Design of CMOS transimpedance amplifiers for remote antenna units in fiber-wireless systems.

La memoria de la tesis doctoral: Diseño de Amplificadores de Transimpedancia para Unidades de Antena Remota en Sistemas Fibra-Inalámbrico, se presenta en la modalidad de compendio de Publicaciones. A continuación, se expone un resumen del contexto, motivation y objetivos de la tesis.A lo largo de las últimas décadas, los avances tecnológicos y el esfuerzo por desarrollar nuevos sistemas de comunicaciones han crecido al ritmo que la demanda de información aumentaba a nivel mundial. Desde la aparición de Internet, el tráfico global de datos ha incrementado de forma exponencial y se han creado infinidad de aplicaciones y contenidos desde entonces.Con la llegada de la fibra óptica se produjo un avance muy significativo en el campo de las comunicaciones, ya que la fibra de vidrio y sus características fueron la clave para crear redes de largo alcance y alta velocidad. Por otro lado, los avances en las tecnologías de fabricación de circuitos integrados y de dispositivos fotónicos de alta velocidad han encabezado el desarrollo de los sistemas de comunicaciones ópticos, logrando incrementar la tasa de transmisión de datos hasta prácticamente alcanzar el ancho de banda de la fibra óptica.Para conseguir una mayor eficiencia en las comunicaciones y aumentar la tasa de transferencia, se necesitan métodos de modulación complejos que aprovechen mejor el ancho de banda disponible. No obstante, esta mayor complejidad de la modulación de los datos requiere sistemas con mejores prestaciones en cuanto a rango dinámico y linealidad. Estos esquemas de modulación se emplean desde hace tiempo en los sistemas de comunicaciones inalámbricos, donde el ancho de banda del canal, el aire, es extremadamente limitado y codiciado.Actualmente, los sistemas inalámbricos se enfrentan a una saturación del espectro que supone un límite a la tasa de transmisión de datos. Pese a los esfuerzos por extender el rango frecuencial a bandas superiores para aumentar el ancho de banda disponible, se espera un enorme aumento tanto en el número de dispositivos, como en la cantidad de datos demandados por usuario.Ante esta situación se han planteado distintas soluciones para superar estas limitaciones y mejorar las prestaciones de los sistemas actuales. Entre estas alternativas están los sistemas mixtos fibra-inalámbrico utilizando sistemas de antenas distribuidas (DAS). Estos sistemas prometen ser una solución económica y muy efectiva para mejorar la accesibilidad de los dispositivos inalámbricos, aumentando la cobertura y la tasa de transferencia de las redes a la vez que disminuyen las interferencias. El despliegue de los DAS tendrá un gran efecto en escenarios tales como edificios densamente poblados, hospitales, aeropuertos o edificios de oficinas, así como en áreas residenciales, donde un gran número de dispositivos requieren una cada vez mayor interconectividad.Dependiendo del modo de transmisión de los datos a través de la fibra, los sistemas mixtos fibra-inalámbrico se pueden categorizar de tres formas distintas: Banda base sobre fibra (BBoF), radiofrecuencia sobre fibra (RFoF) y frecuencia intermedia sobre fibra (IFoF). Actualmente, el esquema BBoF es el más utilizado para transmisiones de larga y media distancia. No obstante, utilizar este esquema en un DAS requiere unidades de antena remota (RAU) complejas y costosas, por lo que no está claro que esta configuración pueda ser viable en aplicaciones de bajo coste que requieran de un gran número de RAUs. Los sistemas RFoF e IFoF presentan esquemas más simples, sin necesidad de integrar un modulador/demodulador, puesto que la señal se procesa en una estación base y no en las propias RAUs.El desarrollo de esta tesis se enmarca en el estudio de los distintos esquemas de DAS. A lo largo de esta tesis se presentan varias propuestas de amplificadores de transimpedancia (TIA) adecuadas para su implementación en cada uno de los tres tipos de RAU existentes. La versatilidad y el amplio campo de aplicación de este circuito integrado, tanto en comunicaciones como en otros ámbitos, han motivado el estudio de la implementación de este bloque específico en las diferentes arquitecturas de RAU y en otros sistemas, tales como un receptor de televisión por cable (CATV) o una interfaz de un microsensor inercial capacitivo.La memoria de tesis se ha dividido en tres capítulos. El Capítulo 1 se ha empleado para introducir el concepto de los DAS, proporcionando el contexto y la motivación del diseño de las RAU, partiendo desde los principios básicos de operación de los dispositivos fotónicos y electrónicos y presentando las distintas arquitecturas de RAU. El Capítulo 2 supone el núcleo principal