KR20200129804A - Linear optical receiver and method for pulse amplitude modulation - Google Patents

Linear optical receiver and method for pulse amplitude modulation Download PDF

Info

Publication number
KR20200129804A
KR20200129804A KR1020190054756A KR20190054756A KR20200129804A KR 20200129804 A KR20200129804 A KR 20200129804A KR 1020190054756 A KR1020190054756 A KR 1020190054756A KR 20190054756 A KR20190054756 A KR 20190054756A KR 20200129804 A KR20200129804 A KR 20200129804A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
signal
unit
optical receiver
current
linear optical
Prior art date
Application number
KR1020190054756A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
오원석
박강엽
Original Assignee
한국전자기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전자기술연구원 filed Critical 한국전자기술연구원
Priority to KR1020190054756A priority Critical patent/KR20200129804A/en
Publication of KR20200129804A publication Critical patent/KR20200129804A/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/60—Receivers
    • H04B10/66—Non-coherent receivers, e.g. using direct detection
    • H04B10/69—Electrical arrangements in the receiver
    • H04B10/693—Arrangements for optimizing the preamplifier in the receiver
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/07—Arrangements for monitoring or testing transmission systems; Arrangements for fault measurement of transmission systems
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/60—Receivers
    • H04B10/66—Non-coherent receivers, e.g. using direct detection
    • H04B10/69—Electrical arrangements in the receiver
    • H04B10/693—Arrangements for optimizing the preamplifier in the receiver
    • H04B10/6931—Automatic gain control of the preamplifier

Abstract

A linear optical receiver for pulse amplitude modulation, and a method thereof are disclosed. According to the present invention, the linear optical receiver comprises: a current buffer unit which converts an optical signal into a current signal; a preamplification unit which amplifies a voltage signal while converting the current signal converted from the current buffer unit into a voltage signal; a post amplification unit for amplifying the voltage signal output from the preamplification unit; and an automatic gain control unit which detects a peak value of the voltage signal output from the post amplification unit, and feeds the detected peak value back to the preamplification unit and the post amplification unit to control gains of the preamplification unit and the post amplification unit.

Description

펄스진폭변조를 위한 선형 광 수신기 및 방법{Linear optical receiver and method for pulse amplitude modulation}Linear optical receiver and method for pulse amplitude modulation

본 발명은 광 수신기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 입력신호의 크기와 상관없이 수신기의 선형성을 유지하는 펄스진폭변조를 위한 선형 광 수신기 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an optical receiver, and more particularly, to a linear optical receiver and method for pulse amplitude modulation that maintains linearity of the receiver regardless of the magnitude of an input signal.

최근 데이터센터 및 이더넷 시장에서 펄스진폭변조(pulse amplitude modulation, PAM) 신호 포맷을 이용한 광전송 시스템에 대한 관심이 높아지면서 다양한 형태의 PAM 광부품 및 모듈에 대한 니즈(needs)가 발생하고 있다. PAM 신호 포맷은 기존의 강도변조/직접검출(Intensity Modulation/Direct Detection, IM/DD) 체계를 유지하면서도 하드웨어에 큰 부담없이 비제로 복귀(Non-Return-to-Zero, NRZ)의 2배 주파수 효율을 얻을 수 있다. 당초 100G 이더넷 시장까지는 NRZ 기반으로 진행하고 200G/400G 이더넷 시장부터 PAM-4를 적용하고 있었으나, 최근에는 100G 시장은 물론이고, 기존 10G, 40G 시장도 PAM-4를 사용하여 주파수 효율을 높이고, 주변 부품들의 사양을 낮추려는 연구가 활발하게 이루어지고 있다.Recently, as interest in optical transmission systems using pulse amplitude modulation (PAM) signal format has increased in the data center and Ethernet markets, needs for various types of PAM optical components and modules have arisen. The PAM signal format maintains the existing Intensity Modulation/Direct Detection (IM/DD) system, while the frequency efficiency is twice that of Non-Return-to-Zero (NRZ) without a heavy burden on the hardware. Can be obtained. Initially, the 100G Ethernet market was based on NRZ, and PAM-4 was applied from the 200G/400G Ethernet market, but recently, not only the 100G market, but also the existing 10G and 40G markets use PAM-4 to increase frequency efficiency, and Research is being actively conducted to lower the specifications of parts.

광 수신기는 보통 포토다이오드의 미세출력 전류를 전압으로 변환하는 전치 증폭기, 이 전압을 증폭하는 메인증폭기로 구성된다. PAM-4 신호는 기본적으로 NRZ와 같은 신호진폭을 4단계로 나누어 각각의 신호레벨에서 데이터를 추출해 낼 수 있어야 하므로, 만약 광 수신기의 전류-전압 변환이득(transimpedance gain)이 너무 커서 신호가 전원전압에 의해 제한되면 신호레벨의 비선형에 따른 에러로 인해 에러가 발생한다. 따라서 PAM-4 광신호를 그대로 전기신호로 변환하는 선형성이 매우 중요하다.Optical receivers usually consist of a preamplifier that converts the micro-output current of a photodiode into a voltage and a main amplifier that amplifies this voltage. PAM-4 signal basically has to be able to extract data from each signal level by dividing the signal amplitude like NRZ into 4 steps, so if the current-voltage transimpedance gain of the optical receiver is too large, the signal is the power supply voltage. If limited by, an error occurs due to an error due to the nonlinearity of the signal level. Therefore, the linearity of converting the PAM-4 optical signal into an electrical signal is very important.

