KR20210010734A - 저잡음 고이득 광 수신기 - Google Patents

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KR20210010734A
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김기용
김재성
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Abstract

본 발명은 저잡음 고이득 광 수신기가 개시된다. 본 발명의 광 수신기는 서로 다른 역할을 하는 3단의 증폭기를 피드백 저항 사이에 배치하여 입력된 신호의 잡음 성분을 줄이고, 고주파 성분을 부스팅하는 피드백 TIA 증폭기 및 피드백 TIA 증폭기로부터 출력된 신호를 증폭하는 포스트 TIA 증폭기를 포함한다.

Description

저잡음 고이득 광 수신기{Low noise high gain optical receiver}
본 발명은 광 수신기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저잡음 특성을 가지면서도 높은 트랜스임피던스 이득을 가지는 저잡음 고이득 광 수신기에 관한 것이다.
최근 데이터센터, 클라우드 컴퓨팅, IoT(Internet of Things), 5G 등의 발전으로 통신시스템에 요구되는 대역폭이 급속도로 증하고 있다. 채널당 데이터 속도가 25기가비트(Gigabit)급으로 증가하면서 기존의 동축케이블 기반의 연결이 광섬유로 대체되고 있으며 이로 인해 광 트랜시버가 대량 생산화되면서 가격경쟁력을 위해 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 기반의 송수신회로가 주목받고 있다.
특히 광 수신기에서 가장 큰 기술적 이슈는 수신감도(sensitivity) 문제이다. 광 수신기의 수신감도는 수신기 잡음, 더 정확히는 맨 앞단의 트랜스임피던스 증폭기(Transimpedance Amplifier, TIA)의 잡음에 의해 결정된다.
이를 위해 종래에는 션트-션트 피드백(Shunt-Shunt Feedback) 타입의 TIA를 사용하였으나, 25기가비트급 이상의 고속에서는 대역폭 및 트랜스임피던스 이득(Transimpedance Gain)의 한계로 사용이 어려운 문제점이 있다.
한국등록특허공보 제10-1584134호(2016.01.12.)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 저잡음 특성을 가지면서도 높은 트랜스임피던스 이득을 가지는 저잡음 고이득 광 수신기를 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 저잡음 고이득 광 수신기는 서로 다른 역할을 하는 3단의 증폭기를 피드백 저항 사이에 배치하여 입력된 신호의 잡음 성분을 줄이고, 고주파 성분을 부스팅하는 피드백 TIA 증폭기 및 상기 피드백 TIA 증폭기로부터 출력된 신호를 증폭하는 포스트 TIA 증폭기를 포함한다.
또한 상기 피드백 TIA 증폭기는, 상기 입력된 신호의 대역폭을 기 설정된 대역폭보다 낮아지도록 설계하는 제1 증폭기 및 상기 제1 증폭기로부터 출력된 신호의 대역폭을 보상하면서 고주파 성분을 부스팅하는 제2 증폭기 및 제3 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제1 증폭기는, NMOS 트랜지스터의 크기를 기 설정된 기준보다 크게 설계하여 상기 대역폭을 낮추는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제1 증폭기는, PMOS 능동 부하(active load)를 가지는 공통소스 타입으로 설계하여 잡음을 낮추는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제2 증폭기 및 제3 증폭기는, 지속적인 선형 등화기(Continuous Time Linear Equalizer)를 배치하여 신호의 고주파 성분에 대한 부스팅을 하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제2 증폭기 및 제3 증폭기는, NMOS 트랜지스터의 크기를 조절하여 신호의 대역폭 및 트랜스임피던스 이득을 조정하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 포스트 TIA 증폭기는, 상기 출력된 신호를 단일신호에서 차동신호로 변환하고, 상기 차동신호의 임피던스 매칭을 수행한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 저잡음 고이득 광 수신기는 빛으로 이루어진 신호를 수신하는 수신부, 상기 수신된 신호를 증폭하는 증폭부 및 상기 증폭된 신호에 포함된 데이터를 분석하는 분석부를 포함하되, 상기 증폭부는, 서로 다른 역할을 하는 3단의 증폭기를 피드백 저항 사이에 배치하여 입력된 신호의 잡음 성분을 줄이고, 고주파 성분을 부스팅하는 피드백 TIA 증폭기 및 상기 피드백 TIA 증폭기로부터 출력된 신호를 증폭하는 포스트 TIA 증폭기를 포함한다.
