DC biased input stage with differential photocurrent sensing for VLC front-ends

The reverse bias voltage across the PIN photodiode is essential for the photodiode to operate in the photoconductive mode. This paper presents an input bias stage with differential photocurrent sensing for VLC front-ends. The bias voltage is provided from within the transimpedance amplifier’s (TIA) circuit eliminating the need of external bias voltage. The amount of bias voltage could be optimised according to the photodiode required sensitivity and capacitance. The differential configuration makes the TIA immune to any common mode noise. The proposed method is applied to a hypothetical TIA and results are compared with single ended structure. Simulation results showed that using this approach it is possible to achieve a transimpedance gain of 120 dBΩ over a maximum bandwidth of 14.5 MHz with a common mode rejection ratio of 61 dB while the circuit provides a controlled bias voltage of up to 6 V across the PIN photodiode eliminating the need for external bias voltage source

Wideband integrated circuits for optical communication systems

The exponential growth of internet traffic drives datacenters to constantly improvetheir capacity. Several research and industrial organizations are aiming towardsTbps Ethernet and beyond, which brings new challenges to the field of high-speedbroadband electronic circuit design. With datacenters rapidly becoming significantenergy consumers on the global scale, the energy efficiency of the optical interconnecttransceivers takes a primary role in the development of novel systems. Furthermore,wideband optical links are finding application inside very high throughput satellite(V/HTS) payloads used in the ever-expanding cloud of telecommunication satellites,enabled by the maturity of the existing fiber based optical links and the hightechnology readiness level of radiation hardened integrated circuit processes. Thereare several additional challenges unique in the design of a wideband optical system.The overall system noise must be optimized for the specific application, modulationscheme, PD and laser characteristics. Most state-of-the-art wideband circuits are builton high-end semiconductor SiGe and InP technologies. However, each technologydemands specific design decisions to be made in order to get low noise, high energyefficiency and adequate bandwidth. In order to overcome the frequency limitationsof the optoelectronic components, bandwidth enhancement and channel equalizationtechniques are used. In this work various blocks of optical communication systems aredesigned attempting to tackle some of the aforementioned challenges. Two TIA front-end topologies with 133 GHz bandwidth, a CB and a CE with shunt-shunt feedback,are designed and measured, utilizing a state-of-the-art 130 nm InP DHBT technology.A modular equalizer block built in 130 nm SiGe HBT technology is presented. Threeultra-wideband traveling wave amplifiers, a 4-cell, a single cell and a matrix single-stage, are designed in a 250 nm InP DHBT process to test the limits of distributedamplification. A differential VCSEL driver circuit is designed and integrated in a4x 28 Gbps transceiver system for intra-satellite optical communications based in arad-hard 130nm SiGe process

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

Practical Demonstration of RGC and Modified RGC TIAs for VLC systems

This work reports a modified regulated cascode (RGC) transimpedance amplifier (TIA) with tolerance to the ultra-high photodiode capacitances encountered in visible light communication systems. The new design is proposed to ameliorate internal miller capacitance limiting effects, inherent in traditional RGC designs through the use of a cascode circuit within the RGC. The paper introduces the design principle of the proposed RGC and presents derivation of tractable mathematical equations for describing the operation. The bandwidth advantage of the new design is shown through comparing the operation of the modified circuit to the traditional one using full circuit simulations. The paper presents full circuit designs, based on discrete components and printed circuit board (PCB) construction of both circuits and contrasts their operation, experimentally demonstrating bandwidth advantage for different values of photodiode capacitances and amplifier transimpedance gain values. Measurements show that using the modified RGC TIA results in a bandwidth improvement of over 200 % relative to the conventional RGC design, achieving a bandwidth of 200 MHz at 2mathrm{K} transimpedance gain with a 300 pF photodiode capacitance. As such, this is one of the highest bandwidths reported for such high capacitances, to-date