한국등록특허공보 제10-1953861호(2019.03.05.)Korean Registered Patent Publication No. 10-1953861 (2019.03.05.)

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 신호레벨 감지를 통해 전치 증폭기의 변환이득과 후치 증폭기의 전압이득을 자동으로 조절하여 데이터가 전원에 의해 제한되지 않아 선형성을 확보하는 펄스진폭변조를 위한 선형 광 수신기 및 방법을 제공하는데 목적이 있다.The technical problem to be achieved by the present invention is a linear optical receiver for pulse amplitude modulation that automatically adjusts the conversion gain of the preamplifier and the voltage gain of the post-amplifier through signal level detection to ensure linearity because data is not limited by the power supply, and It aims to provide a method.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 펄스진폭변조를 위한 선형 광 수신기는 광신호를 전류신호로 변환하는 전류 버퍼부, 상기 전류 버퍼부로부터 변환된 전류신호를 전압신호로 변환하면서 상기 전압신호를 증폭하는 전치 증폭부, 상기 전치 증폭부로부터 출력되는 전압신호를 증폭하는 후치 증폭부 및 상기 후치 증폭부로부터 출력되는 전압신호의 피크값을 검출하고, 상기 검출된 피크값을 상기 전치 증폭부 및 상기 후치 증폭부에 피드백하여 상기 전치 증폭부 및 상기 후치 증폭부의 이득을 제어하는 자동이득 제어부를 포함한다.In order to achieve the above object, the linear optical receiver for pulse amplitude modulation according to the present invention includes a current buffer unit for converting an optical signal into a current signal, and converts the current signal converted from the current buffer unit into a voltage signal while converting the voltage signal. A preamplification unit to amplify, a post amplification unit to amplify a voltage signal output from the preamplification unit, and a peak value of the voltage signal output from the post amplification unit are detected, and the detected peak value is converted to the preamplification unit and the And an automatic gain control unit for controlling gains of the pre-amplification unit and the post-amplification unit by feeding back to the post amplification unit.

또한 상기 전류 버퍼부는, 상기 광신호를 입력받고, 상기 입력된 광신호를 전류신호로 변환하는 포토다이오드와, 상기 포토다이오드로부터 출력되는 전류신호를 상기 전치 증폭부로 전달하는 제1 전류버퍼를 포함하는 제1 전류버퍼회로 및 상기 제1 전류버퍼회로와 차동구조를 가지고, 상기 광신호를 미입력받는 더미 포토다이오드와, 상기 더미 포토다이오드와 연결되어 상기 제1 전류버퍼와 대칭구조를 가지는 제2 전류버퍼를 포함하는 제2 전류버퍼회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the current buffer unit includes a photodiode receiving the optical signal and converting the input optical signal into a current signal, and a first current buffer transmitting a current signal output from the photodiode to the preamplification unit. A dummy photodiode having a differential structure with the first current buffer circuit and the first current buffer circuit and receiving the optical signal not received, and a second current buffer connected to the dummy photodiode and having a symmetrical structure with the first current buffer It characterized in that it comprises a second current buffer circuit including a.

또한 상기 전치 증폭기는, 상기 전압신호를 증폭시키는 전압 증폭기의 출력단과 입력단 사이에 저항을 구비시켜 네거티브 피드백(negative feedback)을 구성하는 저항-피드백 구조를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the pre-amplifier is characterized in that it includes a resistance-feedback structure in which a resistor is provided between an output terminal and an input terminal of the voltage amplifier that amplifies the voltage signal to form negative feedback.

또한 상기 후치 증폭부는, 전압 증폭기를 3단 내지 5단으로 구성하고, 출력값이 리미팅(limiting)이 되지 않도록 뒷단으로 갈수록 높은 전압 스윙(voltage swing)을 가지는 전압 증폭기를 배치하는 것을 특징으로 한다.In addition, the post-amplification unit is characterized in that the voltage amplifier is composed of three to five stages, and a voltage amplifier having a higher voltage swing is disposed toward the rear end so that the output value is not limited.

또한 상기 자동이득 제어부는, 피크 검출기(peak detector)를 이용하여 상기 후치 증폭부의 출력진폭에 대한 피크값을 검출하고, 피드백 증폭기(feedback amplifier)를 이용하여 상기 피크값을 변환하여 상기 이득을 제어하는 것을 특징으로 한다.In addition, the automatic gain control unit detects a peak value of the output amplitude of the post-amplification unit using a peak detector, and controls the gain by converting the peak value using a feedback amplifier. It features.

또한 상기 자동이득 제어부는, 상기 피크 검출기를 이용하여 리미팅이 시작하는 지점의 바이어스값을 감지하고, 상기 감지된 바이어스값을 점진적으로 낮춰가며 리미팅이 되지 않는 범위에서 최대의 이득을 가지도록 제어하는 것을 특징으로 한다.In addition, the automatic gain control unit detects a bias value at a point where limiting starts using the peak detector, and controls the detected bias value to have a maximum gain in a range where limiting is not performed. It is characterized.

또한 상기 자동이득 제어부는, 최종출력신호의 DC레벨을 감지하여 DC-오프셋 에러(DC-offset Error)를 제어하는 것을 특징으로 한다.In addition, the automatic gain control unit is characterized in that it controls a DC-offset error by sensing the DC level of the final output signal.

