KR20230003761A - Transimpedance amplifier extending bandwidth and optical receiver comprising the same - Google Patents

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KR20230003761A
KR20230003761A KR1020210085258A KR20210085258A KR20230003761A KR 20230003761 A KR20230003761 A KR 20230003761A KR 1020210085258 A KR1020210085258 A KR 1020210085258A KR 20210085258 A KR20210085258 A KR 20210085258A KR 20230003761 A KR20230003761 A KR 20230003761A
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박강엽
오원석
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한국전자기술연구원
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Abstract

Disclosed are a transimpedance amplifier for extending a bandwidth to have a high bandwidth while resolving the problem of degraded signal quality caused by a group delay and greatly increased chip prices, and an optical receiver including the same. According to the present invention, the transimpedance amplifier comprises: a feedback transimpedance amplification terminal receiving an optical signal from a light-receiving device, converting a current signal of the inputted optical signal into a voltage signal, and amplifying the converted voltage signal; a feedback dummy amplification terminal receiving the same parasitic capacitance as the light-receiving device; a negative transconductance cell connecting gate terminals and drain terminals of two NMOSs in a cross-coupled structure to generate negative transconductance proportional to a differential pair of DC current levels, and connecting the generated negative transconductance to output nodes of the feedback dummy amplification terminal and the feedback transimpedance amplification terminal; and a negative capacitance cell connecting gate terminals and drain terminals of two NMOSs in a cross-coupled structure, connecting a capacitor to source terminals of two NMOSs, generating negative capacitance proportional to the capacitance of a capacitor and a DC current source connected to each NMOS, and connecting the generated negative capacitance to the output nodes of the feedback dummy amplification terminal and the feedback transimpedance amplification terminal.

Description

대역폭 확장하는 트랜스임피던스 증폭기 및 이를 포함하는 광 수신기{Transimpedance amplifier extending bandwidth and optical receiver comprising the same}Transimpedance amplifier extending bandwidth and optical receiver comprising the same}

본 발명은 광 송수신 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 네가티브 트랜스컨덕스 스테이지(Negative-Gm stage)와 네가티브 커패시턴스 스테이지(Negative-C stage)를 이용하여 대역폭을 향상시키는 대역폭 확장하는 트랜스임피던스 증폭기 및 이를 포함하는 광 수신기에 관한 것이다.The present invention relates to an optical transmission/reception technology, and more particularly, to a transimpedance amplifier that improves bandwidth by using a negative transconductance stage (Negative-Gm stage) and a negative capacitance stage (Negative-C stage) and extends the bandwidth, and the same. It relates to an optical receiver comprising

트랜스임피던스 증폭기는 광신호를 전류신호로 변환해주는 포토디텍터(photodetector) 바로 출력단에 전류신호를 전압신호로 바꿔주는 역할을 한다. 트랜스임피던스 증폭기는 광 수신기의 처음 입력단에 위치하기 때문에 광 수신기, 나아가서는 광전송 시스템 전체의 잡음특성을 좌우하는 중요한 블록이다. 광 전송 시스템의 잡음특성은 광통신의 전송거리를 결정하며 전력소모, 전송속도 등의 주요 특성들을 제한할 수 있는 매우 중요한 성능지표이다. 따라서 높은 전류-전압 변환 이득(Transimpedance Gain, TZ Gain)과 더불어 넓은 대역폭, 저잡음 특성이 요구된다.A transimpedance amplifier is a photodetector that converts an optical signal into a current signal, and plays a role in converting a current signal into a voltage signal at the output stage. Since the transimpedance amplifier is located at the first input terminal of the optical receiver, it is an important block that influences the noise characteristics of the optical receiver and the entire optical transmission system. The noise characteristics of optical transmission systems determine the transmission distance of optical communication and are very important performance indicators that can limit major characteristics such as power consumption and transmission speed. Therefore, in addition to high current-voltage conversion gain (Transimpedance Gain, TZ Gain), wide bandwidth and low noise characteristics are required.

종래의 트랜스임피던스 증폭기는 구현하는 반도체 공정대비 높은 속도를 구현하기 위해서 온칩 인덕터 및 인덕턴스 성분을 구현할 수 있는 능동 인덕터 회로 기법을 사용하였다. 인덕터는 트랜스 임피던스 증폭기의 대역폭을 제한하는 각 노드의 기생 커패시터 성분을 상쇄할 수 있어 직접적으로 대역폭을 향상시킬 수 있는 기술이지만 몇가지 문제점을 갖고 있다.A conventional transimpedance amplifier uses an active inductor circuit technique capable of implementing an on-chip inductor and an inductance component in order to implement a higher speed than a semiconductor process. The inductor is a technology that can directly improve the bandwidth because it can cancel the parasitic capacitor component of each node that limits the bandwidth of the transimpedance amplifier, but it has some problems.