본 발명의 저잡음 고이득 광 수신기는 서로 다른 역할을 하는 3단의 증폭단을 피드백 광 수신회로에 적용하고, 각각을 최적화함으로써, 저잡음 특성을 가지면서도 높은 트랜스임피던스 이득을 가질 수 있다.
또한 25G급 이상의 고속 응용이 가능하고, 높은 가격 경쟁력을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광 수신기를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수신부 및 증폭부를 설명하기 위한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 피드백 TIA 증폭기를 설명하기 위한 회로도이다.
도 4는 도 3의 피드백 TIA 증폭기를 상세하게 설명하기 위한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 포스트 TIA 증폭기를 설명하기 위한 회로도이다.
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.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광 수신기를 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 광 수신기(100)는 저잡음 특성을 가지면서도 높은 트랜스임피던스 이득을 가진다. 광 수신기(100)는 25기가비트급 이상의 고속 응용이 가능하고, 높은 가격 경쟁력을 확보할 수 있다. 광 수신기(100)는 수신부(10), 증폭부(20) 및 분석부(30)를 포함한다.
수신부(10)는 빛으로 이루어진 신호를 수신한다. 즉 수신부(10)는 광신호를 수신할 수 있다. 수신부(10)는 채널당 데이터속도가 25G급 이상의 광신호를 수신할 수 있다.
증폭부(20)는 수신부(10)로부터 수신된 신호를 증폭한다. 이때 증폭부(20)는 피드백 TIA 증폭기와 포스트 TIA 증폭기를 포함한다. 피드백 TIA 증폭기는 서로 다른 역할을 하는 3단의 증폭기를 피드백 저항 사이에 배치하여 설계한다. 피드백 TIA 증폭기는 입력된 신호의 잡음 성분을 줄이고, 고주파 성분을 부스팅한다. 포스트 TIA 증폭기는 피드백 TIA 증폭기로부터 출력된 신호를 단일신호에서 차동신호로 변환한다.
분석부(30)는 증폭부(20)로부터 증폭된 신호에 포함된 데이터를 분석한다. 분석부(30)는 분석된 결과를 CPU(Central Processing Unit), MCU(Micro Controller Unit) 등과 같은 제어장치(미도시)에 전달한다. 여기서 분석은 신호에 포함된 데이터를 검출하고, 검출된 데이터가 어떤 종류의 데이터인지 분류하는 것을 의미할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수신부 및 증폭부를 설명하기 위한 회로도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 피드백 TIA 증폭기를 설명하기 위한 회로도이며, 도 4는 도 3의 피드백 TIA 증폭기를 상세하게 설명하기 위한 회로도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 포스트 TIA 증폭기를 설명하기 위한 회로도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 광 수신기(100)는 수신부(10) 및 증폭부(20)를 포함한다.
수신부(10)는 포토 다이오드(11) 및 오프셋 DC 전류(13)를 포함한다. 포토 다이오드(11)는 광신호를 수신하고, 수신된 광신호를 전기신호로 변환한다. 이때 포토 다이오드(11)는 광신호의 강도에 거의 비례하게 전기신호의 전압을 변환한다. 오프셋 DC 전류(13)는 일단이 포토 다이오드(11)와 연결되고, 타단이 그라운드로 연결되며, 신호가 제로임에도 불구하고 출력이 발생하는 경우를 조정하여 출력이 제로가 되도록 주입되는 전류이다.
증폭기(20)는 피드백 TIA 증폭기(21) 및 포스트 TIA 증폭기(23)를 포함한다.
피드백 TIA 증폭기(21)는 수신부(10)와 연결되고, 3단의 증폭기(42)가 피드백 저항(41) 사이에 배치하여 신호가 저잡음 고이득 특성을 가지도록 한다. 3단의 증폭기(42)는 제1 증폭기(43), 제2 증폭기(44) 및 제3 증폭기(45)를 포함한다.
