KR20050096296A - Differential transimpedance preamplifier - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광통신용 수신기에서 사용되는 트랜스임피던스 전치증폭기에 관한 것으로, 출력 옵셋(Offset) 전압을 제거하는 입력단과, 상기 입력단에서 출력되는 전류를 전압신호로 변환하는 트랜스임피던스단과, 상기 트랜스임피던스단에서 출력되는 전압신호를 증폭하는 전압증폭단과, 상기 전압증폭단과의 분리를 위한 출력버퍼단과, 부궤환 루프를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 입력단에 공통베이스 구조를 사용하여 부가적인 더미 회로 없이 전체 구조를 완전 차동 구조화 하여 제조 공정 변동에 둔감하고 높은 CMRR로 잡음 면역력이 우수하며, 다음단과의 인터페이스에 유리하게 되는 이점이 있다.The present invention relates to a transimpedance preamplifier used in an optical communication receiver, comprising: an input stage for removing an output offset voltage; a transimpedance stage for converting current output from the input stage into a voltage signal; and the transimpedance stage. And a voltage amplifier stage for amplifying the output voltage signal, an output buffer stage for separation from the voltage amplifier stage, and a negative feedback loop. According to the present invention, by using a common base structure at the input stage, the entire structure is completely differentially structured without any additional dummy circuits, thereby making it insensitive to manufacturing process variation, excellent noise immunity with high CMRR, and advantageous to interface with the next stage. have.
Description
본 발명은 광통신용 수신기에서 사용되는 트랜스임피던스 전치증폭기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공통베이스 입력단을 통하여 단일 입력에 대해 완전 차동구조를 갖는 트랜스임피던스 전치증폭기에 관한 것이다.The present invention relates to a transimpedance preamplifier used in an optical communication receiver, and more particularly, to a transimpedance preamplifier having a fully differential structure for a single input through a common base input stage.
광통신용 수신기에서 사용되는 트랜스임피던스 전치증폭기는 광통신용 수신기에서 검출기에 의해 수신된 미약한 광전류를 다음단의 제한증폭기에서 필요로 하는 전기적 전압신호로 변환, 증폭시키는 역할을 한다.The transimpedance preamplifier used in the optical communication receiver converts and amplifies the weak optical current received by the detector in the optical communication receiver into the electrical voltage signal required by the next stage limiting amplifier.
최근 기하급수적으로 늘어나고 있는 인터넷 수요와 함께 백본(Backbone)을 통해 전송해야 할 데이터의 양도 늘어남에 따라, 많은 양의 데이터를 고속으로 전송 가능하게 하는 전송매체로는, 최적의 해결방법으로써 광섬유로 수렴되고 있다.With the recent exponential growth of Internet demand, the amount of data to be transmitted through the backbone has increased, and as a transmission medium that enables a large amount of data to be transmitted at high speed, converged to an optical fiber as an optimal solution. It is becoming.
이런 광섬유를 이용한 광전송 시스템에서는 광신호를 전자신호로 바꾸어 줄 소자가 필요하게 된다. 이러한 역할은 광수신기의 포토다이오드(PD)와 전치증폭기에서 처리하게 되며, 전체 광수신기의 감도는 전치증폭기에서 결정된다.In such an optical transmission system using an optical fiber, an element for converting an optical signal into an electronic signal is required. This role is played by the photodiode (PD) and preamplifier of the photoreceiver, and the sensitivity of the entire photoreceiver is determined in the preamplifier.
이러한 전치증폭기는 회로구조가 간단하고 설계가 용이한 단일(single-ended)입출력 구조로 만들어져 왔으나, 광수신기의 최종출력은 차동신호로 출력되어야 하기 때문에 단일 입출력 형태로 전치증폭기가 구성된 경우에는 제한증폭기에서 단일신호를 차동신호로 변환하여 처리해야 하는 부담을 안게 되며, 또한 전원 노이즈나 기판 노이즈 같은 공통모드 노이즈에 치명적이다.Although this preamplifier has been made of a single-ended I / O structure with a simple circuit structure and easy to design, since the final output of the optical receiver has to be output as a differential signal, the limited amplifier is configured when the preamplifier is configured as a single input / output type. In addition, a single signal is converted into a differential signal, and the burden of processing is common, and it is also fatal to common mode noise such as power supply noise and substrate noise.
또한, 기존의 단일 출력형 전치증폭기의 경우, 다음 단의 차동(Differential-ended) 입력을 가지는 제한증폭기와의 인터페이스가 좋지 않을 뿐만 아니라, 전치증폭기의 설계시 가장 중요한 성능 항목 중의 하나인 저잡음 특성을 위해 대역폭과의 트레이드-오프(trade-off) 관계를 조절하는 궤환 저항 값에만 의존해야 하는 단점이 있다.In addition, in the case of the conventional single output preamplifier, the interface with a limiting amplifier having a differential-ended input of the next stage is not good and the low noise characteristic, which is one of the most important performance items in the design of the preamplifier, There is a disadvantage in that it depends only on the feedback resistance value that controls the trade-off relationship with the bandwidth.