de la tesis. En este capítulo se presenta el estudio y diseño de los diferentes TIAs, que han sido optimizados respectivamente para cada una de las configuraciones de RAU, así como para otras aplicaciones. En un tercer capítulo se recogen los resultados más relevantes y se exponen las conclusiones de este trabajo.Tras llevar a cabo la descripción y comparación de las topologías existentes de TIA, se ha llegado a las siguientes conclusiones, las cuales nos llevan a elegir la topología shunt-feedback como la más adecuada para el diseño: - El compromiso entre ancho de banda, transimpedancia, consumo de potencia y ruido es menos restrictivo en los TIAs de lazo cerrado. - Los TIAs de lazo cerrado tienen un mayor número de grados de libertad para acometer su diseño. - Esta topología presenta una mejor linealidad gracias al lazo de realimentación. Si la respuesta frecuencial del núcleo del amplificador se ajusta de manera adecuada, el TIA shunt-feedback puede presentar una respuesta frecuencial plana y estable.En esta tesis, se ha propuesto una nueva técnica de reducción de ruido, aplicable en receptores ópticos con fotodiodos con un área activa grande (~1mm2). Esta estrategia, que se ha llamado la técnica del fotodiodo troceado, consiste en la fabricación del fotodiodo, no como una estructura única, sino como un array de N sub-fotodiodos, que ocuparían la misma área activa que el original. Las principales conclusiones tras hacer un estudio teórico y realizar un estudio de su aplicación en una de las topologías de TIA propuestas son: - El ruido equivalente a la entrada es menor cuanto mayor es el número de sub-fotodiodos, dado que la contribución al ruido que depende con el cuadrado de la frecuencia (f^2) decrece con una dependencia proporcional a N. - Con una aplicación simple de la técnica, replicando el amplificador de tensión del TIA N veces y utilizando N resistencias de realimentación, cada una con un valor N veces el original, la sensibilidad del receptor aumenta aproximadamente en un factor √N y la estabilidad del sistema no se ve afectada. - Al dividir el fotodiodo en N sub-fotodiodos, la capacidad parásita de cada uno de ellos es N veces menor a la original. Con esta nueva capacidad parásita, el diseño del TIA se puede optimizar, consiguiendo una sensibilidad mucho mejor que con un único fotodiodo para el mismo valor de consumo de potencia.Las principales conclusiones respecto a los diseños de los distintos TIAs para comunicaciones son las siguientes: TIA para BBoF: - El TIA propuesto, alcanza, con un consumo de tan solo 2.9 mW, un ancho de banda de 1 GHz y una sensibilidad de -11 dBm, superando las características de trabajos anteriores en condiciones similares (capacidad del fotodiodo, tecnología y tasa de transmisión). - La técnica del fotodiodo troceado se ha aplicado a este circuito, consiguiendo una mejora de hasta 7.9 dBm en la sensibilidad para un diseño optimizado de 16 sub-fotodiodos, demostrando, en una simulación a nivel de transistor, que la técnica propuesta funciona correctamente. TIA para RFoF: - El diseño propuesto logra una figura de mérito superior a la de trabajos previos, gracias a la combinación de su bajo consumo de potencia y su mayor transimpedancia. - Además, mientras que en la mayoría de trabajos previos no se integra un control de ganancia en el TIA, esta propuesta presenta una transimpedancia controlable desde 45 hasta 65 dBΩ. A través de un sistema de control simultáneo de la transimpedancia y de la ganancia en lazo abierto del amplificador de voltaje, se consigue garantizar una respuesta frecuencial plana y estable en todos los estados de transimpedancia, que le otorga al diseño una superior versatilidad y flexibilidad. TIA para CATV: - Se ha adaptado una versión del TIA para RFoF para demostrar la capacidad de adaptación de esta estructura en una implementación en un receptor CATV con un rango de control de transimpedancia de 18 dB. - Con la implementación del control de ganancia en el TIA, no es necesario el uso de un atenuador variable en el receptor, simplificando así el número de etapas del mismo. - Gracias al control de transimpedancia, el TIA logra rangos de entrada similares a los publicados en trabajos anteriores basados en una tecnología mucho menos accesible como GaAs PHEMT. TIA para IFoF Se ha fabricado un chip en una tecnología CMOS de 65 nm que opera a 1.2 V de tensión de alimentación y se ha realizado su caracterización eléctrica y óptica. - El TIA presenta una programabilidad de su transimpedancia con un control lineal en dB entre 60 y 76 dBΩ mediante un código termómetro de 4 bits. - El ancho de banda se mantiene casi constante en todo el rango de transimpedancia, entre 500 y 600 MHz.Como conclusión general tras comparar