLICATIONS }
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
도 1은 본 발명에 의한 광수신기용 차동 트랜스임피던스 증폭기를 나타낸 회로구성도이다.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -
10 : 제 1버퍼 20 : 제 2버퍼
30 : 차동증폭기 40 : 문턱전압보상 부하단
50 : 제 3버퍼 60 : 출력단
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.
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.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 또한 본 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 광수신기용 차동 트랜스임피던스 증폭기를 나타낸 회로구성도이다.
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.
위와 같이 이루어진 본 발명을 설명하면 다음과 같다.
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.
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.
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.
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.
이렇게 제 3버퍼(50)를 통과한 광전신호는 출력단(60)을 통해 출력된다.
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.
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.
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.
상기한 바와 같이 본 발명은 광수신기용 트랜스임피던스 증폭기를 차동구조로 형성함으로써 프리앰프단의 면적을 줄이며, 고속, 고이득, 낮은 노이즈 특성 및 광대역의 특성을 갖는 이점이 있다.

Claims (1)

  1. 광펄스신호를 광기전력으로 변환하는 포토다이오드의 출력을 입력받아 포토다이오드와 절연시키는 조절 캐스코드 구조의 제 1버퍼와,
    차동구조의 대칭성을 위해 제 1버퍼와 대칭으로 형성된 제 2버퍼와,
    상기 제 1버퍼와 상기 제 2버퍼의 출력을 입력으로 하는 차동증폭기와,
    상기 차동증폭기와 전원단 사이에 매개되어 넓은 스윙폭으로 다이나믹 레인지를 넓히기 위한 문턱전압보상 부하단과,
    상기 차동증폭기의 차동출력값을 입력받아 DC레벨 쉬프팅과 저전력으로 높은 이득을 얻도록 하는 캐스코드 구조의 제 3버퍼와,
    상기 제 3버퍼의 출력을 션트피킹 기술로 소자의 대역폭을 넓혀 고속동작을 하도록 하는 출력단
    으로 이루어진 것을 특징으로 하는 광수신기용 차동 트랜스임피던스 증폭기.
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