본 발명에 따른 펄스진폭변조를 위한 선형 광 수신방법은 선형 광 수신기가 광신호를 전류신호로 변환하는 단계, 상기 선형 광 수신기가 상기 변환된 전류신호를 전압신호로 변환하면서 상기 전압신호를 제1 증폭하는 단계, 상기 선형 광 수신기가 상기 제1 증폭된 전압신호를 제2 증폭하는 단계 및 상기 선형 광 수신기가 상기 제2 증폭된 전압신호의 피크값을 검출하고, 상기 검출된 피크값을 피드백하여 상기 제1 증폭 및 상기 제2 증폭 과정에서의 이득을 제어하는 단계를 포함한다.In the linear optical receiving method for pulse amplitude modulation according to the present invention, a linear optical receiver converts an optical signal into a current signal, and the linear optical receiver converts the converted current signal into a voltage signal while converting the voltage signal into a first signal. Amplifying, the linear optical receiver second amplifying the first amplified voltage signal, and the linear optical receiver detecting a peak value of the second amplified voltage signal and feeding back the detected peak value And controlling gains in the first amplification process and the second amplification process.

본 발명의 펄스진폭변조를 위한 선형 광 수신기 및 방법은 출력신호의 피크값을 모니터링하고, 모니터링된 피크값을 피드백함으로써, 전치 증폭기의 변환이득과 후치 증폭기의 전압이득을 자동으로 조절할 수 있다.The linear optical receiver and method for pulse amplitude modulation of the present invention monitors the peak value of the output signal and feeds back the monitored peak value, thereby automatically adjusting the conversion gain of the pre-amplifier and the voltage gain of the post-amplifier.

이를 통해 입력신호의 크기와 상관없이 수신기의 선형성을 유지시켜 높은 이득으로 인한 수신기의 비선형 왜곡을 막아 신호대잡음비(Signal to Noise Ratio, SNR)를 향상시킬 수 있다.Through this, it is possible to improve the signal-to-noise ratio (SNR) by maintaining the linearity of the receiver regardless of the size of the input signal and preventing nonlinear distortion of the receiver due to high gain.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 선형 광 수신기를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 선형 광 수신기를 설명하기 위한 회로도이다.
도 3은 도 2의 전류 버퍼부 및 전치 증폭부를 상세하게 설명하기 위한 회로도이다.
도 4는 도 2의 후치 증폭부를 상세하게 설명하기 위한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 선형 광 수신방법을 설명하기 위한 순서도이다.1 is a block diagram illustrating a linear optical receiver according to an embodiment of the present invention.
2 is a circuit diagram illustrating a linear optical receiver according to an embodiment of the present invention.
3 is a circuit diagram illustrating in detail the current buffer unit and the preamplifier unit of FIG. 2.
4 is a circuit diagram for explaining in detail the post amplification unit of FIG. 2.
5 is a flowchart illustrating a method of receiving linear light according to an embodiment of the present invention.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 당업자에게 자명하거나 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First of all, in adding reference numerals to elements of each drawing, note that the same elements are to have the same numerals as possible even if they are indicated on different drawings. In addition, in describing the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known configuration or function is apparent to those skilled in the art or may obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 선형 광 수신기를 설명하기 위한 블록도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 선형 광 수신기를 설명하기 위한 회로도이다.1 is a block diagram illustrating a linear optical receiver according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a linear optical receiver according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2를 참조하면, 선형 광 수신기(100)는 펄스진폭변조(PAM-4)를 위한 광 수신기로써, 신호레벨 감지를 통해 전치 증폭기의 변환이득과 후치 증폭기의 전압이득을 자동으로 조절한다. 이를 통해 선형 광 수신기(100)는 데이터가 전원에 의해 제한되지 않아 선형성을 확보한다. 선형 광 수신기(100)는 전류 버퍼부(10), 전치 증폭부(30), 후치 증폭부(50) 및 자동이득 제어부(70)를 포함한다.1 and 2, the linear optical receiver 100 is an optical receiver for pulse amplitude modulation (PAM-4), and automatically adjusts the conversion gain of the pre-amplifier and the voltage gain of the post-amplifier through signal level detection. do. Through this, the linear optical receiver 100 secures linearity since data is not limited by power. The linear optical receiver 100 includes a current buffer unit 10, a pre-amplification unit 30, a post-amplification unit 50, and an automatic gain control unit 70.

전류 버퍼부(10)는 광신호를 미세 전류신호로 변환한다. 이때 전류 버퍼부(10)는 선형 광 수신기(100)의 대역폭을 확보하고, 입력 임피던스를 낮출 수 있다. 전류 버퍼부(10)는 제1 전류버퍼회로(11)를 포함한다. 제1 전류버퍼회로(11)는 광신호를 입력받고, 입력된 광신호를 미세 전류신호로 변환하는 포토다이오드(12)와, 포토다이오드(12)로부터 출력되는 미세 전류신호를 전치 증폭부(30)로 전달하는 제1 전류버퍼(13)를 포함한다. 여기서 포토다이오드(12)는 오프칩 또는 온칩으로 구성할 수 있다. The current buffer unit 10 converts the optical signal into a fine current signal. In this case, the current buffer unit 10 may secure a bandwidth of the linear optical receiver 100 and lower an input impedance. The current buffer unit 10 includes a first current buffer circuit 11. The first current buffer circuit 11 receives an optical signal, a photodiode 12 that converts the input optical signal into a fine current signal, and a preamplification unit 30 preamplifying the minute current signal output from the photodiode 12. It includes a first current buffer 13 to be transferred to ). Here, the photodiode 12 may be configured off-chip or on-chip.