el funcionamiento de los TIAs para las distintas configuraciones de RAU, vale la pena mencionar que el TIA para IFoF consigue una figura de mérito muy superior a la de otros trabajos previos diseñados para RFoF. Esto se debe principalmente a la mayor transimpedancia y al muy bajo consumo de potencia del TIA para IFoF propuesto. Además, se consigue una mejor linealidad, ya que, para una transmisión de 54 Mb/s con el estándar 802.11a, se consigue un EVM menor de 2 % en un rango de entrada de 10 dB, comparado con los entre 3 y 5 dB reportados en trabajos previos. El esquema IFoF presenta un gran potencial y ventajas frente al RFoF, lo que lo coloca como una buena alternativa para disminuir los costes y mejorar el rendimiento de los sistemas de antenas distribuidas.Por último, cabe destacar que el diseño de TIA propuesto y fabricado para IFoF contribuye en gran medida al desarrollo y validación de una RAU completa. Se ha demostrado la capacidad de la estructura propuesta para alcanzar un bajo ruido, alta linealidad, simplicidad en la programabilidad de la transimpedancia y adaptabilidad de la topología para diferentes requisitos, lo cual es de un gran interés en el diseño de receptores ópticos.Por otra parte, una versión del TIA para su uso en una interfaz de sensores MEMS capacitivos se ha propuesto y estudiado. Consiste en un convertidor capacidad-voltaje basado en una versión del TIA para RFoF, con el objetivo de conseguir un menor ruido y proveer de una adaptabilidad para diferentes sensores capacitivos. Los resultados más significativos y las conclusiones de este diseño se resumen a continuación: - El TIA presenta un control de transimpedancia con un rango de 34 dB manteniendo el ancho de banda constante en 1.2 MHz. También presenta un control independiente del ancho de banda, desde 75 kHz hasta 1.2 MHz, manteniendo la transimpedancia fija en un valor máximo. - Con un consumo de potencia de tan solo 54 μW, el TIA alcanza una sensibilidad máxima de 1 mV/fF, que corresponde a una sensibilidad de 4.2 mV/g y presenta un ruido de entrada de tan solo 100 µg/√("Hz" ) a 50 kHz en la configuración de máxima transimpedancia.La principal conclusión que destaca de este diseño es su versatilidad y flexibilidad. El diseño propuesto permite adaptar fácilmente la respuesta de la interfaz a una amplia gama de dispositivos sensores, ya que se puede ajustar el ancho de banda para ajustarse a distintas frecuencias de operación, así como la transimpedancia puede ser modificada para conseguir distintas sensibilidades. Este doble control independiente de ancho de banda y transimpedancia le proporcionan una adaptabilidad completa al TIA.<br /

Design and experimental verification of a transimpedance amplifier for 64-Gb/s PAM-4 optical links

The use of four-level pulse-amplitude modulation (PAM-4) has emerged as a solution to increase the serial rate in short-range optical links, offering twice the data throughput but requiring similar bandwidth as on-off keying. However, the receiver design should take into account the increased susceptibility of PAM-4 to noise, intersymbol interference, and nonlinearity. This papers explores these challenges, and details the design of a transimpedance amplifier (TIA) for 64-Gb/s PAM-4 optical links. The TIA was implemented in 0.13-mu m SiGe BiCMOS, and has a power consumption of 180 mW. It contains a digital gain controller, which allows switching between four gain modes, to tradeoff sensitivity against linearity. Bit error rate (BER) measurements show that the dynamic range is significantly extended: Optical modulation amplitudes between -7 dBm and at least -0.2 dBm yield a BER lower than 10(-3)

Modelling, Analysis and Design of Optimised Electronic Circuits for Visible Light Communication Systems

This thesis explores new circuit design techniques and topologies to extend the bandwidth of visible light communication (VLC) transmitters and receivers, by ameliorating the bandwidth-limiting effects of commonly used optoelectronic devices. The thesis contains detailed literature review of transmitter and receiver designs, which inspired two directions of work. The first proposes new designs of optically lossless light emitting diode (LED) bandwidth extension technique that utilises a negative capacitance circuit to offset the diode’s bandwidth-limiting capacitance. The negative capacitance circuit was studied and verified through newly developed mathematical analysis, modelling and experimental demonstration. The bandwidth advantage of the proposed technique was demonstrated through measurements in conjunction with several colour LEDs, demonstrating up to 500% bandwidth extension with no loss of optical power. The second direction of work enhances the