Multi-channel Optical Receivers for Short-Range Applications

Abstract

본 논문에서는 0.18μm deep sub-micron CMOS 공정을 이용한 광통신 및 LADAR 시스템용 수신기 회로설계를 소개한다. 첫 번째로, 광통신 시스템을 위한 2.5-Gb/s 전송속도를 가지는 다채널 수신기를 설계하였다. 설계된 광수신기의 첫 번째 단인 트랜스임피던스 증폭기는 입력 단에 modified CM의 구조를 이용하여 넓은 대역폭을 갖도록 설계하였다. 그 뒷단에 넓은 대역폭을 갖도록 하는 기법을 사용한 리미팅 증폭기와 출력 버퍼를 이용하여 넓은 대역폭과 함께 높은 트랜스임피던스 이득을 얻도록 설계한 결과 90.43dBΩ의 매우 높은 트랜스임피던스 이득과 1.64GHz의 넓은 대역폭을 얻을 수 있었다. 전체 광수신기 칩은 1.35 × 2.46mm2 면접을 차지하며 1.8V의 전원 전압에 대해 채널당 76.2mW의 전력을 소모하는 것으로 측정 되었다. 1-Gb/s LADAR 시스템을 위한 광수신기는 modified CM 구조를 갖는 입력단과 inverter 구조의 입력단을 가지는 single-ended 트랜스임피던스 증폭기, 두 종류로 설계하였다. 먼저, modified CM 구조를 갖는 트랜스임피던스 증폭기는 입력단이 넓은 대역폭을 갖는다는 장점이 있으며, 입력단 뒷단에 CS 증폭기 겸 출력 버퍼를 달아주어 높은 이득 또한 얻을 수 있도록 설계하였다. 또한 2단의 간단한 구조를 이루도록 하여 적은 면적을 차지하도록 설계하였다. 설계한 광수신기는 Post-layout 시뮬레이션 결과, 60.03dBΩ의 높은 트랜스임피던스 이득과 752.4MHz의 대역폭을 확보하였다. 설계한 광수신기 전체 회로는 1.8V 전원 전압에서 23.2mW의 적은 전력을 소모한다. 마지막으로, inverter 구조의 입력단을 갖는 트랜스임피던스 증폭기는 입력단에서 높은 이득을 얻을 수 있도록 설계하여 저잡음의 특성을 갖는다는 장점을 갖도록 하였다. Post-layout 시뮬레이션 결과, 66.31dBΩ의 높은 트랜스임피던스 이득과 1.257GHz의 넓은 대역폭을 얻을 수 있었다. 설계한 광수신기 전체 회로는 1.8V 전원 전압에서 17.13mW의 매우 적은 전력을 소모한다.;In this thesis, various optical receivers realized in a 0.18μm CMOS technology are presented particularly for the applications of short-range HDMI optical cables and LADAR systems. First, a 2.5-Gb/s multi-channel receiver array is implemented by employing a modified current-mode(CM) transimpedance amplifier(TIA) as an input stage to obtain wide bandwidth. Also, a limiting amplifier(LA) using broadband techniques is incorporated to maintain wide bandwidth and to achieve high transimpedance gain. Measured results demonstrate 90.4dBΩ transimpedance gain, 1.64GHz bandwidth, and 500mVpp differential output voltage swings up to the data rate of 4-Gb/s. The 4-channel receiver chip occupies the area of 1.35 × 2.46mm2. A single-channel dissipates 76.2mW in total from a single 1.8V supply. Second, 1-Gb/s optical transimpedance amplifier arrays are realized for the applications of LADAR(laser detection and ranging) systems, exploiting two different topology. One is a modified CM TIA(current-mode) while the other is inverter TIA(voltage-mode). The modified CMTIA array provides broader bandwidth characteristic, higher transimpedance gain, and larger power consumption for similar noise characteristics than the inverter TIA array. Post-layout simulations show 60dBΩ transimpedance gain, 752MHz bandwidth, and 23.2mW power dissipation from a single 1.8V supply. Meanwhile, the inverter TIA provides lower noise characteristic. Post-layout simulation shows 66.3dBΩ transimpedance gain, 1.26GHz bandwidth, and 17.1mW power consumption from a single 1.8V supply.