첫째로, 인덕티브 피킹(Inductive Peaking)에 의한 대역폭 확장 방법은 주파수 도메인에서 중간대역(Mid-Band) 대비 피킹(Peaking)을 일어나게 되는데 주파수에 따른 급격한 응답 변화로 인해 그룹 딜레이(Group Delay)의 급격한 변화를 야기한다. 이는 입력되는 랜덤(random) 디지털 데이터의 트랜지션 패턴(Transition Pattern)에 따라 지연시간의 차이가 커진다는 의미로써, 펄스 퍼짐현상(Pulse Dispersion)의 원인이 되어 신호품질을 저하시킨다.First, the bandwidth extension method by inductive peaking causes peaking compared to the mid-band in the frequency domain. Due to the rapid response change according to the frequency, the rapid cause change This means that the difference in delay time increases according to the transition pattern of input random digital data, which causes pulse dispersion and degrades signal quality.

둘째로, 인덕터는 반도체 내부에서 구현하는데 있어서 큰 비용을 발생시킨다. 인덕터는 큰 풋프린트(footprint)를 가지고 있어 큰 칩면적을 차지하게 되며, 높은 효율(Q값)을 갖는 인덕터를 구현하기 위해 RF 공정의 사용이 강제된다. 또한 대량 생산시, 마스크(mask) 개수를 증가시켜 큰 비용을 수반하는 단점이 있다.Second, inductors are expensive to implement inside semiconductors. The inductor has a large footprint and thus occupies a large chip area, and the use of an RF process is forced to implement an inductor having a high efficiency (Q value). In addition, there is a disadvantage in that large costs are accompanied by an increase in the number of masks during mass production.

한국등록특허공보 제10-1054388호(2011.08.04.)Korean Registered Patent Publication No. 10-1054388 (2011.08.04.)

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 그룹 딜레이로 인해 신호품질이 저하되고, 칩 가격이 크게 상승하는 문제점을 해결하면서 높은 대역폭을 가지는 대역폭 확장하는 트랜스임피던스 증폭기 및 이를 포함하는 광 수신기를 제공하는데 목적이 있다.A technical problem to be achieved by the present invention is to provide a transimpedance amplifier having a high bandwidth and extending a bandwidth while solving the problem of signal quality deterioration and significant increase in chip price due to group delay, and an optical receiver including the same. .

상기 목절을 달성하기 위해 본 발명에 따른 대역폭 확장하는 트랜스임피던스 증폭기는 수광소자로부터 광신호를 입력받고, 상기 입력된 광신호의 전류신호를 전압신호로 변환하며, 상기 변환된 전압신호를 증폭하는 피드백 트랜스임피던스 증폭단, 상기 수광소자와 동일한 기생 커패시턴스를 입력받는 피드백 더미 증폭단, 두 개의 NMOS 게이트단과 드레인단을 교차결합형(Cross-Coupled) 구조로 연결하여 차동쌍의 DC 전류 크기에 비례하는 네가티브 트랜스컨덕턴스를 생성하고, 상기 생성된 네가티브 트랜스컨덕턴스를 상기 피드백 트랜스 임피던스 증폭단과 상기 피드백 더미 증폭단의 출력 노드에 연결하는 네가티브 트랜스컨덕턴스 셀 및 두 개의 NMOS 게이트단과 드레인단을 교차결합형 구조로 연결하고, 두 개의 NMOS 소스단에 커패시터를 연결하며, 각 NMOS에 연결되어 있는 DC 전류원과 커패시터의 크기에 비례하는 네가티브 커패시턴스를 생성하고, 상기 생성된 네가티브 커패시턴스를 상기 피드백 트랜스 임피던스 증폭단과 상기 피드백 더미 증폭단의 출력 노드에 연결하는 네가티브 커패시턴스 셀을 포함한다.In order to achieve the above object, the transimpedance amplifier for extending the bandwidth according to the present invention receives an optical signal from a light receiving device, converts a current signal of the input optical signal into a voltage signal, and amplifies the converted voltage signal. A transimpedance amplification stage, a feedback dummy amplification stage that receives the same parasitic capacitance as the light receiving device, and a negative transconductance proportional to the DC current size of the differential pair by connecting two NMOS gate and drain stages in a cross-coupled structure. and a negative transconductance cell connecting the generated negative transconductance to output nodes of the feedback transimpedance amplification stage and the feedback dummy amplification stage and connecting two NMOS gate and drain stages in a cross-coupled structure, A capacitor is connected to the NMOS source terminal, a DC current source connected to each NMOS and a negative capacitance proportional to the size of the capacitor is generated, and the generated negative capacitance is applied to the output node of the feedback transimpedance amplification stage and the feedback dummy amplification stage. It includes a negative capacitance cell to connect.

또한 상기 피드백 트랜스임피던스 증폭단과 상기 피드백 더미 증폭단은, 차동 구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the feedback transimpedance amplification stage and the feedback dummy amplification stage are characterized in that they are formed of a differential structure.

또한 상기 피드백 트랜스임피던스 증폭단은, 싱글 엔디드(single-ended) 신호가 입력되는 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.In addition, the feedback transimpedance amplification stage is characterized in that it has a structure in which a single-ended signal is input.

