Design techniques for high performance optical wireless front-ends

Wireless optical networks usually have demanding specifications in terms of bandwidth, dynamic range and sensitivity. The front-end is a critical element for the fulfillment of these demands. This paper discusses several design aspects of front-ends for optical wireless communications, covering techniques for achieving high gains, high input dynamic ranges, improving noise performance, and reducing electromagnetic interference (EMI). The paper further presents some experimental results of many of the techniques here described. The cumulative usage of those techniques significantly increases system performance, in terms of sensitivity, power and bandwidth even with low cost, CMOS technologies

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 /

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

On-Chip Integrated Functional Near Infra-Red Spectroscopy (fNIRS) Photoreceiver for Portable Brain Imaging

RÉSUMÉ L'imagerie cérébrale fonctionnelle utilisant la Spectroscopie Fonctionnelle Proche-Infrarouge (SFPI) propose un outil portatif et non invasif de surveillance de l'oxygénation du sang. SFPI est une technique de haute résolution temporelle non invasive, sûr, peu intrusive en temps réel et pour l'imagerie cérébrale à long terme. Il permet de détecter des signaux hémodynamiques à la fois rapides et neuronaux ou lents. Outre les avantages importants des systèmes SFPI, ils souffrent encore de quelques inconvénients, notamment d’une faible résolution spatiale, d’un bruit de niveau modérément élevé et d’une grande sensibilité au mouvement. Afin de surmonter les limites des systèmes actuellement disponibles de SFPI non-portables, dans cette thèse, nous en avons introduit une nouvelle de faible puissance, miniaturisée sur une puce photodétecteur frontal destinée à des systèmes de SFPI portables. Elle contient du silicium photodiode à avalanche (SiAPD), un amplificateur de transimpédance (TIA), et « Quench-Reset », circuits mis en oeuvre en utilisant les technologies CMOS standards pour fonctionner dans les deux modes : linéaire et Geiger. Ainsi, elle peut être appliquée pour les deux fNIRS : en onde continue (CW- SFPI) et pour des applications de comptage de photon unique. Plusieurs SiAPDs ont été mises en oeuvre dans de nouvelles structures et formes (rectangulaires, octogonales, double APDs, imbriquées, netted, quadratiques et hexadecagonal) en utilisant différentes techniques de prévention de la dégradation de bord prématurée. Les principales caractéristiques des SiAPDs sont validées et l'impact de chaque paramètre ainsi que les simulateurs de l'appareil (TCAD, COMSOL, etc) ont été étudiés sur la base de la simulation et de mesure des résultats. Proposées SiAPDs techniques d'exposition avec un gain de grande avalanche, tension faible ventilation et une grande efficacité de détection des photons dans plus de faibles taux de comptage sombres. Trois nouveaux produits à haut gain, bande passante (GBW) et à faible bruit TIA sont introduits basés sur le concept de gain distribué, d’amplificateur logarithmique et sur le rejet automatique du bruit pour être appliqué en mode de fonctionnement linéaire. Le TIA proposé offre une faible consommation, un gain de haute transimpédance, une bande passante ajustable et un très faible bruit d'entrée et de sortie. Le nouveau circuit mixte trempe-reset (MQC) et un MQC contrôlable (CMQC) frontaux offrent une faible puissance, une haute vitesse de comptage de photons avec un commandable de temps de hold-off et temps de réinitialiser. La première intégration sur puce de SiAPDs avec TIA et Photon circuit de comptage a été démontrée et montre une amélioration de l'efficacité de la photodétection, spécialement en ce qui concerne la sensibilité, la consommation d'énergie et le rapport signal sur bruit.----------ABSTRACT Optical brain imaging using functional near infra-red spectroscopy (fNIRS) offers a direct and noninvasive tool for monitoring of blood oxygenation. fNIRS is a noninvasive, safe, minimally intrusive, and high temporal-resolution technique for real-time and long-term brain imaging. It allows detecting both fast-neuronal and slow-hemodynamic signals. Besides the significant advantages of fNIRS systems, they still suffer from few drawbacks including low spatial- resolution, moderately high-level noise and high-sensitivity to movement. In order to overcome the limitations of currently available non-portable fNIRS systems, we have introduced a new low-power, miniaturized on-chip photodetector front-end intended for portable fNIRS systems. It includes silicon avalanche photodiode (SiAPD), Transimpedance amplifier (TIA), and Quench- Reset circuitry implemented using standard CMOS technologies to operate in both linear and Geiger modes. So it can be applied for both continuous-wave fNIRS (CW-fNIRS) and also single-photon counting applications. Several SiAPDs have been implemented in novel structures and shapes (Rectangular, Octagonal, Dual, Nested, Netted, Quadratic and Hexadecagonal) using different premature edge breakdown prevention techniques. The main characteristics of the SiAPDs are validated and the impact of each parameter and the device simulators (TCAD, COMSOL, etc.) have been studied based on the simulation and measurement results. Proposed techniques exhibit SiAPDs with high avalanche-gain (up to 119), low breakdown-voltage (around 12V) and high photon-detection efficiency (up to 72% in NIR region) in additional to a low dark- count rate (down to 30Hz at 1V excess bias voltage). Three new high gain-bandwidth product (GBW) and low-noise TIAs are introduced and implemented based on distributed-gain concept, logarithmic-amplification and automatic noise-rejection and have been applied in linear-mode of operation. The implemented TIAs offer a power-consumption around 0.4 mW, transimpedance gain of 169 dBΩ, and input-output current/voltage noises in fA/pV range accompanied with ability to tune the gain, bandwidth and power-consumption in a wide range. The implemented mixed quench-reset circuit (MQC) and controllable MQC (CMQC) front-ends offer a quenchtime of 10ns, a maximum power-consumption of 0.4 mW, with a controllable hold-off and resettimes. The on-chip integration of SiAPDs with TIA and photon-counting circuitries has been demonstrated showing improvement of the photodetection-efficiency, specially regarding to the sensitivity, power-consumption and signal-to-noise ratio (SNR) characteristics