bandwidth of VLC receivers through new designs of ultra-low input impedance transimpedance amplifiers (TIAs), designed to be insensitive to the high photodiode capacitances (Cpd) of large area detectors. Moreover, the thesis proposes a new circuit, which modifies the traditional regulated cascode (RGC) circuit to enhance its bandwidth and gain. The modified RGC amplifier efficiently treats significant RGC inherent bandwidth limitations and is shown, through mathematical analysis, modelling and experimental measurements to extend the bandwidth further by up to 200%. The bandwidth advantage of such receivers was demonstrated in measurements, using several large area photodiodes of area up to 600 mm^2, resulting in a substantial bandwidth improvement of up to 1000%, relative to a standard 50 Ω termination. An inherent limitation of large area photodiodes, associated with internal resistive elements, was identified and ameliorated, through the design of negative resistance circuits. Altogether, this research resulted in a set of design methods and practical circuits, which will hopefully contribute to wider adoption of VLC systems and may be applied in areas beyond VLC

Techniques for signal to noise ratio adaptation in infared optical wireless for optimisation of receiver performance

The challenge of creating a new environment of links for wireless infrared and optical local area networks (LANs) is driving new innovations in the design of optical transceivers. This thesis is concerned with a systematic approach to the design of receivers for indoor optical wireless communication. In particular, it is concerned with how to offer bandwidth adjustment capability in a receiver according to the dynamic service quality of the incoming signals. Another part of the discussion of the thesis is how one can properly choose the front-end preamplifier and biasing circuitry for the photodetector. Also, comparison is made between different types of amplifier, and the methods of bandwidth enhancement. The designs of six different techniques of integrating transimpedance amplifiers, with photodetectors to adapt an adjustable bandwidth control receiver are discussed. The proposed topologies provide an adjustable range of bandwidths for different frequency ranges, typically between 52Hz to 115MHz. The composite technique designs were used to incorporate into a system with an automatic gain control to study its effect, on an optical wireless receiver which had bandwidth adjustment and automatic gain adjustment. Theoretical analysis of noise performance for all the designed circuits is also presented. The theory and design of obstacles of indoor optical wireless receiver delivery, in addition to techniques for mitigating these effects, are discussed. This shows that infrared is a viable alternative to ratio for certain applications

An integrated CMOS optical receiver with clock and data recovery Circuit

Traditional implementations of optical receivers are designed to operate with external photodetectors or require integration in a hybrid technology. By integrating a CMOS photodetector monolithically with an optical receiver, it can lead to the advantage of speed performance and cost. This dissertation describes the implementation of a photodetector in CMOS technology and the design of an optical receiver front-end and a clock and data recovery system. The CMOS detector converts the light input into an electrical signal, which is then amplified by the receiver front-end. The recovery system subsequently processes the amplified signal to extract the clock signal and retime the data. An inductive peaking methodology has been used extensively in the front-end. It allows the accomplishment of a necessary gain to compensate for an underperformed responsivity from the photodetector. The recovery circuits based on a nonlinear circuit technique were designed to detect the timing information contained in the data input. The clock and data recovery system consists of two units viz. a frequency-locked loop and a phase-locked loop. The frequency-locked loop adjusts the oscillator’s frequency to the vicinity of data rate before phase locking takes place. The phase-locked loop detects the relative locations between the data transition and the clock edge. It then synchronises the input data to the clock signal generated by the oscillator. A system level simulation was performed and it was found to function correctly and to comply with the gigabit fibre channel specification.Dissertation (MEng (Micro-Electronics))--University of Pretoria, 2007.Electrical, Electronic and Computer Engineeringunrestricte

Bandwidth Enhancement Techniques For Cmos Transimpedance Amplifier