또한 상기 네가티브 트랜스컨덕턴스 셀은, 상기 생성된 네가티브 트랜스컨덕턴스를 상기 피드백 트랜스임피던스 증폭단과 상기 피드백 더미 증폭단의 출력 노드에 병렬로 연결하여 출력단의 대역폭을 제한하는 저항 성분을 상쇄하는 것을 특징으로 한다.In addition, the negative transconductance cell is characterized in that the generated negative transconductance is connected in parallel to output nodes of the feedback transimpedance amplification stage and the feedback dummy amplification stage to cancel out a resistance component limiting the bandwidth of the output stage.

또한 상기 네가티브 커패시턴스 셀은, 상기 두 개의 NMOS 소스단에 커패시터를 병렬로 연결하는 것을 특징으로 한다.In addition, the negative capacitance cell is characterized in that a capacitor is connected in parallel to the two NMOS source terminals.

또한 상기 네가티브 커패시턴스 셀은, 상기 생성된 네가티브 커패시턴스를 상기 피드백 트랜스 임피던스 증폭단과 상기 피드백 더미 증폭단의 출력 노드에 병렬로 연결하여 출력단의 대역폭을 제한하는 커패시턴스 성분을 상쇄하는 것을 특징으로 한다.In addition, the negative capacitance cell is characterized in that the generated negative capacitance is connected in parallel to output nodes of the feedback transimpedance amplification stage and the feedback dummy amplification stage to cancel a capacitance component limiting the bandwidth of the output stage.

본 발명에 따른 대역폭 확장하는 트랜스임피던스 증폭기를 포함하는 광 수신기는 광신호를 증폭하는 트랜스임피던스 증폭기, 상기 증폭된 광신호의 대역폭을 보상하는 등화기, 신호처리가 가능하도록 상기 보상된 광신호를 증폭하는 제한증폭기, 클록을 이용하여 광신호에 포함된 데이터를 복원하는 클록 및 데이터 복원회로를 포함하되, 상기 트랜스임피던스 증폭기는, 수광소자로부터 광신호를 입력받고, 상기 입력된 광신호의 전류신호를 전압신호로 변환하며, 상기 변환된 전압신호를 증폭하는 피드백 트랜스임피던스 증폭단, 상기 수광소자와 동일한 기생 커패시턴스를 입력받는 피드백 더미 증폭단, 두 개의 NMOS 게이트단과 드레인단을 교차결합형(Cross-Coupled) 구조로 연결하여 차동쌍의 DC 전류 크기에 비례하는 네가티브 트랜스컨덕턴스를 생성하고, 상기 생성된 네가티브 트랜스컨덕턴스를 상기 피드백 트랜스 임피던스 증폭단과 상기 피드백 더미 증폭단의 출력 노드에 연결하는 네가티브 트랜스컨덕턴스 셀 및 두 개의 NMOS 게이트단과 드레인단을 교차결합형 구조로 연결하고, 두 개의 NMOS 소스단에 커패시터를 연결하며, 각 NMOS에 연결되어 있는 DC 전류원과 커패시터의 크기에 비례하는 네가티브 커패시턴스를 생성하고, 상기 생성된 네가티브 커패시턴스를 상기 피드백 트랜스 임피던스 증폭단과 상기 피드백 더미 증폭단의 출력 노드에 연결하는 네가티브 커패시턴스 셀를 포함하는 것을 특징으로 한다.An optical receiver including a transimpedance amplifier for extending a bandwidth according to the present invention includes a transimpedance amplifier for amplifying an optical signal, an equalizer for compensating for the bandwidth of the amplified optical signal, and amplifying the compensated optical signal to enable signal processing. A limiting amplifier that restores data included in an optical signal using a clock and a data restoration circuit, wherein the transimpedance amplifier receives an optical signal from a light receiving element and generates a current signal of the input optical signal. A feedback transimpedance amplification stage that converts into a voltage signal and amplifies the converted voltage signal, a feedback dummy amplification stage that receives the same parasitic capacitance as the light receiving element, and a cross-coupled structure of two NMOS gate and drain stages A negative transconductance cell and two NMOS which generate negative transconductance proportional to the magnitude of the DC current of the differential pair and connect the generated negative transconductance to the output nodes of the feedback transimpedance amplification stage and the feedback dummy amplification stage. A gate terminal and a drain terminal are connected in a cross-coupling structure, a capacitor is connected to two NMOS source terminals, a DC current source connected to each NMOS and a negative capacitance proportional to the size of the capacitor are generated, and the generated negative capacitance and a negative capacitance cell connecting the output node of the feedback transimpedance amplifier stage and the feedback dummy amplifier stage.

또한 상기 클록 및 데이터 복원회로의 필요 유무에 따라 클록 및 데이터 복원회로의 바이패스(bypass)를 제어하는 스위치 멀티플렉서를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, it is characterized in that it further comprises a switch multiplexer for controlling the bypass (bypass) of the clock and data recovery circuit according to the necessity of the clock and data recovery circuit.

