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 of Optical Interconnect Transceiver Circuits and Network-on-chip Architectures for Inter- and Intra-chip Communication

The rapid expansion in data communication due to the increased multimedia applications and cloud computing services necessitates improvements in optical transceiver circuitry power efficiency as these systems scale well past 10 Gb/s. In order to meet these requirements, a 26 GHz transimpedance amplifier (TIA) is presented in a 0.25-µm SiGe BiCMOS technology. It employs a transformer-based regulated cascode (RGC) input stage which provides passive negative-feedback gain that enhances the effective transconductance of the TIA’s input common-base transistor; reducing the input resistance and pro- viding considerable bandwidth extension without significant noise degradation or power consumption. The TIA achieves a 53 dBΩ single-ended transimpedance gain with a 26√ GHz bandwidth and 21.3 pA/H z average input-referred noise current spectral density. Total chip power including output buffering is 28.2 mW from a 2.5 V supply, with the core TIA consuming 8.2 mW, and the chip area including pads is 960 µm × 780 µm. With the advance of photonic devices, optical interconnects becomes a promising technology to replace the conventional electrical channels for the high-bandwidth and power efficient inter/intra-chip interconnect. Second, a silicon photonic transceiver is presented for a silicon ring resonator-based optical interconnect architecture in a 1V standard 65nm CMOS technology. The transmitter circuits incorporate high-swing drivers with non-linear pre-emphasis and automatic bias-based tuning for resonance wavelength stabilization. An optical forwarded-clock adaptive inverter-based transimpedance amplifier (TIA) receiver trades-off power for varying link budgets by employing an on-die eye monitor and scaling the TIA supply for the required sensitivity. At 5 GB/s operation, the ring modulator un- der 4Vpp driver achieves 12.7dB extinction ratio with 4.04mW power consumption, while a 0.28nm tuning range is obtained at 6.8µW/GHz efficiency with the bias-based tuning scheme implemented with the 2Vpp transmitter. When tested with a wire-bonded 150f- F p-i-n photodetector, the receiver achieves -12.7dBm sensitivity at a BER=10−15 and consumes 2.2mW at 8 GB/s. Third, a novel Nano-Photonic Network-on-Chip (NoC) architecture, called LumiNoC, is proposed for high performance and power-efficient interconnects for the chip-multi- processors (CMPs). A 64-node LumiNoC under synthetic traffic enjoys 50% less latency at low loads versus other reported photonic NoCs, and ∼25% less latency versus the electrical 2D mesh NoCs on realistic workloads. Under the same ideal throughput, LumiNoC achieves laser power reduction of 78%, and overall power reduction of 44% versus competing designs

Design of High-Speed CMOS Interface Circuits for Optical Communications

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 공과대학 전기·컴퓨터공학부, 2017. 8. 정덕균.The bandwidth requirement of wireline communications has increased ex-ponentially because of the ever-increasing demand for data centers and high-performance computing systems. However, it becomes difficult to satisfy the requirement with legacy electrical links which suffer from frequency-dependent losses due to skin effect, dielectric loss, channel reflections, and crosstalk, resulting in a severe bandwidth limitation. In order to overcome this challenge, it is necessary to introduce optical communication technology, which has been mainly used for long-reach communications, such as long-haul net-works and metropolitan area networks, to the medium- and short-reach com-munication systems. However, there still remain important issues to be resolved to facilitate the adoption of the optical technologies. The most critical challeng-es are the energy efficiency and the cost competitiveness as compared to the legacy copper-based electrical communications. One possible solution is silicon photonics that has long been investigated by a number of research groups. De-spite inherent incompatibility of silicon with the photonic world, silicon pho-tonics is promising and is the only solution that can leverage the mature CMOS technologies. In this thesis, we summarize the current status of silicon photonics and pro-vide the prospect of the optical interconnection. We also present key circuit techniques essential to the implementation of high-speed and low-power optical receivers. And then, we propose optical receiver architectures satisfying the aforementioned requirements with novel circuit techniques.CHAPTER 1 INTRODUCTION 1 1.1 MOTIVATION 1 1.2 THESIS ORGANIZATION 6 CHAPTER 2 BACKGROUND OF OPTICAL COMMUNICATION 7 2.1 OVERVIEW OF OPTICAL LINK 7 2.2 SILICON PHOTONICS 11 2.3 HYBRID INTEGRATION 22 2.4 SILICON-BASED PHOTODIODES 28 2.4.1 BASIC TERMINOLOGY 28 2.4.2 SILICON PD 29 2.4.3 GERMANIUM PD 32 2.4.4 INTEGRATION WITH WAVEGUIDE 33 CHAPTER 3 CIRCUIT TECHNIQUES FOR OPTICAL RECEIVER 35 3.1 BASIS OF TRANSIMPEDANCE AMPLIFIER 35 3.2 TOPOLOGY OF TIA 39 3.2.1 RESISTOR-BASED TIA 39 3.2.2 COMMON-GATE-BASED TIA 41 3.2.3 FEEDBACK-BASED TIA 44 3.2.4 INVERTER-BASED TIA 47 3.2.5 INTEGRATING RECEIVER 48 3.3 BANDWIDTH EXTENSION TECHNIQUES 49 3.3.1 INDUCTOR-BASED TECHNIQUE 49 3.3.2 EQUALIZATION 61 3.4 CLOCK AND DATA RECOVERY CIRCUITS 66 3.4.1 CDR BASIC 66 3.4.2 CDR EXAMPLES 68 CHAPTER 4 LOW-POWER OPTICAL RECEIVER FRONT-END 73 4.1 OVERVIEW 73 4.2 INVERTER-BASED TIA WITH RESISTIVE FEEDBACK 74 4.3 INVERTER-BASED TIA WITH RESISTIVE AND INDUCTIVE FEEDBACK 81 4.4 CIRCUIT IMPLEMENTATION 89 4.5 MEASUREMENT RESULTS 93 CHAPTER 5 BANDWIDTH- AND POWER-SCALABLE OPTICAL RECEIVER FRONT-END 96 5.1 OVERVIEW 96 5.2 BANDWIDTH AND POWER SCALABILITY 97 5.3 GM STABILIZATION 98 5.4 OVERALL BLOCK DIAGRAM OF RECEIVER 104 5.5 MEASUREMENT RESULTS 111 CHAPTER 6 CONCLUSION 118 BIBLIOGRAPHY 120 초 록 131Docto