제1 증폭기(43)는 수신부(10)와 연결되고, 수신부(10)로부터 입력된 신호를 저대역폭으로 증폭한다. 다시 말해, 광 수신기(100)가 낮은 입력 잡음을 가지려면 낮은 대역폭일수록 유리한데, 이를 구현하기 위해 제1 증폭기(43)는 입력된 신호의 대역폭을 기 설정된 대역폭보다 낮아지도록 설계한다. 여기서 기 설정된 대역폭은 일반적으로 구현되는 대역폭을 의미한다.
이때 제1 증폭기(43)는 PMOS 능동 부하(active load)를 가지는 공통소스 타입으로 설계하여 잡음을 낮춘다. 상세하게는 제1 증폭기(43)는 수동저항의 잡음 성분을 낮추기 위해 PMIS로 능동 부하를 구성하고, PMOS 게이트를 그라운드 전압레벨에 묶어 잡음을 최소화한다. 또한 제1 증폭기(43)는 높은 트랜스컨덕턴스와 큰 채널 저항을 갖도록 NMOS 트랜지스터의 크기를 기 설정된 기준보다 크게 설계한다. 여기서 기 설정된 기준은 일반적으로 구현되는 NMOS 트랜지스터의 크기를 의미한다.
제2 증폭기(44)는 제1 증폭기(43)의 뒷단에 연결되고, 제1 증폭기(43)로부터 입력된 신호의 낮은 대역폭을 보상하고, 높은 트랜스임피던스 이득을 갖도록 증폭한다. 제2 증폭기(44)는 NMOS 트랜지스터의 크기를 조절하여 신호의 대역폭 및 트랜스임피던스 이득을 조정한다. 또한 제2 증폭기(44)는 지속적인 선형 등화기(Continuous Time Linear Equalizer)를 배치하여 신호의 고주파 성분에 대한 부스팅을 한다. 즉 제2 증폭기(44)는 패시브(passive) 저항 위에 직렬 인덕터 또는 능동(active) 인덕터 등을 배치함으로써, 고주파 성분을 부스팅하는 CTLE 성능을 구현할 수 있다.
제3 증폭기(45)는 제2 증폭기(44)의 뒷단에 연결되고, 제2 증폭기(44)와 마찬가지로 제1 증폭기(43)로부터 입력된 신호의 낮은 대역폭을 보상하고, 높은 트랜스임피던스 이득을 갖도록 증폭한다. 이를 위해 제3 증폭기(45)는 제2 증폭기(44)와 동일한 구조로 설계될 수 있다. 따라서 제3 증폭기(45)의 구조에 대한 설명은 생략하기로 한다.
포스트 TIA 증폭기(23)는 피드백 TIA 증폭기(21)로부터 출력된 신호를 증폭한다. 포스트 TIA 증폭기(23)는 레벨 시프터(level shifter)(51), 저대역 필터(52) 및 버퍼(53)를 포함한다. 여기서 버퍼(53)는 S2D(single to differential) 버퍼(54) 및 출력 버퍼(55)를 포함한다.
레벨 시프터(51)는 피드백 TIA 증폭기(21)로부터 출력된 신호의 전압 레벨을 조정한다. 레벨 시프터(51)는 전압을 강하함으로써 출력 레벨이 입력 레벨보다 저하되도록 전압 레벨을 조절한다.
저대역 필터(52)는 저항과 커패시터로 구성되고, 레벨 시프터(51)로부터 전압 조절된 신호를 단일신호에서 차동신호로 변환한다. 이를 통해 저대역 필터(52)는 신호 레벨이 점점 커지면서 공통 모드(common-mode) 잡음이 점차 영향력이 커지는 현상을 방지한다.
S2D 버퍼(54)는 차동 신호로 변환하는 과정에서 선형성(linearity) 확보를 위해 저항값을 조정하고, 스테이지(stage) 증가에 따른 대역폭 저하를 보상한다. 즉 S2D 버퍼(54)는 차동 신호에 효율적으로 대역폭 확장을 하기 위해 직렬 인덕터 또는 트랜스포머(transformer) 타입의 인덕터를 포함할 수 있다. 여기서 S2D 버퍼(54)는 저대역 필터(52)와 하나로 결합되는 형태로 설계될 수 있다.