본 발명의 트랜스임피던스 증폭기의 대역폭 확장 방법 및 이를 이용한 광 수신기는 네가티브 트랜스컨덕스 스테이지와 네가티브 커패시턴스 스테이지를 이용하여 그룹 딜레이로 인해 신호품질이 저하되고, 칩 가격이 크게 상승하는 문제점을 해결할 수 있다.The method for extending the bandwidth of a transimpedance amplifier and an optical receiver using the same according to the present invention can solve the problem of deterioration in signal quality and significant increase in chip price due to group delay by using a negative transconductance stage and a negative capacitance stage.

또한 트랜스임피던스 증폭기의 대역폭 대비 최대 2배에 이르는 광 수신기를 구현할 수 있고, 영상전송, 데이터콤, 컴퓨터콤, 텔레콤에 이르기까지 넓은 응용분야를 확보할 수 있다.In addition, it is possible to implement an optical receiver with up to twice the bandwidth of the transimpedance amplifier, and to secure a wide range of applications ranging from image transmission, datacom, computercom, and telecom.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 트랜스임피던스 증폭기를 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 도 1의 트랜스 임피던스를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1의 트랜스임피던스를 포함하는 광 수신기를 설명하기 위한 도면이다.1 is a schematic diagram for explaining a transimpedance amplifier according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining the trans impedance of FIG. 1 .
FIG. 3 is a diagram for explaining an optical receiver including the transimpedance of FIG. 1 .

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, in adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same components have the same numerals as much as possible even if they are displayed on different drawings. In addition, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function is obvious to those skilled in the art or may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 트랜스임피던스 증폭기를 설명하기 위한 개략도이고, 도 2는 도 1의 트랜스 임피던스를 설명하기 위한 도면이다.1 is a schematic diagram for explaining a transimpedance amplifier according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram for explaining the transimpedance of FIG. 1 .

도 1 및 도 2를 참조하면, 트랜스임피던스 증폭기(100)는 그룹 딜레이로 인해 신호품질이 저하되고, 칩 가격이 크게 상승하는 문제점을 해결하면서 높은 대역폭을 가진다. 트랜스임피던스 증폭기(100)는 피드백 트랜스임피던스 증폭단(10), 피드백 더미 증폭단(30) 및 네가티브 트랜스컨덕턴스 셀(Negative-Gm Stage)(50) 및 네가티브 커패시턴트 셀(Nagativ-C Stage)(70)을 포함한다. Referring to FIGS. 1 and 2 , the transimpedance amplifier 100 has a high bandwidth while solving problems of signal quality deterioration due to group delay and significant increase in chip price. The transimpedance amplifier 100 includes a feedback transimpedance amplifier stage 10, a feedback dummy amplifier stage 30 and a negative transconductance cell (Negative-Gm Stage) 50 and a negative capacitance cell (Nagativ-C Stage) 70 includes

피드백 트랜스임피던스 증폭단(10)은 수광소자(11)로부터 광신호를 입력받고, 입력된 광신호의 전류신호를 전압신호로 변환한다. 여기서 피드백 트랜스임피던스 증폭단(10)은 싱글 엔디드(single-ended) 신호가 입력되는 구조를 가진다. 피드백 트랜스임피던스 증폭단(10)은 변환된 전압신호를 증폭한다. 여기서 피드백 트랜스임피던스 증폭단(10)은 인버터 타입으로 구현할 수 있고, 일반적으로 공통 소스(common-source) 방식으로도 구현할 수 있다. 또한 피디백 트랜스임피던스 증폭단(10)은 기생 커패시턴스가 큰 저가의 수광소자를 사용할 경우, 낮은 입력 임피던스를 갖는 유니티 게인 전류 버퍼(Unity-Gain Current Buffer)를 사용할 수 있다.The feedback transimpedance amplifying stage 10 receives an optical signal from the light receiving element 11 and converts a current signal of the input optical signal into a voltage signal. Here, the feedback transimpedance amplifier 10 has a structure in which a single-ended signal is input. The feedback transimpedance amplifier 10 amplifies the converted voltage signal. Here, the feedback transimpedance amplification stage 10 can be implemented as an inverter type, and can also be generally implemented as a common-source method. In addition, the feedback transimpedance amplification stage 10 may use a unity-gain current buffer having a low input impedance when a low-cost light-receiving element having a large parasitic capacitance is used.

피드백 더미 증폭단(30)은 수광소자(11)와 동일한 기생 커패시턴스를 입력받는다. 피디백 더미 증폭단(30)은 더미 역할을 하는 커패시터(31)를 통해 광신호를 실제로 수신하지 않고, 출력단의 등화기(equalizer) 또는 제한증폭기(limiting amplifier)의 차동모드 동작을 위해 사용된다. 즉 피드백 더미 증폭단(30)은 피드백 트랜스임피던스 증폭단(10)과 차동 구조를 이루어지도록 구현할 수 있다.The feedback dummy amplifier stage 30 receives the same parasitic capacitance as the light receiving element 11 . The feedback dummy amplification stage 30 does not actually receive an optical signal through the capacitor 31 acting as a dummy, and is used for differential mode operation of an equalizer or limiting amplifier of an output stage. That is, the feedback dummy amplifying stage 30 may be implemented to have a differential structure with the feedback transimpedance amplifying stage 10.

