대한전자공학회논문지SD (Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea SD)

대한전자공학회 (The Institute of Electronics and Information Engineers)
권호 표지

광통신용 10Gb/s CMOS 전치증폭기 설계

10Gb/s CMOS Transimpedance Amplifier Designs for Optical Communications

  • 심수정 ((주)하이닛스반도체 그래픽 설계팀) ;
  • 박성민 (이화여자대학교 정보통신학과)
  • 발행 : 2006.10.25
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초록

본 논문에서는 0.18um CMOS 공정을 이용하여 두 종류의 10Gb/s급 광통신용 전치증폭기(TIA)를 설계, 비교하였다. 전압모드인 Inverter TIA(I-TIA)는 입력단에 inverter 구조를 사용하여 입력 유효 gm 값을 증가시킴으로써 입력저항 값을 줄이고 동시에 대역폭을 늘리는 효과를 얻었다. 0.25pF의 광다이오드 캐패시턴스에 대하여 $56dB{\Omega}$의 트랜스임피던스 이득과 14GHz의 대역폭을 얻었고, $10^{-12}$ BER과 9dB extinction ratio 및 0.4A/W responsivity를 예상할 경우 -16.5dBm의 광민감도를 얻었다. 그러나 기생 성분에 의한 대역폭의 감소 및 민감도가 크기 때문에 회로설계 시 패키지 및 회로내의 기생성분 효과에 대한 신중한 고려가 필요하다. 이와 달리, 전류모드인 RGC TIA는 입력단에 regulated cascode 설계기법을 사용하여 광다이오드와 TIA 사이에 생기는 큰 입력 기생 캐패시턴스를 전압모드보다 매우 효과적으로 차단하여 대역폭을 확장하였다. 또한 기생성분에 의한 대역폭 및 트랜스임피던스의 민감도가 현저히 줄어들어 대역폭의 변화가 없다. 0.25pF의 광다이오드 캐패시턴스에 대하여 $60dB{\Omega}$의 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.

In this paper, a couple of 10Gb/s transimpedance amplifiers are realized in a 0.18um standard CMOS technology for optical communication applications. First, the voltage-mode inverter TIA(I-TIA) exploits inverter input configuration to achieve larger effective gm, thus reducing the input impedance and increasing the bandwidth. I-TIA demonstrates $56dB{\Omega}$ transimpedance gain, 14GHz bandwidth for 0.25pF photodiode capacitance, and -16.5dBm optical sensitivity for 0.5A/W responsivity, 9dB extinction ration and $10^{-12}$ BER. However, both its inherent parasitic capacitance and the package parasitics deteriorate the bandwidth significantly, thus mandating very judicious circuit design. Meanwhile, the current-mode RGC TIA incorporates the regulated cascade input configuration, and thus isolates the large input parasitic capacitance from the bandwidth determination more effectively than the voltage-mode TIA. Also, the parasitic components give much less impact on its bandwidth. RGC TIA provides $60dB{\Omega}$ transimpedance gain, 10GHz bandwidth for 0.25pF photodiode capacitance, and -15.7dBm optical sensitivity for 0.5A/W responsivity, 9dB extinction ration and $10^{-12}$ BER. Main drawback is the power dissipation which is 4.5 times larger than the I-TIA.

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참고문헌

  1. Ronald W. Waynant and Marwood N. Ediger, 'Electro-Opitcs Handbook', McGraw-Hill, 2000
  2. N. Haralabidis, S. Katsafouros, and G. Halkias, 'A 1 GHz CMOS transimpedance amplifier for chip-to-chip optical interconnects', in Proc. IEEE Int Symp. on Circuits Systems, vol. 5, pp. 421-424, May 2000 https://doi.org/10.1109/ISCAS.2000.857461
  3. C. Toumazou and S. M. Park, 'Wideband low noise CMOS transimpedance amplifier for gigahertz operation', Electron Lett., vol. 32, no 13, pp. 1194-1196, Jun. 1996 https://doi.org/10.1049/el:19960814
  4. T. Yoon and B. Jalali, '1 Gbit/s fiber channel CMOS transimpedance amplifier', Electron Lett., vol. 33, no. 7, pp. 588-589, Mar. 1997 https://doi.org/10.1049/el:19970368
  5. C. - W. Kuo, C. -C. Hsiao, S. -CO Yang, and Y. - J Chan, '2 Gbit/s transimpedance amplifier fabricated by 0.35um CMOS technologies', Electron Lett., vol. 37, no.19, pp. 1158-1160, 2001 https://doi.org/10.1049/el:20010797
  6. S. S. Mohan, M. D. M. Hershenson, S. P. Boyd, ？and T. H. Lee, 'Bandwidth extension in CMOS with optimized on-chip inductors', IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 35, no. 3, pp. 346-355, Mar. 2000 https://doi.org/10.1109/4.826816
  7. M. Kossel, C. Menolfi, T. Morf, M. Schmatz, and T. Toifl, 'Wideband CMOS transimpedance amplifier', Electron, Lett., vol. 39, no. 7, pp. 587-588, Apr. 2003 https://doi.org/10.1049/el:20030398
  8. S. M. Park and H. J. Yoo, '1.25-Gb/s Regulated Cascode CMOS Transimpedance Amplifier For Gigabit Ethernet Application', IEEE J. of Solid-State Circuits, Vol. 39, no. 1, pp. 112-121, Jan. 2004 https://doi.org/10.1109/JSSC.2003.820884
  9. 허태관, 조상복, 박성민, '광통신용 다채널 CMOS 전치증폭기 어레이', 대한전자공학회논문지, 제42권 SD편, 8호, 2005
  10. B. Razavi, 'Design of Integrated Circuits for Optical Communications', McGraw-Hill, 2003
  11. S. M. R. Hasan, 'Design of a Low-Power 3.5-GHz Broad-Band CMOS Transimpedance Amplifier for optical Transceivers', IEEE Transactions on circuits and systems, vol. 52, no.6, pp.1061-1072, Jun. 2005 https://doi.org/10.1109/TCSI.2005.849101
  12. B. Analui and A. Hajimiri, 'Multi-pole bandwidth enhancement technique for transimpedance amplifiers', Eurpean Solid-State Circuits Conf, Sep. 2002
  13. A. K. Petersen, K KiziIolu, T. Yoon, F. Williams and M.R. Sandor, 'Front-end CMOS chipset for 10Gb/s communication', IEEE RFIC Symp. Dig., pp.93-96, 2002 https://doi.org/10.1109/RFIC.2002.1011931
  14. R.C.Liu and H. Wang, 'DC-to-15-and DC-to-30GHz CMOS Distributed Transimpedance Amplifiers', IEEE RFIC Symp. Dig., pp.535-538, 2004 https://doi.org/10.1109/RFIC.2004.1320676