따라서, 산업계에서는 회로가 복잡하고, 전력소모는 증가하지만 상기의 단일 출력형 전치증폭기의 단점을 보완하여 제조공정상 변동에 둔감하고, 높은 CMRR(Common Mode Rejection Ratio)로 잡음 특성이 강하며, 다음 단의 차동입력 구조를 가지는 제한 증폭기와의 인터페이스가 유리한 차동 출력형 전치증폭기를 양산용 구조로 주로 채택하고 있다.Therefore, in the industry, the circuit is complicated, the power consumption is increased, but it compensates for the shortcomings of the single output preamplifier and is insensitive to fluctuations in the manufacturing process, and the noise characteristic is strong due to the high common mode rejection ratio (CMRR). The differential output type preamplifier, which has an interface with a limiting amplifier having a differential input structure, is mainly adopted as a mass production structure.
그러나, 광다이오드와 같이 광신호를 검출하는 수광소자의 출력은 하나이므로, 결국 전치증폭기 내에서 단일-차동 변환(Single-to-differential Conversion)을 수행하여야 된다.However, since there is only one output of a light receiving element that detects an optical signal such as a photodiode, a single-to-differential conversion must be performed in the preamplifier.
상기 단일-차동 변환을 수행하기 위한 방법은 크게 두가지로 나뉘는데, 첫번째는 전치증폭기 회로 내에 단일 출력과 차동 입력을 공존시켜 그 사이에 인터페이스를 구성하는 방법과, 둘째는 전치증폭기 회로 전체를 차동 구조로 구성하는 방법이다.The method for performing the single-differential conversion is largely divided into two methods. First, a single output and a differential input coexist in a preamplifier circuit to configure an interface therebetween, and second, the entire preamplifier circuit is differentially configured. How to configure.
먼저, 첨부된 도 1 및 도 2를 참조하여 종래의 기술에 따른 전치증폭기 회로 내에 단일 출력과 차동 입력을 공존시키는 방법에 대하여 설명한다.First, a method of coexisting a single output and a differential input in a preamplifier circuit according to the prior art will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
광통신용 회로는 광대역을 지원해야 하며 단일 기판에 집적화를 위해 각 단의 연결에 있어서 DC 블러킹 커패시터를 사용하지 않는 직접 결합(direct coupling) 방식을 취해야 한다.Optical communications circuitry must support broadband and use direct coupling without the use of DC blocking capacitors at each stage for integration on a single board.
따라서, 단일 출력을 차동입력의 한 쪽에 직접 결합시키면, 다른 반전 입력단과의 DC 전압 차이에 의한 옵셋(Offset) 전압이 발생한다. 만일 이 옵셋 전압값을 인위적으로 보상시키지 않으면 차동회로의 대칭성이 깨지게 되어 정상적인 동작을 하지 않거나, 회로 성능의 열화를 유발하게 된다.Therefore, when a single output is directly coupled to one side of the differential input, an offset voltage is generated due to the DC voltage difference from the other inverting input terminal. If the offset voltage value is not artificially compensated for, the symmetry of the differential circuit is broken, causing normal operation or degrading circuit performance.
그러므로, 단일 출력구조와 차동 입력구조 사이에 적절한 인터페이스를 구성해 주어야 한다.Therefore, an appropriate interface must be constructed between the single output structure and the differential input structure.
그 해결책으로 나온 첫번째 구조가 단일 출력을 차동 입력의 한 쪽에 직접 연결하고 나머지 한 쪽 입력은 저역 통과 필터를 사용하여 동일한 DC 전압을 인가하여 보상해 주는 방법이다.The first solution, a solution, connects a single output directly to one side of the differential input and the other input is compensated by applying the same DC voltage using a low pass filter.
도 1은 종래 기술에 따른 저역통과 필터를 사용하여 싱글 투 디퍼렌셜 변환을 수행하는 광수신기 집적회로의 블록도로써, 저역통과 필터를 사용한 광수신기 집적회로는 광다이오드(1)와, 트랜스임피던스단(2)과, 전압증폭단(3 내지 5)과, 출력버퍼단(6)이 포함된다.1 is a block diagram of an optical receiver integrated circuit performing a single-to-differential conversion using a low pass filter according to the prior art, wherein an optical receiver integrated circuit using a low pass filter includes a photodiode 1 and a transimpedance stage ( 2), voltage amplifier stages 3 to 5, and output buffer stage 6 are included.
광전송선로로부터 입사하는 광신호는 광다이오드(1)에 의해 수신되어 미약한 전류신호로 변환된 후, 트랜스임피던스단(2)에 의해 전압신호로 변환되고, 다시 A1-A3의 전압증폭단(3 내지 5)에 의해 높은 이득을 가지고 출력버퍼단(6)을 통해 전압신호로 출력된다. The optical signal incident from the optical transmission line is received by the photodiode 1 and converted into a weak current signal, and then converted into a voltage signal by the transimpedance stage 2, and then the voltage amplification stages 3 through 3 of A1-A3. 5) has a high gain and is output as a voltage signal through the output buffer stage (6).