한편 포토다이오드(12)는 수광부의 소재 및 크기에 따라 접합(junction) 커패시턴스가 정해진다. 이로 인해 포토다이오드(12)와의 연결부에 작게는 수십 fF에서 크게는 수 pF까지 큰 커패시턴스가 있고, 이 노드에 도미넌트 폴(dominant pole)이 생성되어 전체 선형 광 수신기(100)의 대역폭에 큰 영향을 미칠 수 있다. 따라서 포토다이오드(12)와 전치 증폭부(30)를 바로 연결할 경우, 전치 증폭부(30)의 높은 입력 임피던스로 인해 대역폭이 감소하게 되므로 이를 막기위해 전치 증폭부(30)의 입력 임피던스를 크게 낮추면 전치 증폭부(30)의 트랜스임피던스 이득이 줄어들 뿐만 아니라 전체 선형 광 수신기(100)의 잡음특성에 악영향을 미치게 되는 트레이드-오프(trade-off)가 발생한다. Meanwhile, the photodiode 12 has a junction capacitance determined according to the material and size of the light receiving unit. As a result, there is a large capacitance at the connection with the photodiode 12 from several tens of fF to several pF, and a dominant pole is generated at this node, which has a great influence on the bandwidth of the entire linear optical receiver 100. I can go crazy. Therefore, when the photodiode 12 and the preamplifier 30 are directly connected, the bandwidth is reduced due to the high input impedance of the preamplifier 30. To prevent this, the input impedance of the preamplifier 30 is greatly reduced. Not only the transimpedance gain of the preamplifier 30 decreases, but also a trade-off that adversely affects the noise characteristics of the entire linear optical receiver 100 occurs.

이러한 문제점을 보완하기 위해 본 발명은 입력 임피던스가 작은 전류버퍼인 제1 전류버퍼(13)를 포함하나, 고속 응용에서 요구하는 데이터 속도에 비해 고가의 포토다이오드를 사용하여 입력노드의 커패시턴스가 전체 시스템 성능에 영향을 미치지 않을 경우, 제1 전류버퍼(13)를 생략할 수 있다. 여기서 제1 전류버퍼(13)는 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 공정 기준으로 공통 게이트(common-gate) 전류증폭회로를 구성하는 것이 일반적이나 입력임피던스를 더욱 낮추기 위해 로컬-피드백(local-feedback) 회로를 추가하는 형태로 구성할 수 있다.In order to compensate for this problem, the present invention includes a first current buffer 13, which is a current buffer having a small input impedance. If the performance is not affected, the first current buffer 13 may be omitted. Here, the first current buffer 13 generally constitutes a common-gate current amplification circuit based on a CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) process, but local-feedback is used to further lower the input impedance. It can be configured in the form of adding circuits.

기본적으로 선형 광 수신기(100)에서 포토다이오드(12)는 1개를 사용해야 하나 전치 증폭부(30) 및 전류 버퍼부(10)에서 공통모드(common-mode) 잡음을 억제하기 위해 차동구조를 구성할 수 있다. 즉 전류 버퍼부(10)는 제2 전류버퍼회로(14)를 더 포함할 수 있다. Basically, in the linear optical receiver 100, one photodiode 12 should be used, but a differential structure is configured to suppress common-mode noise in the preamplifier unit 30 and the current buffer unit 10. can do. That is, the current buffer unit 10 may further include a second current buffer circuit 14.

제2 전류버퍼회로(14)는 제1 전류버퍼회로(11)와 차동구조를 가진다. 제2 전류버퍼회로(14)는 광신호를 미입력받는 더미 포토다이오드(15)와, 더미 포토다이오드(15)와 연결되어 제1 전류버퍼(13)와 대칭구조를 가지는 제2 전류버퍼(16)를 포함한다. The second current buffer circuit 14 has a differential structure with the first current buffer circuit 11. The second current buffer circuit 14 includes a dummy photodiode 15 that is not receiving an optical signal and a second current buffer 16 that is connected to the dummy photodiode 15 and has a symmetrical structure with the first current buffer 13. Includes.

전치 증폭부(30)는 전류 버퍼부(10)로부터 변환된 전류신호를 전압신호로 변환하면서 전압신호를 증폭한다. 전치 증폭부(30)는 다양한 형태로 구성이 가능하나, 외부잡음에 강하고, 전류-전압 변환이득의 제어에 유리한 저항-피드백 구조로 구성한다. 저항-피드백 구조는 전압신호를 증폭시키는 전압 증폭기의 출력단과 입력단 사이에 저항을 구비시켜 네거티브 피드백(negative feedback)을 구성한다. 이때 전압 증폭기의 이득이 충분하다고 가정하였을 때 전류-전압 변환이득은 피드백 저항값에 수렴한다. 따라서 전치 증폭부(30)는 피드백 저항값을 조절하여 외부에서 전류-전압 변환이득을 조정할 수 있다. 즉 전치 증폭부(30)는 모스펫(MOSFET)과 같은 액티브(active) 소자를 선형모드에서 동작시키면 저항으로 동작하게 되고, 게이트 전압에 따라 저항값이 변하게 되는 원리를 이용하여 외부에서 원활하게 전류-전압 변환이득을 제어할 수 있다.The preamplification unit 30 amplifies the voltage signal while converting the current signal converted from the current buffer unit 10 into a voltage signal. The preamplification unit 30 can be configured in various forms, but is strong against external noise and is configured with a resistance-feedback structure that is advantageous for controlling the current-voltage conversion gain. The resistance-feedback structure constitutes negative feedback by providing a resistor between the output terminal and the input terminal of the voltage amplifier that amplifies the voltage signal. At this time, assuming that the gain of the voltage amplifier is sufficient, the current-voltage conversion gain converges to the feedback resistance value. Accordingly, the preamplification unit 30 may externally adjust the current-voltage conversion gain by adjusting the feedback resistance value. That is, the pre-amplification unit 30 operates as a resistance when an active element such as a MOSFET is operated in a linear mode, and the current smoothly externally using the principle that the resistance value changes according to the gate voltage. Voltage conversion gain can be controlled.