High performance CMOS integrated circuits for optical receivers

Optical communications is expanding into new applications such as infrared wireless communications; therefore, designing high performance circuits has gained considerable importance. In this dissertation a wide dynamic-range variable-gain transimpedance amplifier (TIA) is introduced. It adopts a regulated cascode (RGC) amplifier and an operational transconductance amplifier (OTA) as the feed forward gain element to control gain and improve the overload of the optical receiver. A fully-differential variable-gain TIA in a 0.35µm CMOS technology is realized. It provides a bit error rate (BER) less than 10-12 for an input current from 6µA-3mA at 3.3V power supply. For the transimpedance gain variation, from 0.1kΩ to 3kΩ, -3dB bandwidth is higher than 1.7GHz for a 0.6pF photodiode capacitance. The power dissipations for the highest and the lowest gains are 8.2mW and 24.9mW respectively. A new technique for designing uniform multistage amplifiers (MA) for high frequency applications is introduced. The proposed method uses the multi-peak bandwidth enhancement technique while it employs identical, simple and inductorless stages. It has several advantages, such as tunability of bandwidth and decreased sensitivity of amplifier stages, to process variations. While all stages of the proposed MA topology are identical, the gain-bandwidth product can be extended several times. Two six-stage amplifiers in a TSMC 0.35µm CMOS process were designed using the proposed topology. Measurements show that the gain can be varied for the first one between 16dB and 44dB within the 0.7-3.2GHz bandwidth and for the second one between 13dB and 44dB within a 1.9-3.7GHz bandwidth with less than 5.2nV/√Hz noise. Although the second amplifier has a higher gain bandwidth product, it consumes more power and occupies a wider area. A technique for capacitance multiplication is utilized to design a tunable loop filter. Current and voltage mode techniques are combined to increase the multiplication factor (M). At a high input dynamic range, M is adjustable and the capacitance multiplier performs linearly at high frequencies. Drain-source voltages of paired transistors are equalized to improve matching in the current mirrors. Measurement of a prototype loop filter IC in a 0.5µm CMOS technology shows 50µA current consumption for M=50. Where 80pF capacitance is employed, the capacitance multiplier realizes an effective capacitance varying from 1.22nF up to 8.5nF