네가티브 트랜스컨덕턴스 셀(50)은 두 개의 NMOS인 제1 NMOS(51)와 제2 NMOS(53) 게이트단과 드레인단을 교차결합형(Cross-Coupled) 구조로 연결하여 차동쌍의 DC 전류 크기에 비례하는 네가티브 트랜스컨덕턴스를 생성한다. 네가티브 트랜스컨덕턴스 셀(50)은 생성된 네가티브 트랜스컨덕턴스를 피드백 트랜스임피던스 증폭단(10)과 피드백 더미 증폭단(30)의 출력 노드에 연결한다. 이때 네가티브 트랜스컨덕턴스 셀(50)은 생성된 네가티브 트랜스컨덕턴스를 피드백 트랜스임피던스 증폭단(10)과 피드백 더미 증폭단(30)의 출력 노드에 병렬로 연결하여 출력단의 대역폭을 제한하는 저항 성분을 상쇄함으로써, 대역폭을 확장할 수 있다.The negative transconductance cell 50 is proportional to the magnitude of the DC current of the differential pair by connecting the gate end and drain end of the first NMOS 51 and the second NMOS 53, which are two NMOS, in a cross-coupled structure. creates a negative transconductance that The negative transconductance cell 50 connects the generated negative transconductance to the output nodes of the feedback transimpedance amplifier stage 10 and the feedback dummy amplifier stage 30. At this time, the negative transconductance cell 50 connects the generated negative transconductance to the output nodes of the feedback transimpedance amplification stage 10 and the feedback dummy amplification stage 30 in parallel to cancel the resistance component that limits the bandwidth of the output stage, thereby reducing the bandwidth. can be expanded.

네가티브 커패시턴스 셀(70)은 두 개의 NMOS인 제3 NMOS(71)와 제4 NMOS(73) 게이트단과 드레인단을 교차결합형 구조로 연결하고, 제3 NMOS(71)와 제4 NMOS(73) 소스단에 커패시터(75)를 연결한다. 네가티브 커패시턴스 셀(70)은 각 NMOS(71, 73)에 연결되어 있는 DC 전류원(77, 79)과 커패시터(75)의 크기에 비례하는 네가티브 커패시턴스를 생성한다. 네가티브 커패시턴스 셀(70)은 생성된 네가티브 커패시턴스를 피드백 트랜스 임피던스 증폭단(10)과 피드백 더미 증폭단(30)의 출력 노드에 연결한다. 이때 네가티브 커패시턴스 셀(70)은 생성된 네가티브 커패시턴스를 피드백 트랜스임피던스 증폭단(10)과 피드백 더미 증폭단(30)의 출력 노드에 병렬로 연결하여 출력단의 대역폭을 제한하는 커패시턴스 성분을 상쇄함으로써, 대역폭을 확장할 수 있다.The negative capacitance cell 70 connects the gate end and the drain end of two NMOSs, the third NMOS 71 and the fourth NMOS 73, in a cross-coupled structure, and the third NMOS 71 and the fourth NMOS 73 are connected. A capacitor 75 is connected to the source terminal. The negative capacitance cell 70 generates a negative capacitance proportional to the size of the DC current sources 77 and 79 and the capacitor 75 connected to the NMOSs 71 and 73 respectively. The negative capacitance cell 70 connects the generated negative capacitance to output nodes of the feedback transimpedance amplification stage 10 and the feedback dummy amplification stage 30 . At this time, the negative capacitance cell 70 connects the generated negative capacitance to the output nodes of the feedback transimpedance amplifier stage 10 and the feedback dummy amplifier stage 30 in parallel to cancel the capacitance component that limits the bandwidth of the output stage, thereby extending the bandwidth. can do.

상술한 바와 같이 본 발명의 트랜스임피던스 증폭기(100)는 네가티브 트랜스컨덕턴스 셀(50)과 네가티브 커패시턴스 셀(70)을 이용하여 대역폭을 확장할 수 있다. 특히 트랜스임피던스 증폭기(100)는 인덕터 타입의 구조로 이루어짐에 따라 전압 헤드룸(Voltage Headroom) 문제에서 자유로울 수 있다.As described above, the transimpedance amplifier 100 of the present invention can extend the bandwidth by using the negative transconductance cell 50 and the negative capacitance cell 70. In particular, since the transimpedance amplifier 100 has an inductor type structure, it can be free from a voltage headroom problem.

도 3은 도 1의 트랜스임피던스를 포함하는 광 수신기를 설명하기 위한 도면이다.FIG. 3 is a diagram for explaining an optical receiver including the transimpedance of FIG. 1 .