후치 증폭부(50)는 전치 증폭부(30)로부터 출력되는 전압신호를 증폭한다. PAM-4 광 수신기의 특성상, 입력된 광 파워의 신호가 단순히 하이(high), 로우(low)가 아니라 4개의 레벨을 가지게 되므로, 후치 증폭부(50)는 리미팅(limiting)이 될 경우 신호에 심각한 왜곡이 발생할 수 있다. 따라서 후치 증폭부(50)는 전압 증폭기를 3단 내지 5단으로 구성하고, 출력값이 리미팅이 되지 않도록 뒷단으로 갈수록 높은 전압 스윙(voltage swing)을 가지는 전압 증폭기를 배치한다. 여기서 후치 증폭부(50)는 고속응용에서 요구하는 사양에 따라 전압 증폭기의 단 개수를 결정할 수 있다.The post amplification unit 50 amplifies the voltage signal output from the preamplification unit 30. Due to the characteristics of the PAM-4 optical receiver, since the signal of the input optical power is not simply high or low, but has four levels, the post-amplification unit 50 is applied to the signal when limiting occurs. Serious distortion can occur. Accordingly, the post amplification unit 50 configures the voltage amplifier in 3 to 5 stages, and arranges a voltage amplifier having a higher voltage swing toward the rear end so that the output value is not limited. Here, the post-amplification unit 50 may determine the number of stages of the voltage amplifier according to specifications required for high-speed application.

자동이득 제어부(70)는 후치 증폭부(50)로부터 출력되는 전압신호의 피크값을 검출하고, 검출된 피크값을 전치 증폭부(30) 및 후치 증폭부(50)에 피드백하여 전치 증폭부(30) 및 후치 증폭부(50)의 이득을 제어한다. 이때 자동 이득 제어부(70)는 피크 검출기(peak detector)를 이용하여 후치 증폭부(50)의 출력진폭에 대한 피크값을 검출하고, 피드백 증폭기(feedback amplifier)를 이용하여 피크값을 변환하여 이득을 제어할 수 있다. 상세하게는 자동이득 제어부(70)는 피크 검출기를 이용하여 리미팅이 시작하는 지점의 바이어스값을 감지하고, 감지된 바이어스값을 점진적으로 낮춰가며 리미팅이 되지 않는 범위에서 최대의 이득을 가지도록 제어함으로써 최적값으로 적응(adaptation)할 수 있다. 또한 자동이득 제어부(70)는 후치 증폭부(50)의 DC레벨을 일정 수준으로 유지하기 위해 수동 저항 및 커패시터를 구성하여 공통모드 피드백(common-mode feedback) 용도로 이용될 수 있다. 자동이득 제어부(70)는 최종출력신호의 DC레벨을 감지하여 1개의 포토다이오드(11)로만 빛이 들어오는 유사 차동(pseudo differential) 구조의 DC-오프셋 에러(DC-offset Error)를 제어할 수 있다.The automatic gain control unit 70 detects the peak value of the voltage signal output from the post amplification unit 50, and feeds back the detected peak value to the preamplification unit 30 and the post amplification unit 50, 30) and the gain of the post amplification unit 50 are controlled. At this time, the automatic gain control unit 70 detects the peak value of the output amplitude of the post-amplification unit 50 using a peak detector, and converts the peak value using a feedback amplifier to obtain a gain. Can be controlled. In detail, the automatic gain control unit 70 detects the bias value at the point where limiting starts using a peak detector, gradually lowers the detected bias value, and controls to have the maximum gain in the range where limiting is not performed. It can adapt to the optimum value. In addition, the automatic gain control unit 70 may be used for common-mode feedback by configuring a passive resistor and a capacitor to maintain the DC level of the post amplifier 50 at a predetermined level. The automatic gain control unit 70 can control a DC-offset error of a pseudo differential structure in which light is emitted only from one photodiode 11 by sensing the DC level of the final output signal. .

도 3은 도 2의 전류 버퍼부 및 전치 증폭부를 상세하게 설명하기 위한 회로도이다.3 is a circuit diagram illustrating in detail the current buffer unit and the preamplifier unit of FIG. 2.

도 3을 참조하면, 전류 버퍼부(30) 및 전치 증폭부(50)는 차동 구조로 연결된다.Referring to FIG. 3, the current buffer unit 30 and the preamplifier unit 50 are connected in a differential structure.

전류 버퍼부(30)는 선형 광 수신기(100)의 차동특성을 유지하기 위해 대칭형으로 2개의 전류 버퍼(13, 16)를 포함한다. 실제로 광신호는 포토다이오드(12)에서만 입력되지만 광신호가 입력되지 않는 더미 포토다이오드(15)에도 실제 포토다이오드를 배치하거나, 포토다이오드의 전기적 모델링과 같은 전류 버퍼(16)를 배치하여 대칭성을 유지한다.The current buffer unit 30 includes two current buffers 13 and 16 in a symmetrical manner to maintain the differential characteristics of the linear optical receiver 100. In fact, the optical signal is input only from the photodiode 12, but an actual photodiode is also placed on the dummy photodiode 15 to which the optical signal is not input, or a current buffer 16 such as electrical modeling of the photodiode is arranged to maintain symmetry. .