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

Optical wireless data transfer for rotor detection and diagnostics

A special application of optical wireless data transfer, namely on-line monitoring and diagnostic of rotors in turbines and engines, has been considered in this thesis. In this application, to maintain line of sight, i.e. data transfer, between a sensor placed on a rotating component inside the turbine and a monitoring point placed in a fixed position outside the turbine, a periodic fast fading channel is generated, which gives the transceivers more flexibility regarding their mounting location. The communication in such a channel is affected by the intermittency and variation of the signal power, which produces a unique channel condition that influences the performance of the optical transceiver. To investigate the channel condition and the error rate of the periodic fast fading channel with signal fluctuation, a model is developed to simulate the optical channel by considering the variation of signal power as a result of the change in the relative position of the photodiode with respect to the Lambertian radiation pattern of the LED, in a simplified linear geometry. The error rate is estimated using the Saddlepoint approximation on a specific threshold strategy. The results show that the channel can afford the sensor data transmission and the performance can be improved by modifying several parameters, such as geometrical distance, transmitter power and load resistor. Compared to a normal channel, a higher load resistor on the photodiode front end has the advantage of decreasing the noise level and increasing the data capacity in the fast fading channel. The analysis of the automatic gain control amplifier indicates that a higher load resistor needs a lower loop gain and from the model of the Transimpedance amplifier (TIA), the bandwidth extension from the amplifier is more significant for a higher resistor. In addition to the theoretical model, an experimental setup is built to emulate the channel in practice. The degree of similarity between the experimental setup and the theoretical model of the channel is estimated from the comparison of the generated communication windows. Since it has been found that differences exist in the duration of the communication window and the variation of the signal power, scaling factors to ensure their compatibility have been derived. Transceiver hardware which implemented the modelled functionality has been developed and a protocol to establish the communication with the required error rate has been proposed. Using the hardware implementation, a detection method for both rising and falling edges of the signal pulses and a threshold strategy have been demonstrated. The device power consumption is also estimated. What is more, the electromagnetic environment of a squirrel cage motor is simulated using the finite element method to investigate the interference and the possibility of providing power to the IR communication devices using power scavenging. In the conclusion, the key findings of the thesis are summarised. A solution is proposed for sensor data transfer using an optical channel for rotor monitoring applications, which involves the design of the IR transceiver, the implementation of the developed protocol and the power consumption estimation

5 GHz Optical Front End in 0.35um CMOS

With the advantages of low cost, low power consumption, high reliability and potential for large scale integration, CMOS monolithically integrated active pixel chips have significant application in optical sensing systems. The optical front end presented in this thesis will have application in Optical Scanning Acoustic Microscope System (O-SAM), which involves a totally non-contact method of acquiring images of the interaction between surface acoustic waves (SAWs) and a solid material to be characterized. In this work, an ultra fast optical front-end using improved regulated cascade scheme is developed based on AMS 0.35mm CMOS technology. The receiver consists of an integrated photodiode, a transimpedance amplifier, a mixer, an IF amplifier and an output buffer. By treating the n-well in standard CMOS technology as a screening terminal to block the slow photo-generated bulk carriers and interdigitizing shallow p+ junctions as the active region, the integrated photodiode operates up to 4.9 GHz with no process modification. Its responsivity was measured to be 0.016 A/W. With multi-inductive-series peaking technique, the improved ReGulated-Cascade (RGC) transimpedance amplifier achieves an experimentally measured -3dB bandwidth of more than 6 GHz and a transimpedance gain of 51 dBW, which is the fastest reported TIA in CMOS 0.35mm technology. The 5 GHz Gilbert cell mixer produces a conversion gain of 11 dB, which greatly minimized the noise contribution from the IF stage. The noise figure and input IIP3 of the mixer were measured to be 15.7 dB and 1.5 dBm, respectively. The IF amplifier and output buffer pick up and further amplify the signal for post processing. The optical front end demonstrates a typical equivalent input noise current of 35 pA=pHz at 5 GHz, and a total transimpedance gain of 83 dB ohm whileconsuming a total current of 40 mA from 3.3 V power supply. The -3 dB bandwidth for the optical front end was measured to be 4.9 GHz. All the prototype chips, including the optical front end, and the individual circuits including the photodiode, TIA, mixer were probe-tested and all the measurements were taken with Anritsu VNA 37397D and Anritsu spectrum analyser MS2721A