도 1 내지 도 3을 참조하면, 광 수신기(200)는 트랜스임피던스 증폭기의 대역폭 대비 최대 2배에 이르도록 구현할 수 있다. 또한 광 수신기(200)는 영상전송, 데이터콤, 컴퓨터콤, 텔레콤에 이르기까지 넓은 응용분야를 확보할 수 있다. 광 수신기(200)는 트랜스임피던스 증폭기(100), 등화기(210), 제한증폭기(220) 및 클록 및 데이터 복원회로(240)를 포함하고, 스위치 멀티플렉서(240)를 더 포함할 수 있다.Referring to FIGS. 1 to 3 , the optical receiver 200 can be implemented to reach a maximum of twice the bandwidth of the transimpedance amplifier. In addition, the optical receiver 200 can secure a wide range of applications ranging from image transmission, datacom, computercom, and telecom. The optical receiver 200 includes a transimpedance amplifier 100, an equalizer 210, a limiting amplifier 220, and a clock and data recovery circuit 240, and may further include a switch multiplexer 240.

트랜스임피던스 증폭기(100)는 싱글 엔디드 신호인 광신호를 입력받고, 입력된 광신호를 증폭한다. 이때 트랜스임피던스 증폭기(100)는 상술된 바와 같이 네가티브 트랜스컨덕턴스를 생성하는 네가티브 트랜스컨턴스 셀(10) 및 네가티브 커패시턴스를 생성하는 네가티브 커패시턴스 셀(30)을 이용하여 대역폭을 확장할 수 있다.The transimpedance amplifier 100 receives an optical signal, which is a single-ended signal, and amplifies the input optical signal. At this time, the transimpedance amplifier 100 can extend the bandwidth by using the negative transconductance cell 10 generating negative transconductance and the negative capacitance cell 30 generating negative capacitance as described above.

등화기(210)는 트랜스임피던스 증폭기(100)의 출력단과 연결되고, 트랜스임피던스 증폭기(100)로부터 증폭된 광신호의 대역폭을 보상한다. 즉 등화기(210)는 광신호의 주파수 특성을 개선하여 대역폭을 더 보상할 수 있다. 이때 등화기(210)는 선형등화기(Linear Equalizer)일 수 있다.The equalizer 210 is connected to an output terminal of the transimpedance amplifier 100 and compensates for a bandwidth of an optical signal amplified by the transimpedance amplifier 100 . That is, the equalizer 210 can further compensate for the bandwidth by improving the frequency characteristics of the optical signal. In this case, the equalizer 210 may be a linear equalizer.

제한증폭기(220)는 등화기(210)의 출력단과 연결되고, 신호처리가 가능하도록 등화기(210)로부터 보상된 광신호를 증폭한다. 이때 제한증폭기(220)는 증폭이 기 설정된 기준 이상으로 되지 않도록 제어할 수 있다. The limiting amplifier 220 is connected to the output terminal of the equalizer 210 and amplifies the optical signal compensated from the equalizer 210 to enable signal processing. At this time, the limiting amplifier 220 can control the amplification so that it does not exceed a preset standard.

클록 및 데이터 복원회로(240)는 제한증폭기(200)의 출력단과 연결되고, 클록을 이용하여 광신호에 포함된 데이터를 복원한다. 클록 및 데이터 복원회로(240)는 기 설정된 클록을 기준으로 광신호에 포함된 데이터를 재샘플링하여 데이터를 시간적으로 정확히 재구성할 수 있다. The clock and data restoration circuit 240 is connected to the output terminal of the limiting amplifier 200 and restores data included in the optical signal using a clock. The clock and data recovery circuit 240 resamples the data included in the optical signal based on a preset clock to accurately reconstruct the data in time.

스위치 멀티플렉서(240)는 클록 및 데이터 복원회로(240)의 출력단과 연결되고, 클록 및 데이터 복원회로(240)의 필요 유무에 따라 클록 및 데이터 복원회로의 바이패스(bypass)를 제어한다. 즉 상황에 따라 클록 및 데이터 복원회로(240)가 필요한 경우도 있으나, 필요하지 않은 경우도 발생됨에 따라 스위치 멀티플렉서(240)는 상황에 맞게 입력선을 선택하여 클록 및 데이터 복원회로(240)를 바이패스할 수 있다.The switch multiplexer 240 is connected to an output terminal of the clock and data recovery circuit 240 and controls bypass of the clock and data recovery circuit 240 depending on whether or not the clock and data recovery circuit 240 is needed. That is, there are cases where the clock and data recovery circuit 240 is required depending on circumstances, but there are also cases where it is not necessary. can pass

한편 도 3에 도시된 바와 같이 광 수신기(200)는 상술된 구성이외에도 레지스터, DC-오프셋 취소 회로 등을 포함할 수 있으며, 해당 구성에 대한 설명은 공지된 내용이므로 추가적인 설명을 하지 않는다. Meanwhile, as shown in FIG. 3 , the optical receiver 200 may include a register, a DC-offset cancellation circuit, etc. in addition to the above-described configuration, and since a description of the corresponding configuration is well-known, no further description will be made.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것은 아니며, 기술적 사상의 범주를 이탈함없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다. Although the above has been described and illustrated in relation to preferred embodiments for illustrating the technical idea of the present invention, the present invention is not limited to the configuration and operation as shown and described in this way, without departing from the scope of the technical idea. It will be readily apparent to those skilled in the art that many changes and modifications can be made to the present invention. Accordingly, all such appropriate changes and modifications and equivalents should be regarded as falling within the scope of the present invention.