전치 증폭부(50)는 피드백 저항값을 조절할 수 있도록 피드백 저항과 병렬로 NMOS 트랜지스터를 위치시키고, 선형 영역에서 동작하도록 한다. 전치 증폭부(50)는 게이트 전압에 따라 선형적으로 저항값을 변화시켜 피드백 저항값을 조절할 수 있다. 또한 차동출력(VOP/VON) 양단에 저항(RD2)을 연결하고, 그 사이에 가변저항 역할을 수행하는 NMOS 트랜지스터를 배치함으로써, 전류-전압 변환이득과 함께 대역폭을 조정할 수 있는 옵션을 추가할 수 있다.The preamplifier 50 positions the NMOS transistor in parallel with the feedback resistor so that the feedback resistance value can be adjusted, and operates in a linear region. The preamplifier 50 may adjust the feedback resistance value by linearly changing the resistance value according to the gate voltage. In addition, by connecting a resistor (R D2 ) at both ends of the differential output (V OP / V ON ) and arranging an NMOS transistor that acts as a variable resistor between them, the option to adjust the bandwidth as well as the current-voltage conversion gain is provided. Can be added.

도 4는 도 2의 후치 증폭부를 상세하게 설명하기 위한 회로도이다.4 is a circuit diagram for explaining in detail the post amplification unit of FIG. 2.

도 4를 참조하면, 후치 증폭부(50)는 3단 내지 5단의 전압 증폭기를 순차적으로 배치한다. 이를 통해 후치 증폭부(50)는 충분한 전압이득과 대역폭을 확보할 수 있다. 또한 후치 증폭부(50)는 수신기의 선형성을 유지하기 위해 출력값이 전원전압에 의해 제한되지 않도록 이득값을 조정할 수 있다.Referring to FIG. 4, the post-amplification unit 50 sequentially arranges the voltage amplifiers of the third to fifth stages. Through this, the post-amplification unit 50 can secure sufficient voltage gain and bandwidth. In addition, the post amplification unit 50 may adjust the gain value so that the output value is not limited by the power supply voltage in order to maintain the linearity of the receiver.

이를 위해 후치 증폭부(50)의 각 차동출력(VOP/VON) 양단에 저항(RD2)을 연결하고, 그 사이에 가변저항 역할을 수행하는 NMOS 트랜지스터를 배치함으로써, 전압이득을 조정할 수 있다.To this end, the voltage gain can be adjusted by connecting a resistor (R D2 ) at both ends of each differential output (V OP / V ON ) of the post amplification unit 50 and arranging an NMOS transistor serving as a variable resistor between them. have.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 선형 광 수신방법을 설명하기 위한 순서도이다.5 is a flowchart illustrating a method of receiving linear light according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 5를 참조하면, 선형 광 수신방법은 출력신호의 피크값을 모니터링하고, 모니터링된 피크값을 피드백함으로써, 전치 증폭기(30)의 변환이득과 후치 증폭기(50)의 전압이득을 자동으로 조절할 수 있다. 이를 통해 선형 광 수신방법은 입력신호의 크기와 상관없이 수신기의 선형성을 유지시켜 높은 이득으로 인한 수신기의 비선형 왜곡을 막아 신호대잡음비(Signal to Noise Ratio, SNR)를 향상시킬 수 있다.1 and 5, the linear light receiving method monitors the peak value of the output signal and feeds back the monitored peak value to automatically determine the conversion gain of the preamplifier 30 and the voltage gain of the post amplifier 50. Can be adjusted by Through this, the linear optical reception method can improve the signal-to-noise ratio (SNR) by preventing nonlinear distortion of the receiver due to high gain by maintaining linearity of the receiver regardless of the size of the input signal.

S110단계에서, 선형 광 수신기(100)는 광신호를 전류신호로 변환한다. 이때 선형 광 수신기(100)는 대역폭을 확보하고, 입력 임피던스를 낮출 수 있다. 여기서 전류신호는 미세 전류신호일 수 있다. In step S110, the linear optical receiver 100 converts the optical signal into a current signal. In this case, the linear optical receiver 100 may secure a bandwidth and lower an input impedance. Here, the current signal may be a minute current signal.

S130단계에서, 선형 광 수신기(100)는 변환된 전류신호를 전압신호로 변환하면서 전압신호를 제1 증폭한다. 선형 광 수신기(100)는 외부잡음에 강하고, 전류-전압 변환이득의 제어에 유리한 저항-피드백 구조를 이용하여 전압신호를 제1 증폭한다.In step S130, the linear optical receiver 100 first amplifies the voltage signal while converting the converted current signal into a voltage signal. The linear optical receiver 100 first amplifies a voltage signal using a resistance-feedback structure that is strong against external noise and is advantageous for controlling a current-voltage conversion gain.

S150단계에서, 선형 광 수신기(100)는 제1 증폭된 전압신호를 제2 증폭한다. 선형 광 수신기(100)는 3단 내지 5단으로 배치된 전압 증폭기를 이용하여 전압신호를 제2 증폭한다. 이때 선형 광 수신기(100)는 충분한 전압이득과 대역폭을 확보할 수 있다.In step S150, the linear optical receiver 100 second amplifies the first amplified voltage signal. The linear optical receiver 100 second amplifies a voltage signal using a voltage amplifier arranged in 3 to 5 stages. In this case, the linear optical receiver 100 may secure sufficient voltage gain and bandwidth.