이때, 단일-차동 변환을 수행하기 위해 저역통과필터(8)가 전압증폭단 A1(3)과 A2(4)사이에 삽입되어, 광전류의 크기에 따라 DC 전압을 생성하여 A2(4)의 차동증폭회로의 다른 한쪽 반전 입력에 연결된다.At this time, a low pass filter 8 is inserted between the voltage amplifier stages A1 (3) and A2 (4) to perform a single-differential conversion, and generates a DC voltage according to the magnitude of the photocurrent to differentially amplify the A2 (4). It is connected to the other inverting input of the circuit.
그러나, 도 1에 도시된 바와 같이, 저역 통과 필터를 구성할 경우 집적화를 위해 고용량의 커패시터를 사용하여야 된다.However, as shown in FIG. 1, when a low pass filter is configured, a high capacity capacitor must be used for integration.
고용량의 커패시터를 사용하지 않는 경우, 차동회로 양 입력간 DC 전압차가 발생할 뿐만 아니라, 저주파수 영역의 위상이 맞지 않는 신호가 전달되어 회로가 제대로 동작하지 않는다. Without high-capacitance capacitors, not only does the DC voltage difference between the inputs of the differential circuits occur, but the out-of-phase signals in the low-frequency region are transmitted, resulting in poor circuit operation.
따라서, 집적화를 포기하고 칩 외부에 수 나노 패럿 이상되는 큰 용량의 커패시터를 연결하기 위한 부가적인 단자를 구성해야 하는 문제점이 있다.Therefore, there is a problem in that an additional terminal for abandoning integration and connecting a capacitor having a large capacity of several nanofarads or more outside the chip is required.
또 다른 구조로는 단일-차동 인터페이스에 부궤환(negative feedback) 루프를 구성하여 옵셋 전압을 줄이는 방법이다.Another scheme is to reduce the offset voltage by configuring a negative feedback loop on a single-differential interface.
도 2는 종래 기술에 따른 부궤환 루프와 외부 DC 전압 제어를 통해 단일-차동 변환을 수행하는 트랜스임피던스 전치증폭기의 회로도이다.2 is a circuit diagram of a transimpedance preamplifier for performing single-differential conversion through a negative feedback loop and external DC voltage control according to the prior art.
도 2에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 부궤환 루프와 외부 전압 제어를 갖는 트랜스임피던스 전치증폭기는 광다이오드(11)와, Q1(12), Q1'(13)의 트랜스임피던스단과, Q2(14), Q2'(15)의 에미터팔로워(Emitter follower) 버퍼단과, A1(16), A2(17), Q3(18), Q3'(19)의 전압증폭단과, Q2(14), Q2'(15)의 소스와 병렬 궤환 저항 RF(10), RF'(11)를 통해 Q1(12), Q1'(13)의 게이트로 연결되는 부궤환루프로 구성되어 진다.As shown in FIG. 2, a transimpedance preamplifier having a negative feedback loop and an external voltage control according to the prior art has a photodiode 11, a transimpedance stage of Q1 (12), Q1 '(13), and Q2 ( 14) the emitter follower buffer stage of Q2'15, the voltage amplifier stages of A1 (16), A2 (17), Q3 (18), Q3 '(19), Q2 (14), Q2 It consists of a negative feedback loop connected to the gates of Q1 (12) and Q1 '(13) through the source of '15 and the parallel feedback resistors R F (10) and R F ' (11).
광전송선로로부터 입사하는 광신호는 광다이오드(11)에 의해 수신되어 미약한 전류신호로 변환된 후, Q1(12), Q1'(13)의 트랜스임피던스단에 의해 전압신호로 변환되고, Q2(14), Q2'(15)의 에미터팔로워 버퍼단에 의해 격리되어져서 A1(16), A2(17), Q3(18), Q3'(19)의 전압증폭단에 의해 높은 이득을 가진 전압신호로 출력된다.The optical signal incident from the optical transmission line is received by the photodiode 11, converted into a weak current signal, and then converted into a voltage signal by the transimpedance stages of Q1 (12) and Q1 '(13). 14) is isolated by the emitter follower buffer stage of Q2 '(15) and is a high gain voltage signal by the voltage amplifier stages of A1 (16), A2 (17), Q3 (18) and Q3' (19). Is output.
이때, Q2(14), Q2'(15)의 소스와 병렬궤환저항 RF(10), RF'(11)를 통해 Q1(12), Q1'(13)의 게이트로 연결되는 부궤환루프를 이용하여 단일-차동 변환을 수행한다.At this time, using a negative feedback loop connected to the sources of Q2 (14) and Q2 '(15) and the gates of Q1 (12) and Q1' (13) through the parallel feedback resistors RF (10) and RF '(11). To perform a single-differential conversion.
그러나, 부궤환루프를 형성한다고 하더라도 Q1(12)의 게이트 입력과 수광소자(11)와의 직접 연결때문에 완전한 DC 옵셋 제거가 되지 않는다. 따라서, 추가적인 전압 제어단자를 사용하여 외부에서 전압(20)을 인가, 조절하여 출력 옵셋 전압을 제거한다.However, even if the negative feedback loop is formed, complete DC offset cancellation is not performed because of the direct connection between the gate input of the Q1 12 and the light receiving element 11. Accordingly, the output offset voltage is removed by applying and adjusting the voltage 20 from the outside using an additional voltage control terminal.