10: 피드백 트랜스 임피던스 증폭단
30: 피드백 더미 증폭단
50: 네가티브 트랜스컨덕턴스 셀
70: 네가티브 커패시턴트 셀
100: 트랜스임피던스 증폭기
200: 광 수신기
210: 등화기
220: 제한증폭기
230: 클록 및 데이터 복원회로
240: 스위치 멀티플렉서10: feedback transimpedance amplification stage
30: feedback dummy amplification stage
50: negative transconductance cell
70: negative capacitance cell
100: transimpedance amplifier
200: optical receiver
210: equalizer
220: limiting amplifier
230: clock and data recovery circuit
240: switch multiplexer

Claims (8)

수광소자로부터 광신호를 입력받고, 상기 입력된 광신호의 전류신호를 전압신호로 변환하며, 상기 변환된 전압신호를 증폭하는 피드백 트랜스임피던스 증폭단;
상기 수광소자와 동일한 기생 커패시턴스를 입력받는 피드백 더미 증폭단;
두 개의 NMOS 게이트단과 드레인단을 교차결합형(Cross-Coupled) 구조로 연결하여 차동쌍의 DC 전류 크기에 비례하는 네가티브 트랜스컨덕턴스를 생성하고, 상기 생성된 네가티브 트랜스컨덕턴스를 상기 피드백 트랜스 임피던스 증폭단과 상기 피드백 더미 증폭단의 출력 노드에 연결하는 네가티브 트랜스컨덕턴스 셀; 및
두 개의 NMOS 게이트단과 드레인단을 교차결합형 구조로 연결하고, 두 개의 NMOS 소스단에 커패시터를 연결하며, 각 NMOS에 연결되어 있는 DC 전류원과 커패시터의 크기에 비례하는 네가티브 커패시턴스를 생성하고, 상기 생성된 네가티브 커패시턴스를 상기 피드백 트랜스 임피던스 증폭단과 상기 피드백 더미 증폭단의 출력 노드에 연결하는 네가티브 커패시턴스 셀;
을 포함하는 대역폭 확장하는 트랜스임피던스 증폭기.a feedback transimpedance amplifying stage that receives an optical signal from a light receiving element, converts a current signal of the input optical signal into a voltage signal, and amplifies the converted voltage signal;
a feedback dummy amplifier receiving the same parasitic capacitance as the light receiving element;
The two NMOS gate and drain terminals are connected in a cross-coupled structure to generate negative transconductance proportional to the magnitude of the DC current of the differential pair, and the generated negative transconductance is transferred to the feedback transimpedance amplifying stage and the a negative transconductance cell connected to the output node of the feedback dummy amplification stage; and
Connecting two NMOS gate terminals and drain terminals in a cross-coupled structure, connecting capacitors to the two NMOS source terminals, generating a DC current source connected to each NMOS and a negative capacitance proportional to the size of the capacitor, a negative capacitance cell connecting the negative capacitance to the output nodes of the feedback transimpedance amplification stage and the feedback dummy amplification stage;
A transimpedance amplifier that extends the bandwidth including a. 제 1항에 있어서,
상기 피드백 트랜스임피던스 증폭단과 상기 피드백 더미 증폭단은, 차동 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 대역폭 확장하는 트랜스임피던스 증폭기.According to claim 1,
The transimpedance amplifier that extends the bandwidth, characterized in that the feedback transimpedance amplifier stage and the feedback dummy amplifier stage are formed of a differential structure. 제 1항에 있어서,
상기 피드백 트랜스임피던스 증폭단은,
싱글 엔디드(single-ended) 신호가 입력되는 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 대역폭 확장하는 트랜스임피던스 증폭기.According to claim 1,
The feedback transimpedance amplifier stage,
A transimpedance amplifier that extends the bandwidth, characterized in that it has a structure in which a single-ended signal is input. 제 1항에 있어서,
상기 네가티브 트랜스컨덕턴스 셀은,
상기 생성된 네가티브 트랜스컨덕턴스를 상기 피드백 트랜스임피던스 증폭단과 상기 피드백 더미 증폭단의 출력 노드에 병렬로 연결하여 출력단의 대역폭을 제한하는 저항 성분을 상쇄하는 것을 특징으로 하는 대역폭 확장하는 트랜스임피던스 증폭기.According to claim 1,
The negative transconductance cell,
and connecting the generated negative transconductance to output nodes of the feedback transimpedance amplifier stage and the feedback dummy amplifier stage in parallel to cancel out a resistance component limiting the bandwidth of the output stage. 제 1항에 있어서,
상기 네가티브 커패시턴스 셀은,
상기 두 개의 NMOS 소스단에 커패시터를 병렬로 연결하는 것을 특징으로 하는 대역폭 확장하는 트랜스임피던스 증폭기.According to claim 1,
The negative capacitance cell,