S170단계에서, 선형 광 수신기(100)는 제2 증폭된 전압신호의 피크값을 검출하고, 검출된 피크값을 피드백하여 제1 증폭 및 제2 증폭 과정에서의 이득을 제어한다. 선형 광 수신기(100)는 피크 검출기를 이용하여 리미팅이 시작하는 지점의 바이어스값을 감한다. 선형 광 수신기(100)는 감지된 바이어스값을 점진적으로 낮춰가며 리미팅이 되지 않는 범위에서 최대의 이득을 가지도록 제어한다. 이를 통해 선형 광 수신기(100)는 이득이 최적값으로 적응되도록 할 수 있다.In step S170, the linear optical receiver 100 detects a peak value of the second amplified voltage signal and feeds back the detected peak value to control gains in the first amplification and second amplification processes. The linear optical receiver 100 subtracts a bias value at a point where limiting starts using a peak detector. The linear optical receiver 100 gradually lowers the sensed bias value and controls it to have a maximum gain in a range where limiting is not performed. Through this, the linear optical receiver 100 may adjust the gain to an optimum value.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.Although the preferred embodiments of the present invention have been illustrated and described above, the present invention is not limited to the specific preferred embodiments described above, and without departing from the gist of the present invention claimed in the claims, in the technical field to which the present invention pertains. Anyone of ordinary skill in the art can implement various modifications, as well as such modifications will be within the scope of the claims.

10: 전류 버퍼부
30: 전치증폭부
50: 후치증폭부
70: 자동이득 제어부
100: 선형 광 수신기10: current buffer unit
30: preamplification unit
50: post amplification unit
70: automatic gain control unit
100: linear optical receiver

Claims (8)

광신호를 전류신호로 변환하는 전류 버퍼부;
상기 전류 버퍼부로부터 변환된 전류신호를 전압신호로 변환하면서 상기 전압신호를 증폭하는 전치 증폭부;
상기 전치 증폭부로부터 출력되는 전압신호를 증폭하는 후치 증폭부; 및
상기 후치 증폭부로부터 출력되는 전압신호의 피크값을 검출하고, 상기 검출된 피크값을 상기 전치 증폭부 및 상기 후치 증폭부에 피드백하여 상기 전치 증폭부 및 상기 후치 증폭부의 이득을 제어하는 자동이득 제어부;
를 포함하는 펄스진폭변조를 위한 선형 광 수신기.A current buffer unit for converting an optical signal into a current signal;
A preamplification unit for amplifying the voltage signal while converting the current signal converted from the current buffer unit into a voltage signal;
A post amplification unit amplifying the voltage signal output from the preamplification unit; And
An automatic gain control unit that detects a peak value of the voltage signal output from the post amplification unit and feeds back the detected peak value to the preamplification unit and the post amplification unit to control gains of the preamplification unit and the post amplification unit ;
Linear optical receiver for pulse amplitude modulation comprising a. 제 1항에 있어서,
상기 전류 버퍼부는,
상기 광신호를 입력받고, 상기 입력된 광신호를 전류신호로 변환하는 포토다이오드와, 상기 포토다이오드로부터 출력되는 전류신호를 상기 전치 증폭부로 전달하는 제1 전류버퍼를 포함하는 제1 전류버퍼회로; 및
상기 제1 전류버퍼회로와 차동구조를 가지고, 상기 광신호를 미입력받는 더미 포토다이오드와, 상기 더미 포토다이오드와 연결되어 상기 제1 전류버퍼와 대칭구조를 가지는 제2 전류버퍼를 포함하는 제2 전류버퍼회로;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스진폭변조를 위한 선형 광 수신기. The method of claim 1,
The current buffer unit,
A first current buffer circuit including a photodiode receiving the optical signal and converting the input optical signal into a current signal, and a first current buffer transmitting a current signal output from the photodiode to the preamplifier; And
A second current having a differential structure with the first current buffer circuit, including a dummy photodiode to which the optical signal is not received, and a second current buffer connected to the dummy photodiode and having a symmetrical structure with the first current buffer Buffer circuit;
Linear optical receiver for pulse amplitude modulation comprising a. 제 1항에 있어서,
상기 전치 증폭기는,
상기 전압신호를 증폭시키는 전압 증폭기의 출력단과 입력단 사이에 저항을 구비시켜 네거티브 피드백(negative feedback)을 구성하는 저항-피드백 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스진폭변조를 위한 선형 광 수신기. The method of claim 1,
The preamplifier,
And a resistance-feedback structure configured to form negative feedback by providing a resistor between the output terminal and the input terminal of the voltage amplifier amplifying the voltage signal. 제 1항에 있어서,
상기 후치 증폭부는,
전압 증폭기를 3단 내지 5단으로 구성하고, 출력값이 리미팅(limiting)이 되지 않도록 뒷단으로 갈수록 높은 전압 스윙(voltage swing)을 가지는 전압 증폭기를 배치하는 것을 특징으로 하는 펄스진폭변조를 위한 선형 광 수신기. The method of claim 1,
The post amplification unit,
Linear optical receiver for pulse amplitude modulation, characterized in that a voltage amplifier is composed of 3 to 5 stages, and a voltage amplifier having a higher voltage swing is disposed toward the rear so that the output value does not become limiting. . 제 1항에 있어서,
상기 자동이득 제어부는,
피크 검출기(peak detector)를 이용하여 상기 후치 증폭부의 출력진폭에 대한 피크값을 검출하고, 피드백 증폭기(feedback amplifier)를 이용하여 상기 피크값을 변환하여 상기 이득을 제어하는 것을 특징으로 하는 펄스진폭변조를 위한 선형 광 수신기. The method of claim 1,
The automatic gain control unit,
Pulse amplitude modulation, characterized in that the peak value of the output amplitude of the post-amplification unit is detected using a peak detector, and the peak value is converted using a feedback amplifier to control the gain. Linear optical receiver for 제 5항에 있어서,
상기 자동이득 제어부는,
상기 피크 검출기를 이용하여 리미팅이 시작하는 지점의 바이어스값을 감지하고, 상기 감지된 바이어스값을 점진적으로 낮춰가며 리미팅이 되지 않는 범위에서 최대의 이득을 가지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 펄스진폭변조를 위한 선형 광 수신기. The method of claim 5,
The automatic gain control unit,
Using the peak detector, a bias value at a point where limiting starts is sensed, and the detected bias value is gradually lowered, and a pulse amplitude modulation is controlled to have a maximum gain in a range where limiting is not performed. For linear optical receiver. 제 1항에 있어서,
상기 자동이득 제어부는,
최종출력신호의 DC레벨을 감지하여 DC-오프셋 에러(DC-offset Error)를 제어하는 것을 특징으로 하는 펄스진폭변조를 위한 선형 광 수신기. The method of claim 1,
The automatic gain control unit,
A linear optical receiver for pulse amplitude modulation, characterized in that for controlling a DC-offset error by sensing the DC level of the final output signal. 선형 광 수신기가 광신호를 전류신호로 변환하는 단계;
상기 선형 광 수신기가 상기 변환된 전류신호를 전압신호로 변환하면서 상기 전압신호를 제1 증폭하는 단계;
상기 선형 광 수신기가 상기 제1 증폭된 전압신호를 제2 증폭하는 단계; 및
상기 선형 광 수신기가 상기 제2 증폭된 전압신호의 피크값을 검출하고, 상기 검출된 피크값을 피드백하여 상기 제1 증폭 및 상기 제2 증폭 과정에서의 이득을 제어하는 단계;
를 포함하는 펄스진폭변조를 위한 선형 광 수신방법.Converting, by the linear optical receiver, the optical signal into a current signal;
First amplifying the voltage signal while converting the converted current signal into a voltage signal by the linear optical receiver;
Second amplifying, by the linear optical receiver, the first amplified voltage signal; And
Controlling, by the linear optical receiver, a peak value of the second amplified voltage signal and feeding back the detected peak value to control gains in the first and second amplification processes;
Linear light receiving method for pulse amplitude modulation comprising a.
KR1020190054756A 2019-05-10 2019-05-10 Linear optical receiver and method for pulse amplitude modulation KR20200129804A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190054756A KR20200129804A (en) 2019-05-10 2019-05-10 Linear optical receiver and method for pulse amplitude modulation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190054756A KR20200129804A (en) 2019-05-10 2019-05-10 Linear optical receiver and method for pulse amplitude modulation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20200129804A true KR20200129804A (en) 2020-11-18