그러므로, 상기 방법에 의해서도 외부에서 전압을 제어해야 할 필요가 있는바 양산용으로 부적합한 문제점이 있다.Therefore, there is a problem that it is not suitable for mass production because it is necessary to control the voltage externally by the above method.
다음으로 단일-차동 변환을 수행하기 위하여 전치증폭기 회로 전체를 차동 구조로 구성하는 종래의 기술을 도 3을 참조하여 설명한다.Next, a conventional technique of configuring the entire preamplifier circuit in a differential structure in order to perform single-differential conversion will be described with reference to FIG. 3.
전치증폭기 회로 전체를 차동구조로 구성하는 방법은 수광소자의 출력은 하나뿐이므로 완전 차동 구조화를 위해서 수광소자와 연결되지 않는 다른 한 쪽 입력에 단일 입출력 트랜스임피던스 구조와 동일한 더미 회로를 대칭적으로 달아주어 DC 전압의 밸런스를 유지시켜 주는 방법이다. Since the entire preamplifier circuit is composed of a differential structure, only one output of the light-receiving element is used. Therefore, for a completely differential structure, a dummy circuit identical to a single input / output transimpedance structure is symmetrically attached to the other input which is not connected to the light-receiving element. To maintain the balance of the DC voltage.
도 3은 종래 기술에 따른 부가적인 더미회로를 사용하여 완전 차동구조를 형성하는 트랜스임피던스 전치증폭기의 회로도이다.FIG. 3 is a circuit diagram of a transimpedance preamplifier forming a fully differential structure using additional dummy circuits according to the prior art. FIG.
더미회로를 사용한 트랜스임피던스 전치증폭기는 광다이오드 입력단(31)과, Q1의 트랜스임피던스단(32)과, Q2(33), Q3(34)의 에미터팔로워 버퍼단과, Q4(35), Q5(36)의 전압증폭단과, 상기 Q1(32), Q2(33), Q3(34) 단과 등가인 더미 회로(37)를 포함한다.The transimpedance preamplifier using the dummy circuit has a photodiode input stage 31, a transimpedance stage 32 of Q1, an emitter follower buffer stage of Q2 (33) and Q3 (34), Q4 (35), Q5 ( And a dummy circuit 37 equivalent to the Q1 32, Q2 33, and Q3 34 stages.
광전송선로로부터 입사하는 광신호는 광다이오드에 의해 수신되어 미약한 전류신호로 변환된 후, 광다이오드 입력단(32)으로 인가되어 Q1(32)의 트랜스임피던스단에 의해 전압신호로 변환되고, Q2(33), Q3(34)의 에미터팔로워 버퍼단에 의해 격리되어져서 Q4(35), Q5(36)의 전압증폭단에 의해 높은 이득을 가진 전압신호로 출력된다.The optical signal incident from the optical transmission line is received by the photodiode and converted into a weak current signal, and then applied to the photodiode input terminal 32 and converted into a voltage signal by the transimpedance stage of Q1 32, and Q2 ( 33), it is isolated by the emitter follower buffer stage of Q3 (34), and is output as a voltage signal with high gain by the voltage amplifier stages of Q4 (35) and Q5 (36).
이때, Q5(36)의 베이스 입력은 Q1(32), Q2(33), Q3(34) 단과 같은 구조의 더미회로(37)에 의해 바이어스 시킴으로써 출력 옵셋 전압을 제거하며 단일-차동 변환을 수행한다.At this time, the base input of the Q5 36 is biased by the dummy circuit 37 having the same structure as the Q1 32, Q2 33, and Q3 34 stages to remove the output offset voltage and perform single-differential conversion. .
하지만, 수광소자의 접합 용량 값이나 더미 회로(37)에 포함되는 커패시터 값은 수광소자에 역방향으로 인가된 바이어스나 공정의 변화에 따라 미세하게 변하게 되므로, 차동 구조의 대칭성이 깨지게 되어 성능 열화를 피할 수 없다.However, since the value of the junction capacitance of the light receiving element or the capacitor value included in the dummy circuit 37 is changed slightly according to the bias applied to the light receiving element in the reverse direction or the change of the process, the symmetry of the differential structure is broken and performance deterioration is avoided. Can't.
또한, 추가로 부가적인 회로를 사용하여 칩 면적이 증가하므로 양산시 제조원가도 증가하는 문제점이 있다.In addition, since the chip area is increased by using additional circuits, manufacturing costs are also increased during mass production.
상술한 바와 같이, 양산에 적합한 차동구조의 트랜스임피던스 전치증폭기를 형성하기 위해서 내부에 싱글 투 디퍼렌셜 구조의 인터페이스를 사용하거나, 더미 회로를 사용하여 차동구조로 설계하려는 시도가 있었지만, 부가적인 외부 출력 단자에 큰 용량의 커패시터를 연결, 사용하여야 하며 완벽하게 DC 옵셋을 제거하지 못한다.As described above, there has been an attempt to design a differential structure using a single-to-differential structure or a dummy circuit to form a transimpedance preamplifier with a differential structure suitable for mass production. Large capacitors must be connected and used to eliminate the DC offset.