Broadband Receiver Electronic Circuits for Fiber-Optical Communication Systems

The exponential growth of internet traffic drives datacenters to constantly improve their capacity. As the copper based network infrastructure is being replaced by fiber-optical interconnects, new industrial standards for higher datarates are required. Several research and industrial organizations are aiming towards 400 Gb Ethernet and beyond, which brings new challenges to the field of high-speed broadband electronic circuit design. Replacing OOK with higher M-ary modulation formats and using higher datarates increases network capacity but at the cost of power. With datacenters rapidly becoming significant energy consumers on the global scale, the energy efficiency of the optical interconnect transceivers takes a primary role in the development of novel systems. There are several additional challenges unique in the design of a broadband shortreach fiber-optical receiver system. The sensitivity of the receiver depends on the noise performance of the PD and the electronics. The overall system noise must be optimized for the specific application, modulation scheme, PD and VCSEL characteristics. The topology of the transimpedance amplifier affects the noise and frequency response of the PD, so the system must be optimized as a whole. Most state-of-the-art receivers are built on high-end semiconductor SiGe and InP technologies. However, there are still several design decisions to be made in order to get low noise, high energy efficiency and adequate bandwidth. In order to overcome the frequency limitations of the optoelectronic components, bandwidth enhancement and channel equalization techniques are used. In this work several different blocks of a receiver system are designed and characterized. A broadband, 50 GHz bandwidth CB-based TIA and a tunable gain equalizer are designed in a 130 nm SiGe BiCMOS process. An ultra-broadband traveling wave amplifier is presented, based on a 250 nm InP DHBT technology demonstrating a 207 GHz bandwidth. Two TIA front-end topologies with 133 GHz bandwidth, a CB and a CE with shunt-shunt feedback, based on a 130 nm InP DHBT technology are designed and compared

Equivalent Circuit Model for Large-Area Photodiodes for VLC Systems

An equivalent circuit model for large-area PIN photodiodes used in visible light communication (VLC) applications is described. The modelling aims to gain insight into the effect of the photodiode intrinsic elements on the bandwidth of VLC receivers. The model parameters are extracted based on impedance measurements of two commercially available large-area PIN photodiodes. The extracted model parameters identify the photodiode series resistance as a major contributor to the bandwidth limitation of VLC receivers, especially when employing low input impedance transimpedance amplifiers (TIAs). However, such resistance is commonly ignored by most circuit designers, since it is assumed to have a negligible effect on the TIA performance. To demonstrate the accuracy of the photodiode equivalent circuit model, a design example of a low input impedance regulated cascode (RGC) TIA is described. The TIA is constructed using discrete components and a printed circuit board (PCB). The designed RGC TIA is measured using the proposed photodiode equivalent model versus a simplified model. In addition, a VLC link is constructed to measure the optoelectrical response of the large-area photodiode with the RGC TIA. The RGC frequency response measurements obtained from the full and simplified photodiode equivalent model are contrasted to the optoelectrical response, which verified that, unlike the simplified photodiode model, the proposed photodiode equivalent model can accurately predict the bandwidth performance of the VLC receiver

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 /

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

A high bandwidth modified regulated cascode TIA for high capacitance photodiodes in VLC

This work reports a modified regulated cascode (RGC) amplifier which, when used as a transimpedance amplifier (TIA), improves tolerance to ultra-high photodiode capacitances encountered in some optical communications applications. When a conventional RGC is used as a TIA the Miller capacitance, introduced by the base-collector capacitance of its common base stage, limits bandwidth and compromises stability. Such undesirable characteristics are simply eliminated by introducing an additional cascode stage that nullifies the Miller capacitance. We show that exceptional improvement in bandwidth can be made, which is important for visible light communication systems, where using large-area (large capacitance) photodiodes is desirable

Development of an analogue optical link for the front-end read-out of the ATLAS electromagnetic calorimeter

We have developed an analogue optical data transmission system intended to meet the read-out requirements of the ATLAS liquid argon electromagnetic calorimeter. Eight-way demonstrators have been built and tested. The link uses arrays of VCSEL diodes as the optical emitters, coupled to a 70 m long fibre ribbon to simulate the distance between the detector and the control room. The receiver is based around a custom-designed PIN photodiode array. We describe here the final results of laboratory tests on a demonstrator, laying stress on the VCSEL-to-fibre coupling issues, and the overall performance of the full link. A 9-bit dynamic range is achieved, with a 5on-linearity