Family

ID=73697581

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190054756A KR20200129804A (en) 2019-05-10 2019-05-10 Linear optical receiver and method for pulse amplitude modulation

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20200129804A (en)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101953861B1 (en) 2018-12-18 2019-03-05 (주)자람테크놀로지 Optical receiving apparatus having improved receiving performance for multilevel optical signal and method thereof

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101953861B1 (en) 2018-12-18 2019-03-05 (주)자람테크놀로지 Optical receiving apparatus having improved receiving performance for multilevel optical signal and method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5138990B2 (en) Preamplifier and optical receiver
KR100900205B1 (en) Wide dynamic range transimpedance amplifier
US10355655B2 (en) Transimpedance amplifier (TIA) circuit having reduced power consumption, improved linearization and reduced peaking
US10756690B2 (en) Automatic gain control loop
JP5630325B2 (en) Variable gain differential amplifier circuit
US6778021B2 (en) Wide dynamic range transimpedance amplifier with a controlled low frequency cutoff at high optical power
JP3541750B2 (en) Optical receiving preamplifier
US10958230B2 (en) Reconfigurable optical receivers with extended dynamic range
KR20160057893A (en) A RGC type burst-mode optic pre-amplifier having wide linear input range
JP5459424B2 (en) Signal amplifier for optical receiver circuit
US11309845B2 (en) Reconfigurable optical receivers for extended maximum input signals
US6879217B2 (en) Triode region MOSFET current source to bias a transimpedance amplifier
CN113300675B (en) Burst mode optical receiver transimpedance amplifier circuit with reduced settling time
CN209787128U (en) Transimpedance amplifier and transimpedance amplifier circuit
US7695085B2 (en) Variable gain amplifier having variable gain DC offset loop
US6876260B2 (en) Elevated front-end transimpedance amplifier
US8836423B2 (en) Method and apparatus for automatically adjusting the bandwidth of an electronic amplifier
KR20040084623A (en) Bust mode optical signal receiving apparatus
US6844784B1 (en) Wide dynamic range transimpedance amplifier
CN110677134A (en) Self-adaptive bandwidth adjusting circuit
KR20200129804A (en) Linear optical receiver and method for pulse amplitude modulation
KR101470578B1 (en) Light receiver
KR20200041177A (en) Optical receiver for real-time monitoring
JP2003174337A (en) Optical receiver circuit
JP2014217003A (en) Optical receiver

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application