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 /

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

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

Energy-efficiency improvements for optical access

This article discusses novel approaches to improve energy efficiency of different optical access technologies, including time division multiplexing passive optical network (TDM-PON), time and wavelength division multiplexing PON (TWDM-PON), point-to-point (PTP) access network, wavelength division multiplexing PON (WDM-PON), and orthogonal frequency division multiple access PON (OFDMA-PON). These approaches include cyclic sleep mode, energy-efficient bit interleaving protocol, power reduction at component level, or frequency band selection. Depending on the target optical access technology, one or a combination of different approaches can be applied

Adaptive optical interconnects: The ADDAPT project

Existing optical networks are driven by dynamic user and application demands but operate statically at their maximum performance. Thus, optical links do not offer much adaptability and are not very energy-effcient. In this paper a novel approach of implementing performance and power adaptivity from system down to optical device, electrical circuit and transistor level is proposed. Depending on the actual data load, the number of activated link paths and individual device parameters like bandwidth, clock rate, modulation format and gain are adapted to enable lowering the components supply power. This enables exible energy-efficient optical transmission links which pave the way for massive reductions of CO2 emission and operating costs in data center and high performance computing applications. Within the FP7 research project Adaptive Data and Power Aware Transceivers for Optical Communications (ADDAPT) dynamic high-speed energy-efficent transceiver subsystems are developed for short-range optical interconnects taking up new adaptive technologies and methods. The research of eight partners from industry, research and education spanning seven European countries includes the investigation of several adaptive control types and algorithms, the development of a full transceiver system, the design and fabrication of optical components and integrated circuits as well as the development of high-speed, low-loss packaging solutions. This paper describes and discusses the idea of ADDAPT and provides an overview about the latest research results in this field

Ultra wideband communication link

Ultra-wideband communication (UWB) has been a topic of extensive research in recent years especially for its short-range communication and indoor applications. The preliminary objective of the project was to develop a description and understanding of the basic components of the communication link at microwave frequencies in order to achieve the primary objective of establishing a communication setup at a bandwidth of 2.5 GHz for testing Ultra Wideband (UWB) antennas. This was achieved with the aid of commercially available optical system which was modified for the purpose. Beginning with the generation of baseband narrow pulses with energy spanning over a broad frequency range, through multiplexing of different parallel channels carrying these pulses into a single stream, to finally capturing the received signal to understand the effect of the communication link formed; all provided basis for identifying the issues and possible solutions to establishing a reliable communication link at UWB frequency

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

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

Design of 10 Gb/s burst-mode receivers for high-split extended reach PONs

The continuous stream of new applications for the internet, increases the need for higher access speed in the currently deployed communication networks. Most networks in use today still consist of twisted copper wires, inherited from the telephone network. The disadvantages of reusing the existing telephone network are twofold. Firstly, the bandwidth of twisted copper wires is limited and secondly, a large number of switches and routers are needed throughout the network leading to an excessive power consumption. The hybrid fiber coax network that reuses the television distribution network is not free from these drawbacks. The bandwidth is also limited and power hungry amplifiers are needed to bridge the distance to and from the user. The future of broadband access lies in optical fiber networks. The optical fiber has a virtually unlimited bandwidth and the lower attenuation leads to less switches and amplifiers in the network, reducing the power consumption of the complete infrastructure. This dissertation describes the design of a 10 Gb/s burst-mode receiver for high-split extended reach passive optical networks (PONs). The designed receiver incorporates two very advanced features. Firstly, the burst-mode receiver locks its gain setting within 6 ns avoiding packet loss due to gain switching during data payload reception. Secondly, the burst-mode receiver detects both burst start and burst end, making it the first burst-mode receiver of its kind to operate without any time critical signal requirements from outside the burst-mode receiver. The presented work covers the chip-level architecture study and design of a 10 Gb/s burst-mode transimpedance amplifier and a 10 Gb/s post-amplifier, which are the two most critical components of a burst-mode receiver