따라서, 부가적인 더미 회로나 수동 소자의 필요없이 완전 차동 구조를 가질 수 있는 트랜스임피던스 전치증폭기 구조가 절실히 요구되고 있는 실정이다.Therefore, there is an urgent need for a transimpedance preamplifier structure that can have a fully differential structure without the need for additional dummy circuits or passive components.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 단일-차동 변환을 수행하기 위해 부가적인 더미회로나 고용량의 커패시터 대신에 입력단에 공통베이스 접지 구조를 사용함으로써 완전한 대칭구조로 구성된 트랜스임피던스 전치증폭기를 제안한다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, and a transformer having a completely symmetrical structure by using a common base ground structure at the input stage instead of an additional dummy circuit or a high capacity capacitor to perform a single-differential conversion. An impedance preamplifier is proposed.
또한, 본 발명은 DC 옵셋에 의해 발생되는 문제를 제거하고, 제조 공정 변동에 둔감하며 높은 CMRR(common mode rejection ratio)로 잡음 면역력이 우수한 트랜스임퍼던스 전치증폭기를 제안하는데 목적이 있다.In addition, an object of the present invention is to eliminate the problems caused by DC offset, insensitive to manufacturing process variation, and to propose a transimpedance preamplifier with excellent noise immunity with high common mode rejection ratio (CMRR).
또한, 본 발명은 광수신기 구성에서 다음 단에 위치하는 제한 증폭기와의 인터페이스에 유리한 완전 차동 구조의 공통베이스 입력형 트랜스 임피던스 전치증폭기 집적회로를 제안하는데 목적이 있다.Another object of the present invention is to propose a common base input type transimpedance preamplifier integrated circuit having a fully differential structure, which is advantageous for an interface with a limiting amplifier located at a next stage in an optical receiver configuration.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 광다이오드에서 출력되는 광전류를 입력받고, 출력 옵셋(Offset) 전압을 제거하는 공통베이스 입력단과, 상기 공통베이스 입력단에서 출력되는 전류를 전압신호로 변환하는 트랜스임피던스단과, 상기 트랜스임피던스에서 출력되는 전압신호를 증폭하는 전압증폭단과, 상기 전압증폭단과의 분리를 위한 출력버퍼단과, 궤환저항을 포함한 부궤환 루프를 포함함을 특징으로 한다.In order to solve the above problems, the present invention receives a photocurrent output from a photodiode, a common base input terminal for removing an output offset voltage, and a transformer for converting the current output from the common base input terminal into a voltage signal. And an impedance stage, a voltage amplifier stage for amplifying the voltage signal output from the transimpedance, an output buffer stage for separation from the voltage amplifier stage, and a negative feedback loop including a feedback resistor.
위와 같이 이루어진 본 발명은 입력단에 공통베이스 구조를 사용하여 부가적인 더미 회로 없이 전체 구조를 완전 차동 구조화함으로써, 종래의 단일-차동 변환 구조에서 발생하는 출력 옵셋 전압에 의한 성능 열화를 방지하고, 제조 공정 변동에 둔감하고, 높은 CMRR로 잡음 면역력이 우수하며, 다음단과의 인터페이스에 유리하도록 작동된다.The present invention made as described above uses a common base structure at the input stage to fully differential structure the entire structure without additional dummy circuits, thereby preventing performance degradation due to the output offset voltage occurring in the conventional single-differential conversion structure, and manufacturing process Insensitive to fluctuations, high CMRR provides excellent noise immunity and works to interface with the next stage.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 완전 차동구조의 트랜스임피던스 전치증폭기(102)의 블록도이다.4 is a block diagram of a transimpedance preamplifier 102 of a fully differential structure in accordance with one preferred embodiment of the present invention.
도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 완전 차동구조의 트랜스임피던스 전치증폭기(102)는 공통베이스 입력단(103), 트랜스임피던스단(104), 전압증폭단(105), 출력 버퍼단(106), 궤환 저항(107a, 107b)을 통한 부궤환루프를 포함한다.As shown in FIG. 4, the transimpedance preamplifier 102 of the fully differential structure according to the present invention includes a common base input stage 103, a transimpedance stage 104, a voltage amplifier stage 105, an output buffer stage 106, and a feedback. And a negative feedback loop through the resistors 107a, 107b.
도 4를 참조하여 설명하면, 광전송선로로부터 입사하는 광신호는 광다이오드(101)을 통해 미약한 전류 신호로 변환되며, 상기 광다이오드(101)에 의해 변환된 전류는 공통베이스 입력단(103)으로 입력된다. 상기 공통베이스 입력단(103)은 단일 입력의 광전류를 차동 형태로 트랜스임피던스단(104)쪽으로 출력한다. Referring to FIG. 4, the optical signal incident from the optical transmission line is converted into a weak current signal through the photodiode 101, and the current converted by the photodiode 101 is transferred to the common base input terminal 103. Is entered. The common base input terminal 103 outputs a single input photocurrent to the transimpedance terminal 104 in a differential form.
상기 트랜스임피던스단(104)은 입력된 전류에 따라서 이를 전압신호로 변환하고, 다음단의 전압증폭단(105)는 상기 변환된 전압신호를 증폭한다.The transimpedance stage 104 converts it into a voltage signal according to the input current, and the voltage amplifier stage 105 of the next stage amplifies the converted voltage signal.