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016Thesis (PhD) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2016CMOS Transferempedans Kuvvetlendiricinin bandgenis¸lig˘ i bas¸arımını gelis¸tirmeye yönelik teknikler haberles¸me teknolojisinde ve uygulamalarında ortaya çıkan hızlı gelis¸meler ve uygulamalar verilere hızlı eris¸im avantajı yanında hızlı hesaplama ve haberles¸me tekniklerine imkan veren bir bilgi çag˘ ını ortaya çıkarmıs¸tır. Sürekli artan hızlı bilgi transferi ihtiyacı, hızlı elemanların ve tümdevrelerin tasarımına yönelik aras¸tırmalara liderlik eden optik haberles¸me teknig˘ ini dog˘ urmus¸tur. Veri iletimi için mevcut ortamlar arasında optik fiber yapıları en iyi bas¸arımı sunmaktadır. Günümüzde optik fiberler çok yog˘ un sayısal veri transferinde genis¸ kullanım alanı bulmaktadır. Yog˘ un veri aktarımı kilometrelerce uzunlukta optik fiberler üzerinde önemli bir kayıp olmaksızın yapılabilmektedir. Normal s¸artlarda, is¸aret aktarımının ıs¸ık ile yapılması durumunda ortaya çıkan kayıp elektriksel yolla yapılan aktarıma gore daha düs¸üktür. Optik fiberler genel bas¸arımı iyiles¸tirmenin yanında düs¸ük maliyet avantajını da sunmaktadır. En yüksek teknolojilerde, optik fiber elemanları ve sistemleri çok yog˘ un veri aktarımı amacıyla kullanılmaktadır. Sonuç olarak optik fiber teknolojisi düs¸ük kayıpla çok yog˘ un veri aktarımını az maliyetle sunabilen bir teknoloji olarak günümüzde çok önemli bir konuma sahiptir. Genel olarak, optik haberles¸me sistemlerinde kullanılan analog devreler Galyum Arsenik (GaAs) veya Indiyum Fosfid (InP) teknolojileri ile üretilmektedir. Bu prosesler yüksek hızlı devreler için olus¸turulmakta olup optik haberles¸me sistemlerinin ihtiyaç duydug˘ u yüksek band genis¸lig˘ ine sahip devreleri üretmek için genellikle tek alternatif olarak kars¸ımıza çıkmaktadırlar. Bununla birlikte, CMOS proseslerinde ortaya çıkan hızlı gelis¸meler sayesinde daha yüksek bas¸arımlara sahip analog devreleri CMOS proses kullanarak tasarlama ve gerçekles¸tirme imkanları gittikçe artmaktadır. CMOS prosesin tercih edilmesine sebep olan en önemli avantaj maliyetlerde ortaya çıkan büyük düs¸üs¸tür. CMOS proseslerin maliyetinin düs¸ük olmasının sebebi, büyük alan kullanımı gerektiren sayısal devre gerçekles¸tirmelerinde çok genis¸ bir kullanıma sahip olmasıdır. CMOS prosesin dig˘ er bir avantajı sayısal ve analog devrelerin aynı taban üzerinde gerçekles¸tirilmesine imkan vermesidir. Transferempedans kuvvetlendirici (TIA) optik haberles¸me alıcılarındaki ilk blok olup giris¸indeki akımı çıkıs¸ında gerilime dönüs¸türmektedir. Tipik bir TIA’nın önemli bas¸arım ihtiyaçları genis¸ bandgenis¸lig˘ i, yüksek transferempedans kazancı, düs¸ük gürültü, düs¸ük güç tüketimi ve küçük grup geçikme deg˘ is¸im aralıg˘ ıdır. Nano teknolojilerdeki güncel gelis¸meler, optik alıcıların giris¸ katı uygulamalarında gerekli kolay bir s¸ekilde elde edilemeyen bas¸arımları sag˘ layabilen CMOS Transfer- empedans Kuvvetlendiricinin (TIA) tasarımını ekonomik hale getirmis¸tir. TIA tasarımında dikkat edilmesi gereken iki önemli mesele bandgenis¸lig˘ i ve giris¸ hassasiyetidir. TIA’nın bandgenis¸lig˘ i genellikle giris¸teki parasitic kapasite tarafından sınırlanmaktadır. TIA’nın bandgenis¸lig˘ i fotodiyot kapasitesi, transistor giris¸ kapasitesi ve transistor giris¸ direncinin belirledig˘ i RC zaman sabiti ile bulunabilir. Giris¸ hassasiyeti ise TIA’nın giris¸ gürültü akımından etkilenmektedir. Bundan dolayı TIA’nın bandgenis¸lig˘ i ve giris¸ is¸areti hassasiyeti bas¸arımlarını optimum bir s¸ekilde temin eden uygun devre topolojisinin belirlenmesi önemli bir meseledir. Bu tez, CMOS teknolojisi kullanan Transferempedans Kuvvetlendiricinin band- genis¸lig˘ i bas¸arımını gelis¸tirmeye yönelik yeni teknikler sunan bir çalıs¸madır. CMOS TIA’nın bandgenis¸lig˘ i bas¸arımını iyiles¸tirmeye yönelik farklı yaklas¸ımlar tez içerisinde gösterilmektedir. Bundan bas¸ka, bu çalıs¸ma transferempedansı kuvvetlendiricinin analizini ve tasarımını tam olarak anlamak için gerekli altyapı bilgisini de sunmaktadır. Bu tezde, sistemle devre tasarımı arasındaki bos¸lug˘ u doldurmak için s¸unlar yapılmıs¸tır: - Band genis¸lig˘ i bas¸arımının arttırılmasının matematiksel analizlerle anlas¸ılması. - Gerçekles¸tirilebilir yeni devre yapılarının tanıtılması. - Teklif edilen tasarımların CMOS teknolojisiyle gerçekles¸tirilebilirlig˘ inin kapsamlı ve detaylı simülasyonlar kullanılarak gösterilmesi. Sunulan yeni devre yapılarının ilki olarak, negatif empedans devresinin bandgenis¸lig˘ i artıs¸ı için kullanılabileceg˘ i bu tezde gösterilmis¸ olup bu teknik bu tezde TIA’nın çıkıs¸ kutpu için uygulanmaktadır. Bandgenis¸lig˘ i, kazancı (gmRout) arttırarak ve çıkıs¸ta aynı zaman sabiti korunarak arttırılabilir. Çıkıs¸ direnci arttırılarak kazanç (A) yükseltilebilir. Çıkıs¸ direnci çıkıs¸a uygulanacak bir negative direnç devresi ile arttırılabilir. Çıkıs¸ta aynı zaman sabitini korumak için ise negatif kapasite devresi kullanılabilir. Daha yüksek kazanç deg˘ eri (A) rezistif geribesleme sayesinde giris¸ direncini azaltarak giris¸ kutbunun yükselmesini sag˘ lamaktadır. Sonuç olarak, bandgenis¸lig˘ i bas¸arımında bir iyiles¸tirme elde edilebilmektedir. Teklif edilen topoloji ile 7GHz bandgenis¸lig˘ ine ve 54.3dB’lik kazanca sahip bir TIA tasarlanmıs¸tır. Teklif edilen TIA’nın 1.8V’luk besleme kaynag˘ ından çektig˘ i toplam güç 29mW’tır. Teklif edilen TIA’nın 0.18um CMOS proses ile post-serimi yapılmıs¸tır. Benzetimle elde edilmis¸ giris¸ gürültü akım yog˘ unlug˘ u 5.9pA/ Hz olup kapladıg˘ ı alan 230umX45um olmus¸tur. Tezde bir sonraki çalıs¸mada es¸les¸tirme teknig˘ i kullanılarak genis¸ bantlı bs¸r TIA tasarlanmıs¸tır. Giris¸te seri empedans es¸les¸tirme teknig˘ i ve çıkıs¸ta T tipi es¸les¸tirme yapısı birlikte kullanılarak TIA’nın bandgenis¸lig˘ i bas¸arımının iyi bir düzeyde iyiles¸tirilebileceg˘ i gösterilmis¸tir. Bu yaklas¸ım 0.18um CMOS teknolojisi ile yapılmıs¸ bir tasarım örneg˘ i ile desteklenmis¸tir. Post serim sonuçları 50fF’lık bir fotodiyot kapasitesi için 20GHz’lik bandgenis¸lig˘ i, 52.6dB’lik transferdirenci kazancı, 8.7pA/ Hz ‘lik giris¸ gürültü akımı ve 3pS’den daha az grup geçikmesi bas¸arımılarını vermis¸tir. Bu TIA uygulaması 1.8V’luk besleme kaynag˘ ından 1.3mW güç çekmis¸tir. Tezin üçüncü as¸amasında TIA band genis¸lig˘ i bas¸arımını arttırmaya yönelik bas¸ka bir yapı sunulmaktadır. Bu yapı, literatürde bilinen regule edilmis¸ ortak geçitli mimari ile birlikte farklı rezonans frekanslarına sahip iki rezonans devresinin paralel kullanımını içermektedir. Teklif edilen TIA devresinde, kapasite dejenarasyon ve seri endüktif tepe teknikleri kutup-sıfır kompanzasyonu için kullanılmıs¸tır. 100fF’lık fotodiyot kapasitesine sahip bir TIA 0.18um CMOS prosesi ili tasarlanmıs¸tır. Post-serim sonuçları 13GHz’lik bandgenis¸lig˘ i, 53dB’lik transferdirenci kazancı, 24pA/ Hz ‘lik xxvi giris¸ gürültü akımı ve 5pS’den daha az grup geçikmesi bas¸arımılarını vermis¸tir. Bu TIA uygulaması 1.8V’luk besleme kaynag˘ ından 11mW güç çekmis¸tir. Tezin dördüncü as¸amasında, regule edilmis¸ ortak geçitli mimari kullanan TIA’nın bandgenis¸lig˘ i bas¸arımını arttırmaya yönelik bir teknik tanıtılmıs¸tır. Bu teknik, resistif kompanzasyon teknig˘ ini ve merdiven es¸les¸tirme yapısını bir kaskod akım kaynag˘ ı ile birlikte kullanmaya dayanmaktadır. Bu yapının bas¸arımını göstermek amacıyla, 0.18um CMOS prosesi ile bir tasarım yapılmıs¸tır. Post-serim sonuçları 8.4GHz’lik bandgenis¸lig˘ i, 51.3dB’lik transferdirenci kazancı, 20pA/ Hz ‘lik giris¸ gürültü akımı ve 4pS’den daha az grup geçikmesi bas¸arımılarını vermis¸tir. Bu TIA uygulaması 1.8V’luk besleme kaynag˘ ından 17.8mW güç çekmis¸tir. Tezin son as¸amasında, tezde sunulan teknikler ve yapıların kendi aralarında kars¸ılas¸tırılması verilmektedir. Kars¸ılas¸tırma öncelikli olarak band genis¸lig˘ i, transferempedansı kazancı, gürültü, güç tüketimi, grup geçikme deg˘ is¸im aralıg˘ ı ve kapladıg˘ ı alan için yapılmaktadır. Bunlara ek olarak, sunulan yapıların kullandıg˘ ı tekniklerin avantajlı yanları ile birlikte (kararlılık üzerinde olus¸abilecek negatif etkiler gibi) dezavantajlı tarafları da tezin son as¸amasında verilmektedir. Tezin son as¸amasında yapılan kars¸ılas¸tırmalar, en iyi bant genis¸lig˘ i bas¸arımının es¸les¸tirme teknig˘ ini kullanan yapıdan elde edildig˘ ini göstermektedir. Bununla birlikte dig˘ er yapıların da band genis¸lig˘ i bas¸arımı üzerinde önemli iyiles¸tirmeler yaptıg˘ ı ortaya konulmaktadır. Gürültü açısından ise en yüksek bas¸arımın negatif empedans teknig˘ ini kullanan yapıda elde edildig˘ i görülmektedir. Bu yapı aynı zamanda düs¸ük alan kullanımı imkanı da sunmaktadır. Tezde sunulan dig˘ er iki yapı ise özellikle yüksek deg˘ erli fotodiyot kapasiteleri için incelenmis¸ olup band genis¸lig˘ i bas¸arımı üzerinde önemli iyiles¸tirmeler yaptıkları gösterilmektedir. Sonuç olarak, bu tezde transferempedans kuvvetlendiricinin bandgenis¸lig˘ i bas¸arımını iyiles¸tiren farklı teknikler sunulmakta olup bu teknikler ayrıntılı ve kars¸ılas¸tırmalı olarak incelenmektedir. Tezde verilen sonuçlar sunulan yeni tekniklerin bas¸arımlarının yüksek oldug˘ unu ve literature yeni ve güçlü alternatfiler sunuldug˘ unu göstermektedir. Tezde sunulan yaklas¸ımların ve tekniklerin gelecekte yapılacak benzer aras¸tırmalara hem yardımcı olacak hem de referans olacak nitelikte oldug˘ u düs¸ünülmektedir.The accelerated development of integrated systems in the communication technology and their application are among the significant technologies that have developed the information era by