Electro-optic architecture (EOA) for sensors and actuators in aircraft propulsion systems

Results of a study to design an optimal architecture for electro-optical sensing and control in advanced aircraft and space systems are described. The propulsion full authority digital Electronic Engine Control (EEC) was the focus for the study. The recommended architecture is an on-engine EEC which contains electro-optic interface circuits for fiber-optic sensors on the engine. Size and weight are reduced by multiplexing arrays of functionally similar sensors on a pair of optical fibers to common electro-optical interfaces. The architecture contains common, multiplex interfaces to seven sensor groups: (1) self luminous sensors; (2) high temperatures; (3) low temperatures; (4) speeds and flows; (5) vibration; (6) pressures; and (7) mechanical positions. Nine distinct fiber-optic sensor types were found to provide these sensing functions: (1) continuous wave (CW) intensity modulators; (2) time division multiplexing (TDM) digital optic codeplates; (3) time division multiplexing (TDM) analog self-referenced sensors; (4) wavelength division multiplexing (WDM) digital optic code plates; (5) wavelength division multiplexing (WDM) analog self-referenced intensity modulators; (6) analog optical spectral shifters; (7) self-luminous bodies; (8) coherent optical interferometers; and (9) remote electrical sensors. The report includes the results of a trade study including engine sensor requirements, environment, the basic sensor types, and relevant evaluation criteria. These figures of merit for the candidate interface types were calculated from the data supplied by leading manufacturers of fiber-optic sensors

Optoelectronic devices and packaging for information photonics

This thesis studies optoelectronic devices and the integration of these components onto optoelectronic multi chip modules (OE-MCMs) using a combination of packaging techniques. For this project, (1×12) array photodetectors were developed using PIN diodes with a GaAs/AlGaAs strained layer structure. The devices had a pitch of 250μm, operated at a wavelength of 850nm. Optical characterisation experiments of two types of detector arrays (shoe and ring) were successfully performed. Overall, the shoe devices achieved more consistent results in comparison with ring diodes, i.e. lower dark current and series resistance values. A decision was made to choose the shoe design for implementation into the high speed systems demonstrator. The (1x12) VCSEL array devices were the optical sources used in my research. This was an identical array at 250μm pitch configuration used in order to match the photodetector array. These devices had a wavelength of 850nm. Optoelectronic testing of the VCSEL was successfully conducted, which provided good beam profile analysis and I-V-P measurements of the VCSEL array. This was then implemented into a simple demonstrator system, where eye diagrams examined the systems performance and characteristics of the full system and showed positive results. An explanation was given of the following optoelectronic bonding techniques: Wire bonding and flip chip bonding with its associated technologies, i.e. Solder, gold stud bump and ACF. Also, technologies, such as ultrasonic flip chip bonding and gold micro-post technology were looked into and discussed. Experimental work implementing these methods on packaging the optoelectronic devices was successfully conducted and described in detail. Packaging of the optoelectronic devices onto the OEMCM was successfully performed. Electrical tests were successfully carried out on the flip chip bonded VCSEL and Photodetector arrays. These results verified that the devices attached on the MCM achieved good electrical performance and reliable bonding. Finally, preliminary testing was conducted on the fully assembled OE-MCMs. The aim was to initially power up the mixed signal chip (VCSEL driver), and then observe the VCSEL output

Wireless Terahertz Communications: Optoelectronic Devices and Signal Processing

Novel THz device concepts and signal processing schemes are introduced and experimentally confirmed. Record-high data rates are achieved with a simple envelope detector at the receiver. Moreover, a THz communication system using an optoelectronic receiver and a photonic local oscillator is shown for the first time, and a new class of devices for THz transmitters and receivers is investigated which enables a monolithic co-integration of THz components with advanced silicon photonic circuits