또한, 상기 전압증폭단(105)과 출력단의 사이에 격리를 위해서 출력버퍼단(106)이 포함된다.In addition, an output buffer stage 106 is included for isolation between the voltage amplifier stage 105 and the output stage.
광신호를 검출하여 전치증폭기에 광전류를 공급하는 광다이오드(101)는 보편적으로 사용되는 핀 광다이오드(PIN PD)뿐만 아니라 애벌런치 광다이오드(APD) 및 금속-반도체-금속 광다이오드(MSM PD)등을 포함한다.The photodiode 101, which detects an optical signal and supplies a photocurrent to the preamplifier, has avalanche photodiode (APD) and metal-semiconductor-metal photodiode (MSM PD) as well as commonly used pin photodiode (PIN PD). And the like.
이하, 도 5를 참조하여 완전 차동 구조의 트랜스임피던스 전치증폭기의 동작에 대하여 설명한다.Hereinafter, the operation of the transimpedance preamplifier of a fully differential structure will be described with reference to FIG. 5.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 완전 차동구조의 트랜스임피던스 전치증폭기 집적회로(200)의 회로도이다.5 is a circuit diagram of a transimpedance preamplifier integrated circuit 200 of a fully differential structure according to a preferred embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 완전 차동구조의 트랜스임피던스 전치증폭기 집적회로(200)는 Q1(202), Q2(203)의 공통베이스 입력단과, Q3(204), Q4(205)의 트랜스임피던스단과, Q5(206), Q6(207)의 버퍼단과, Q7(208), Q8(209)의 전압증폭단을 포함한다.The transimpedance preamplifier integrated circuit 200 of the fully differential structure according to the embodiment of the present invention may include a common base input terminal of Q1 202 and Q2 203, and a transimpedance terminal of Q3 204 and Q4 205. And the buffer stages of Q5 206 and Q6 207 and the voltage amplifier stages of Q7 208 and Q8 209.
광전송선로로부터 입사하는 광신호는 광다이오드(201)에 의해 미약한 전류 신호로 변환되어 공통베이스 구조의 Q1(202)의 에미터에 연결되어 흐르게 된다.The optical signal incident from the optical transmission line is converted into a weak current signal by the photodiode 201 and connected to the emitter of Q1 202 having a common base structure.
또한, 꼬리전류(tail-current)를 통해 Q2(203)에도 위상차가 180도인 전류가 흐르게 된다.In addition, a current having a phase difference of 180 degrees also flows through Q2 203 through tail-current.
그 후 상기 Q1(202) 및 Q2(203)에 흐르는 전류신호는, Q3(204), Q4(205)의 트랜스임피던스단에 의해 전압신호로 변환되고, Q5(206), Q6(207)의 에미터팔로워 버퍼단에 의해 격리되어져서 Q7(208), Q8(209)의 전압증폭단에 의해 높은 이득을 가진 전압신호로 출력된다.Thereafter, the current signals flowing through the Q1 202 and the Q2 203 are converted into voltage signals by the transimpedance stages of the Q3 204 and the Q4 205, and the emitters of the Q5 206 and Q6 207 It is isolated by the follower buffer stage and is output as a voltage signal with high gain by the voltage amplifier stages of Q7 208 and Q8 209.
이때, 교류 접지인 Q1(202)과 Q2(203)의 베이스 바이어스는 광다이오드 입력과는 독립적인 DC 바이어스 회로를 구성하여 인가하게 되므로, 회로구조상 출력 옵셋 전압이 제거되어 이상적으로 완전 대칭구조가 가능하다. 이러한 DC 바이어스 회로는 보편적으로 널리 알려져 있는 종류들 중에서 응용 특성에 맞게 선택되어질 수 있다.At this time, since the base bias of Q1 202 and Q2 203, which are AC ground, is applied by constructing a DC bias circuit independent of the photodiode input, the output offset voltage is eliminated in the circuit structure, thus enabling an ideally symmetrical structure. Do. Such a DC bias circuit can be selected according to application characteristics from among a variety of commonly known types.
또한, 트랜스임피던스단 Q3(204), Q4(205)에서 출력되는 위상 반전된 신호는 버퍼단 Q5(206), Q6(207)의 에미터를 거쳐 병렬 궤환 저항 RF(210)를 통해 다시 트랜스임피던스단의 베이스로 부성 궤환(negative feedback)되는데, 이 궤환저항값을 변화시킴으로써 전치증폭기의 전체 이득, 대역폭 및 등가입력 잡음밀도를 응용 목적에 따라 최적화시킬 수 있다.In addition, the phase-inverted signal output from the transimpedance stages Q3 204 and Q4 205 passes through the emitters of the buffer stages Q5 206 and Q6 207 again through the parallel feedback resistor R F 210. Negative feedback is used as the base of the stage. By changing this feedback resistance, the overall gain, bandwidth, and equivalent input noise density of the preamplifier can be optimized according to the application purpose.
그리고, 상기한 실시예에 따른 구성 이외에 자동이득제어(AGC:Automatic Gain Control) 회로부나 부성궤환(Negative Feedback) 회로부의 위치나 구성에 따라 바이어스 공급이 바뀌므로 부분적으로 회로구성이 변형되어질 수 있다.In addition to the configuration according to the above embodiment, since the bias supply is changed depending on the position or configuration of the automatic gain control (AGC) circuit or the negative feedback circuit, the circuit configuration may be partially modified.