A transimpedance amplifier that extends the bandwidth, characterized in that a capacitor is connected in parallel to the two NMOS source terminals. 제 1항에 있어서,
상기 네가티브 커패시턴스 셀은,
상기 생성된 네가티브 커패시턴스를 상기 피드백 트랜스 임피던스 증폭단과 상기 피드백 더미 증폭단의 출력 노드에 병렬로 연결하여 출력단의 대역폭을 제한하는 커패시턴스 성분을 상쇄하는 것을 특징으로 하는 대역폭 확장하는 트랜스임피던스 증폭기.According to claim 1,
The negative capacitance cell,
The bandwidth extending transimpedance amplifier, characterized in that the generated negative capacitance is connected in parallel to output nodes of the feedback transimpedance amplification stage and the feedback dummy amplification stage to cancel the capacitance component limiting the bandwidth of the output stage. 광신호를 증폭하는 트랜스임피던스 증폭기;
상기 증폭된 광신호의 대역폭을 보상하는 등화기;
신호처리가 가능하도록 상기 보상된 광신호를 증폭하는 제한증폭기;
클록을 이용하여 광신호에 포함된 데이터를 복원하는 클록 및 데이터 복원회로;를 포함하되,
상기 트랜스임피던스 증폭기는,
수광소자로부터 광신호를 입력받고, 상기 입력된 광신호의 전류신호를 전압신호로 변환하며, 상기 변환된 전압신호를 증폭하는 피드백 트랜스임피던스 증폭단;
상기 수광소자와 동일한 기생 커패시턴스를 입력받는 피드백 더미 증폭단;
두 개의 NMOS 게이트단과 드레인단을 교차결합형(Cross-Coupled) 구조로 연결하여 차동쌍의 DC 전류 크기에 비례하는 네가티브 트랜스컨덕턴스를 생성하고, 상기 생성된 네가티브 트랜스컨덕턴스를 상기 피드백 트랜스 임피던스 증폭단과 상기 피드백 더미 증폭단의 출력 노드에 연결하는 네가티브 트랜스컨덕턴스 셀; 및
두 개의 NMOS 게이트단과 드레인단을 교차결합형 구조로 연결하고, 두 개의 NMOS 소스단에 커패시터를 연결하며, 각 NMOS에 연결되어 있는 DC 전류원과 커패시터의 크기에 비례하는 네가티브 커패시턴스를 생성하고, 상기 생성된 네가티브 커패시턴스를 상기 피드백 트랜스 임피던스 증폭단과 상기 피드백 더미 증폭단의 출력 노드에 연결하는 네가티브 커패시턴스 셀;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 대역폭 확장하는 트랜스임피던스 증폭기를 포함하는 광 수신기.a transimpedance amplifier that amplifies the optical signal;
an equalizer compensating for a bandwidth of the amplified optical signal;
a limiting amplifier for amplifying the compensated optical signal to enable signal processing;
A clock and data recovery circuit for restoring data included in the optical signal using the clock;
The transimpedance amplifier,
a feedback transimpedance amplifying stage that receives an optical signal from a light receiving element, converts a current signal of the input optical signal into a voltage signal, and amplifies the converted voltage signal;
a feedback dummy amplifier receiving the same parasitic capacitance as the light receiving element;
The two NMOS gate and drain terminals are connected in a cross-coupled structure to generate negative transconductance proportional to the magnitude of the DC current of the differential pair, and the generated negative transconductance is transferred to the feedback transimpedance amplifying stage and the a negative transconductance cell connected to the output node of the feedback dummy amplification stage; and
Connecting two NMOS gate terminals and drain terminals in a cross-coupled structure, connecting capacitors to the two NMOS source terminals, generating a DC current source connected to each NMOS and a negative capacitance proportional to the size of the capacitor, a negative capacitance cell connecting the negative capacitance to the output nodes of the feedback transimpedance amplification stage and the feedback dummy amplification stage;
An optical receiver comprising a transimpedance amplifier that extends the bandwidth, characterized in that it comprises a. 제 7항에 있어서,
상기 클록 및 데이터 복원회로의 필요 유무에 따라 클록 및 데이터 복원회로의 바이패스(bypass)를 제어하는 스위치 멀티플렉서;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대역폭 확장하는 트랜스임피던스 증폭기를 포함하는 광 수신기.According to claim 7,
a switch multiplexer controlling bypass of the clock and data recovery circuits according to whether the clock and data recovery circuits are necessary;
An optical receiver comprising a transimpedance amplifier that extends the bandwidth, further comprising a.
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