empowering high-speed computation and communication technique besides high-speed access to stored data. The continuous growth demand for high-speed transport of information has rekindled optical communications, leading to derived research on high-speed device and integrated circuit design. Among the available medium to transfer the data, optical fibers have the best performance. Optical fibers are very common these days to transport very high rate digital data. Such high speed data rates can be transported over kilometers of optical fiber and without significant loss. Normally loss is very low when the signal is transmitted using light rather than electrical signal. These fibers also have the advantage of being low cost in addition to improvement of performance. In state-of-the-art technology, fiber optic devices and systems are evidently employed to realize very high data rates. Fiber optic communication is a solution because high data rates can be transmitted through this high capacity cable with high performance. Traditionally, analog circuits used in optical communication systems are implemented using Gallium Arsenide (GaAs) or Indium Phosphide (InP) technologies. These processes are designed for high speed circuits, and have been traditionally the only technologies able to produce the high bandwidth circuits required in optical communication systems. However, due to the aggressive scaling of the CMOS process, it is now becoming possible to design high performance analog circuits in CMOS. The primary advantage of moving to a CMOS process is a dramatic reduction in cost due to its widespread use in high volume digital circuits. Another advantage of using CMOS is its ability to integrate digital and analog circuits onto the same substrate. Transimpedance amplifier (TIAs) is the first building block in the optical communication receiver that converts the small signal current to a corresponding output voltage signal. The important requirements of a typical TIA are large bandwidth, high transimpedance gain, low noise, low power consumption, and small group delay variation. Current developments in nanoscale technologies made it economically feasible to design CMOS transimpedance amplifier (TIA) that satisfies the stringent performances necessary for the front-end optical transceivers applications such as low power, low cost and high integration which offers the most economical solution in the consumer application market. In designing of TIA, the two major factors that must be considered are the bandwidth and the input sensitivity. The bandwidth of TIA is usually limited by the parasitic capacitance at the input stage, and it can be calculated by its RC time constant contributed by photodiode capacitance, parasitic capacitance and input resistance of the amplifier. The sensitivity is affected by the input current noise of the TIA. Therefore it is challenge to choose the suitable circuit topology that provides an optimal trade-off between bandwidth and input signal sensitivity for TIA. This thesis is an attempt toward providing novel techniques to extend the bandwidth of the transimpedance amplifier using CMOS technology. Different approaches used to improve the bandwidth of CMOS TIAs are covered. Moreover, this research provides the necessary background knowledge to fully understand the analysis and design of the transimpedance amplifier (TIA). Bridging the gap between system and circuit design is done by: Understanding the bandwidth expansion by mathematical analysis. Introducing new circuit architectures that can be realized. Demonstrating implementation of the proposed designs using extensive simulations in CMOS technology. It is shown in this thesis that, using a negative impedance NI circuit can be used for bandwidth extension. In our application, the negative impedance is incorporated into the output pole of TIA. The bandwidth can be improved by increasing the gain (A = gmRout ) and by maintaining the same time constant at the output pole. A better gain A can be obtained if the output resistance Rout is increased. Increasing Rout can be done by placing a negative resistance RIN in parallel with the output resistance Rout . In order to maintain the same time constant at the output node, a negative capacitance can be used. It have been reported that, the shunt feedback architecture is used to improve the bandwidth of TIA. Increasing the gain A effectively decreases the input resistance and hence increase the frequency of the input pole due to feedback. As a result, an improvement of the bandwidth can be obtained. Using the proposed topology, a wide band transimpedance amplifier with a bandwidth of 7 GH z and transimpedance gain of 54.3 dBΩ is achieved. The total power consumption