10Gbps CMOS Transimpedance Amplifiers for Optical Communications

Abstract

Three transimpedance amplifiers are realized in a 0.18㎛ standard CMOS technology for 10Gb/s optical receiver. The voltage mode I-TIA exploits inverter configuration as the input stage, thus achieving larger effective g_(m) that reduces input impedance and increase bandwidth. I-TIA demonstrates the transimpedance gain of 56dBΩ and -3dB bandwidth of 14GHz for 0.25pF photodiode capacitance and optical sensitivity -16.5dBm for 0.5A/W responsivity, 9dB extinction ration and bit-error rate of 10^(-12). But parasitic components deteriorate the bandwidth thus circuit design carefully. Current mode RGC TIA exploits regulated cascade configuration as the input stage, thus isolate more effective input parasitic capacitance from bandwidth better than voltage mode. And parasitic components have less effect on bandwidth. RGC-TIA demonstrates the transimpedance gain of 60dBΩ and -3dB bandwidth of 10GHz for 0.25pF photodiode capacitance and optical sensitivity -15.7dBm for 0.5A/W responsivity, 9dB extinction ration and bit-error rate of 10^(-12). But power dissipation of RGC TIA is 4.5 times larger than I-TIA. Current mode CM-TIA isolates input parasitic capacitance form bandwidth and dissipates low power. CM-TIA employs current mirror input configuration and acquire 10Gb/s bandwidth without inductive peaking technique. CM-TIA demonstrates the transimpedance gain of 56.3dBΩ and -3dB bandwidth of 8.4GHz for 0.25pF photodiode capacitance and optical sensitivity -15.7dBm for 0.5A/W responsivity, 9dB extinction ration and bit-error rate of 10^(-12).;본 논문에서는 0.18㎛ CMOS 공정을 이용하여 세 종류의 10Gb/s급 광통신용 전치증폭기 (TIA)를 설계하였다. 전압모드인 I-TIA는 입력단에 inverter 구조를 사용하여 입력 유효 g_(m) 값을 증가시킴으로써 입력저항 값을 줄이고 동시에 대역폭을 늘리는 효과를 얻었다. 0.25pF의 광다이오드 캐패시턴스에 대하여 56dB Ω의 트랜스임피던스 이득과 14GHz의 대역폭을 얻었고, 10^(-12) BER과 9dB extinction ratio 및 0.5A/W responsivity를 예상할 경우 -16.5dBm의 광민감도를 얻었다. 그러나 기생 성분에 의한 대역폭의 감소 및 민감도가 크기때문에 회로설계 시 패키지 및 회로내의 기생성분 효과에 대한 신중한 고려가 필요하다. 이와 달리, 전류모드인 RGC TIA는 입력단에 regulated cascade 설계기법을 사용하여 광다이오드와 TIA 사이에 생기는 큰 입력 기생 캐패시턴스를 전압모드보다 매우 효과적으로 차단하여 대역폭을 확장하였다. 또한 기생성분에 의한 대역폭 및 트랜스 임피던스의 민감도가 현저히 줄어들어 대역폭의 변화가 없다. 0.25pF의 광다이오드 캐패시턴스에 대하여 60dBΩ의 트랜스임피던스 이득과 10GHz의 대역폭을 얻었고, 10^(-12) BER과 9dB extinction ratio 및 0.5A/W responsivity를 예상할 경우 -15.7dBm의 광민감도를 얻는다. 그러나, I-TIA에 비하여 약 4.5배의 높은 전력소모를 보이는 단점이 있다. 마지막으로 CM-TIA는 전류모드로 입력 기생성분을 대역폭 결정으로부터 차단하고 동시에 저전력 소모를 보인다. Current-mirror 기법을 입력단에 이용한 CM-TIA는 위 두 종류의 TIA와 달리 인덕티브 피킹 기법 없이도 10Gb/s 동작을 위한 넓은 대역폭을 가진다. 0.25pF의 광다이오드 캐패시턴스에 대하여 56.3dBΩ의 트랜스임피던스 이득과 8.4GHz의 대역폭을 얻었고, 10^(-12) BER과 9dB extinction ratio 및 0.5A/W responsivity를 예상할 경우 -17.2dBm의 광민감도를 얻는다.