즉, 상기 실시예에서는 저항을 이용하여 부성궤환을 위한 루프를 형성하고 있으나, 상기 저항 대신에 자동이득제어회로부(AGC)를 사용하여 부성궤환을 위한 루프를 형성할 수 있다.That is, in the above embodiment, a loop for negative feedback is formed using a resistor, but a loop for negative feedback may be formed using an automatic gain control circuit unit AGC instead of the resistor.
한편, 상기 전치증폭기는 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)공정을 사용하여 동일 기판상에 집적화하여 제작되어 질 수 있으며, 저속 소자용 Si CMOS 부터 고속 소자용 SiGe, GaAs, InP HBT를 포함하는 바이폴라 계열까지 사용되는 재료시스템이나 소자 종류와는 무관하게 응용될 수 있다.Meanwhile, the preamplifier may be fabricated by integrating on the same substrate using a MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) process, and may be manufactured from low-speed Si CMOS to bipolar series including high-speed SiGe, GaAs, and InP HBT. It can be applied regardless of the material system or device type used.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 완전 차동구조의 트랜스임피던스 전치증폭기는, 광다이오드와의 인터페이스에 공통베이스 입력을 사용함으로써 칩 내부를 완전 차동구조화하여 회로구조 뿐만 아니라 소자배치 또한 완전 대칭구조로 설계하여 출력 옵셋 전압을 제거하였다.As described above, the transimpedance preamplifier of the fully differential structure according to the present invention uses a common base input for the interface with the photodiode, so that the inside of the chip is completely differentially structured so that not only the circuit structure but also the device arrangement is designed to be completely symmetrical. The output offset voltage was removed.
그러나, 상기한 구체적인 실시예에 제한되지 않고, 상기한 특정사항들이 본 발명의 범위 내에서 소정의 변형이나 혹은 변경이 이루어질 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.However, it will be apparent to those skilled in the art that the above-described specific matters may be changed or changed without departing from the specific embodiments described above.
상기 회로의 성능을 검증하기 위해 양산용 반도체 집적회로 공정의 소자 라이브러리를 제공받아 널리 알려진 고주파 회로 시뮬레이터인 HP사의 Advanced Design System을 사용하여 주파수 및 시간 영역에서의 특성을 살펴본다.In order to verify the performance of the circuit, a device library of a semiconductor integrated circuit process for mass production was provided to examine the characteristics in the frequency and time domain using the HP's Advanced Design System, a well-known high frequency circuit simulator.
시뮬레이션에 사용된 능동소자는 GaAs 이종접합 트랜지스터(HBT)로써, 차단주파수가 60GHz, 최대발진주파수가 90GHz이며, 광다이오드는 접합용량 0.2pF, 직렬저항 10Ω의 PIN 광다이오드로 모델링되었고, 최종회로 속도는 소자 성능에 적합한 10Gbps급 전치증폭기를 설계하였다.The active element used in the simulation is GaAs heterojunction transistor (HBT), which has a cutoff frequency of 60 GHz and a maximum oscillation frequency of 90 GHz. The photodiode is modeled as a PIN photodiode with 0.2 pF junction capacity and 10 Ω series resistance. Designed a 10Gbps preamplifier suitable for device performance.
도 6은 본 발명에 의한 트랜스임피던스 전치증폭기 집적회로의 주파수 영역에서의 이득 특성 및 반사 특성을 나타낸 그래프이고, 도 7은 본 발명에 의한 트랜스임피던스 전치증폭기 집적회로의 시간 영역에서 아이 다이아그램(Eye Diagram)을 나타낸다.6 is a graph illustrating gain characteristics and reflection characteristics in the frequency domain of a transimpedance preamplifier integrated circuit according to the present invention, and FIG. 7 is an eye diagram in the time domain of the transimpedance preamplifier integrated circuit according to the present invention. Diagram).
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 트랜스임피던스 전치증폭기 집적회로는 트랜스임피던스 이득이 50dBΩ, S22가 10GHz이하에서 최고 -12dB로 높은 이득과 우수한 출력반사손실 특성을 나타낸다. 또한 지터 특성이 개선되고 개구부가 넓은 우수한 눈패턴(Eye-Pattern)을 얻을 수 있다.As shown in FIG. 6, the transimpedance preamplifier integrated circuit according to the present invention exhibits high gain and excellent output reflection loss with a transimpedance gain of 50 dBΩ and S22 of up to -12 dB at 10 GHz or less. In addition, the jitter characteristic is improved and an excellent eye pattern can be obtained with a wide opening.
한편, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 도 5의 차동 트랜스임피던스(200)는 다채널 어레이형 광수신기 모듈에 적용될 수 있도록, 채널수 만큼 병렬 형태의 집적회로로 구성될 수 있다.Meanwhile, as shown in FIG. 8, the differential transimpedance 200 of FIG. 5 may be configured as an integrated circuit having a parallel type as many channels as may be applied to a multi-channel array type optical receiver module.