출력 버퍼(55)는 S2D 버퍼(54)로부터 출력된 차동 신호의 임피던스 매칭을 수행한다. 이를 통해 출력 버퍼(55)는 출력되는 차동 신호가 분석부(30)와의 임피던스 차로 발생될 수 있는 반사를 줄일 수 있다.
상술된 바와 같이 본 발명의 광 수신기(100)는 종래의 션트-션트 피드백 구조의 광 수신기가 TIA의 증폭기를 1단으로 사용하면서 문제가 된 트랜스임피던스 이득이 작고, 대역폭과 이득 사이에 정반대의 상관관계로 인해 25G급의 고속 응용에 적합하지 않은 문제점을 해결한다. 즉 광 수신기(100)는 서로 다른 역할을 하는 3단의 증폭기(42)를 피드백 저항(41) 사이에 배치하여 종래의 문제점을 극복하였다. 특히 제1 증폭기(43)는 전략적으로 낮은 대역폭을 갖는 공통소스 증폭기를 위치시켜 맨 앞단의 잡을 최소화하고, 제2 증폭기(44) 및 제3 증폭기(45)에서 선형 등화기 형태의 증폭을 수행함으로써, 제1 증폭기(43)의 낮은 대역폭을 상쇄시킬 수 있다.
이를 통해 광 수신기(100)는 피드백 시스템의 안정도(stability)를 확보할 뿐만 아니라 높은 트랜스임피던스 이득을 얻을 수 있는 효과가 있다.
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.
10: 수신부
20: 증폭부
21: 피드백 TIA 증폭기
23: 포스트 TIA 증폭기
30: 분석부
100: 광 수신기

Claims (8)

  1. 서로 다른 역할을 하는 3단의 증폭기를 피드백 저항 사이에 배치하여 입력된 신호의 잡음 성분을 줄이고, 고주파 성분을 부스팅하는 피드백 TIA 증폭기; 및
    상기 피드백 TIA 증폭기로부터 출력된 신호를 증폭하는 포스트 TIA 증폭기;
    를 포함하는 저잡음 고이득 광 수신기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 피드백 TIA 증폭기는,
    상기 입력된 신호의 대역폭을 기 설정된 대역폭보다 낮아지도록 설계하는 제1 증폭기; 및
    상기 제1 증폭기로부터 출력된 신호의 대역폭을 보상하면서 고주파 성분을 부스팅하는 제2 증폭기 및 제3 증폭기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 저잡음 고이득 광 수신기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 증폭기는,
    NMOS 트랜지스터의 크기를 기 설정된 기준보다 크게 설계하여 상기 대역폭을 낮추는 것을 특징으로 하는 저잡음 고이득 광 수신기.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 증폭기는,
    PMOS 능동 부하(active load)를 가지는 공통소스 타입으로 설계하여 잡음을 낮추는 것을 특징으로 하는 저잡음 고이득 광 수신기.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 제2 증폭기 및 제3 증폭기는,
    지속적인 선형 등화기(Continuous Time Linear Equalizer)를 배치하여 신호의 고주파 성분에 대한 부스팅을 하는 것을 특징으로 하는 저잡음 고이득 광 수신기.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 제2 증폭기 및 제3 증폭기는,
    NMOS 트랜지스터의 크기를 조절하여 신호의 대역폭 및 트랜스임피던스 이득을 조정하는 것을 특징으로 하는 저잡음 고이득 광 수신기.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 포스트 TIA 증폭기는,
    상기 출력된 신호를 단일신호에서 차동신호로 변환하고, 상기 차동신호의 임피던스 매칭을 수행한 것을 특징으로 하는 저잡음 고이득 광 수신기.
  8. 빛으로 이루어진 신호를 수신하는 수신부;
    상기 수신된 신호를 증폭하는 증폭부; 및
    상기 증폭된 신호에 포함된 데이터를 분석하는 분석부;를 포함하되,
    상기 증폭부는,
    서로 다른 역할을 하는 3단의 증폭기를 피드백 저항 사이에 배치하여 입력된 신호의 잡음 성분을 줄이고, 고주파 성분을 부스팅하는 피드백 TIA 증폭기; 및
    상기 피드백 TIA 증폭기로부터 출력된 신호를 증폭하는 포스트 TIA 증폭기;
    를 포함하는 저잡음 고이득 광 수신기.
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