of the proposed TIA from the 1.8 V power supply is 29 mW . The TIA is designed in 0.18 µ m CMOS technology. The simulated input referred noise current spectral density is 5.9 pA/√H z and the TIA occupies 230µ m × 45µ m of area. Furthermore, a wide band TIA is designed using the matching technique. It is shown that by simultaneously using of series input matching topology and T-output matching network, the bandwidth of the TIA can be obviously improved. This methodology is supported by a design example in a 0.18 µ m CMOS technology. The post layout simulation results show a bandwidth of 20 GH z with 50 f F photodiode capacitance, a transimpedance gain of 52.6 dBΩ, 11 pA/√H z input referred noise and group delay less than 8.3 ps. The TIA dissipates 1.3 mW from a 1.8 V supply voltage. In addition, a new design possessing to extend the bandwidth of the TIA is presented. This TIA employs a parallel combination of two series resonate circuits with different resonate frequencies on the conventional regulated common gate (RGC) architecture. In the proposed TIA, a capacitance degeneration and series inductive peaking technique are used for pole-zero elimination. The TIA is implemented in a 0.18 µ m CMOS process, where a 100 f F photodiode is considered. The post layout simulation results show a transimpedance gain of 53 dBΩ transimpedance gain along with a 13 GH z bandwidth. The designed TIA consumes 11 mW from a 1.8 V supply, and its group-delay variation is 5 ps with 24 pA/√H z input referred noise. xxii In the last phase of the work, a technique to enhance the bandwidth of the regulated common gate (RCG) transimpedance amplifier is described. The technique is based on using a cascode current mirror with resistive compensation technique and a ladder matching network. In order to verify the operation and the performance of the proposed technique, a CMOS design example is designed using the 0.18µ m CMOS process technology. The post layout simulation results show that, the proposed TIA achieved a bandwidth of 8.4 GH z, a transimpedance gain of 51.3 dBΩ and input referred noise current spectral density of 20 pA/√H z. The average group-delay variation is 4 ps over the bandwidth and the TIA consumes 17.8 mW from a 1.8 V supply. To sum up, this thesis focuses on various design techniques of transimpedance amplifier (TIA) that improves the bandwidth performance. We believe that, our approaches and techniques exhibit a path which other future researchers can follow and as well refer to as their researching domain and also could be used in their research applications.DoktoraPh

Distributed Circuit Analysis and Design for Ultra-wideband Communication and sub-mm Wave Applications

This thesis explores research into new distributed circuit design techniques and topologies, developed to extend the bandwidth of amplifiers operating in the mm and sub-mm wave regimes, and in optical and visible light communication systems. Theoretical, mathematical modelling and simulation-based studies are presented, with detailed designs of new circuits based on distributed amplifier (DA) principles, and constructed using a double heterojunction bipolar transistor (DHBT) indium phosphide (InP) process with fT =fmax of 350/600 GHz. A single stage DA (SSDA) with bandwidth of 345 GHz and 8 dB gain, based on novel techniques developed in this work, shows 140% bandwidth improvement over the conventional DA design. Furthermore, the matrix-single stage DA (M-SSDA) is proposed for higher gain than both the conventional DA and matrix amplifier. A two-tier M-SSDA with 14 dB gain at 300 GHz bandwidth, and a three-tier M-SSDA with a gain of 20 dB at 324 GHz bandwidth, based on a cascode gain cell and optimized for bandwidth and gain flatness, are presented based on full foundry simulation tests. Analytical and simulation-based studies of the noise performance peculiarities of the SSDA and its multiplicative derivatives are also presented. The newly proposed circuits are fabricated as monolithic microwave integrated circuits (MMICs), with measurements showing 7.1 dB gain and 200 GHz bandwidth for the SSDA and 12 dB gain at 170 GHz bandwidth for the three-tier M-SSDA. Details of layout, fabrication and testing; and discussion of performance limiting factors and layout optimization considerations are presented. Drawing on the concept of artificial transmission line synthesis in distributed amplification, a new technique to achieve up to three-fold improvement in the modulation bandwidth of light emitting diodes (LEDs) for visible light communication (VLC) is introduced. The thesis also describes the design and application of analogue pre-emphasis to improve signal-to-noise ratio in bandwidth limited optical transceivers