도 8에서는 4채널에 적용될 수 있는 형태를 도시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 채널수 만큼 병렬 형태로 상기 차동 트랜스임피던스(200)를 집적하여 구성하는 것은 당업자에게 용이할 것이다.Although FIG. 8 illustrates a form that can be applied to four channels, the present invention is not limited thereto. It will be easy for those skilled in the art to integrate the differential transimpedance 200 in a parallel form as many as the number of channels.
한편, 집적회로의 레이아웃 설계시, 병렬 형태로 구성되는 차동 트랜스임피던스(200)에 있는 부품을 수평 대칭적으로 배치되게 설계함으로써 집적회로의 비대칭성으로 인해 발생할 수 있는 옵셋(offset)전압을 방지한다.On the other hand, when designing the layout of the integrated circuit, by designing the components in the differential transimpedance 200 configured in a parallel configuration horizontally symmetrical to prevent the offset (offset) voltage that may occur due to the asymmetry of the integrated circuit .
이상으로 살펴본 바와 같이, 본 발명은 종래의 단일-차동 변환 구조에서 발생하는 출력 옵셋 전압에 의한 성능 열화를 방지하기 위해 입력단에 공통베이스 구조를 사용하여 부가적인 더미 회로 없이 전체 구조를 완전 차동 구조화 하여 제조 공정 변동에 둔감하고 높은 CMRR로 잡음 면역력이 우수하며, 다음단과의 인터페이스에 유리한 완전 차동구조의 트랜스임피던스 전치증폭기 집적회로를 제공할 수 있다.As described above, the present invention uses a common base structure at the input stage to prevent performance deterioration due to the output offset voltage generated in the conventional single-differential conversion structure, so that the entire structure is fully differentially structured without additional dummy circuits. It is insensitive to manufacturing process variation, high noise noise immunity due to high CMRR, and can provide a fully differential transimpedance preamplifier integrated circuit, which is advantageous for the next stage interface.
또한, 본 발명은 광수신기 구성에서 다음 단에 위치하는 제한 증폭기와의 인터페이스에 유리한 완전 차동 구조의 공통베이스 입력형 트랜스 임피던스 전치증폭기 집적회로를 제공할 수 있다.In addition, the present invention can provide a common base input type transimpedance preamplifier integrated circuit having a fully differential structure, which is advantageous for an interface with a limiting amplifier located next in the optical receiver configuration.
도 1은 종래 기술에 따른 저역통과필터를 사용한 광수신기 집적회로의 블록도.1 is a block diagram of an optical receiver integrated circuit using a low pass filter according to the prior art.
도 2는 종래 기술에 따른 부궤환 루프와 외부 전압 제어를 사용한 트랜스임피던스 전치증폭기의 회로도.2 is a circuit diagram of a transimpedance preamplifier using a negative feedback loop and external voltage control according to the prior art.
도 3은 종래 기술에 따른 부가적인 더미회로를 사용한 트랜스임피던스 전치증폭기의 회로도.3 is a circuit diagram of a transimpedance preamplifier using an additional dummy circuit according to the prior art.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 완전 차동구조의 트랜스임피던스 전치증폭기의 블록도.4 is a block diagram of a transimpedance preamplifier in a fully differential structure, in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 완전 차동구조의 트랜스임피던스 전치증폭기의 회로도.5 is a circuit diagram of a transimpedance preamplifier of a fully differential structure according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명에 따른 완전 차동구조의 트랜스임피던스 전치증폭기의 주파수 도메인에서 이득 및 반사특성을 나타낸 그래프.Figure 6 is a graph showing the gain and reflection characteristics in the frequency domain of the transimpedance preamplifier of the fully differential structure according to the present invention.
도 7은 본 발명에 따른 완전 차동구조의 트랜스임피던스 전치증폭기의 시간 도메인에서 아이 다이아그램(Eye Diagram)을 나타낸 그래프.Figure 7 is a graph showing the eye diagram (Eye Diagram) in the time domain of the transimpedance preamplifier of the fully differential structure according to the present invention.
도 8은 다채널 어레이형 광수신기 모듈에 적용될 수 있도록, 채널수 만큼 병렬 형태의 집적회로로 구성된 차동 트랜스임피던스 전치증폭기를 나타낸 도면.FIG. 8 is a diagram illustrating a differential transimpedance preamplifier configured as an integrated circuit in parallel as many channels as may be applied to a multichannel array type optical receiver module. FIG.
<도면의 주요부분에 대한 설명><Description of main parts of drawing>
200:트랜스임피던스 전치증폭기 집적회로 201: 광다이오드200: transimpedance preamplifier integrated circuit 201: photodiode
202,203: 공통베이스 입력단 204,205: 트랜스임피던스단202, 203: common base input stage 204, 205: transimpedance stage
206,207: 버퍼단 208,209: 전압증폭단206,207: buffer stage 208,209: voltage amplifier stage
210a,210b: 궤환 저항 210a, 210b: feedback resistance
300: 다채널 어레이형 트랜스임피던스 전치증폭기 집적회로300: Multichannel Array Transimpedance Preamplifier Integrated Circuit
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| KR100799312B1 (en) * | 2006-09-27 | 2008-01-30 | 전자부품연구원 | Current processing circuit and method therefor |
| US9136808B2 (en) | 2013-01-24 | 2015-09-15 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Signal processing apparatus and method |
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