Bandwidth Enhancement Techniques For Cmos Transimpedance Amplifier

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

Analysis and Design of Wideband CMOS Transimpedance Amplifiers Using Inductive Feedback

Optical receivers have an important role in high data rate wireline data communication systems. Nowadays, these receivers have data rates of multi Gb/s. To achieve such high data rate in the design of optical receivers, all the amplifiers in the signal path need to be wideband and at the same time have minimum gain variations in the passband. As a rule of thumb, the bandwidth of amplifiers in the optical receivers should be 70% of the data rate. The first component of the optical receiver is photodiode which converts photons received from optical fiber to current signals. The small current received from the photodiode is amplified using the transimpedance amplifier (TIA) which is one of the main building blocks in the receiver frontend. Due to high data rate of fiber optic communication systems the bandwidth of TIAs should be high and it should satisfy gain requirements. It has been shown that inductive feedback technique is capable of extending the bandwidth of CMOS TIAs amplifiers effectively. However, no mathematical analysis is available in the literature explaining this phenomenon. The main focus of this thesis is to explain mathematically the mechanism of bandwidth extension of CMOS TIAs with inductive feedback. In this thesis, it is shown mathematically that the bandwidth extension of inverter based CMOS TIAs with inductive feedback is due to either zero-pole cancellation or change in the characteristics of complex conjugate poles. It is shown that for large photodiode capacitance for example 150fF the phenomenon for the bandwidth extension is zero pole cancellation. In the case of small photodiode capacitance for example 50fF, the bandwidth extension happens due to change in the characteristics of complex conjugate poles. Finally, the zero pole cancellation using inductive feedback method for common source based transimpednace amplifier with resistive load using different values of photodiode capacitances has been analyzed. In addition to that a new 3-stage common source based transimpedance amplifier using inductive feedback technique is designed. The process of bandwidth extension is shown analytically and is confirmed with simulation results using well-known tools and technologies. To show the system level motivation, an eye diagram simulation is performed for all topologies and it is verified that bandwidth extension does not disturb the performance. Moreover, the concept is verified based on a frequency scaled down discrete implementation. In this thesis, for inverter based CMOS TIA using photodiode capacitances of 150fF and 50fF bandwidths of 16.7GHz and 29.7GHz are achieved. In the case of common source based TIAs, considering 50fF, 100fF, 150fF photodiode capacitances, -3dB bandwidths of 32.1GHz, 21.8GHz, and 15.8GHz are achieved. A new three-stage TIA is proposed which achieves bandwidths of 42.8GHz, 35.5GHz, and 28.5GHz for 50fF, 100fF, 150fF photodiode capacitances. Based on comparative analysis, it is shown that, inductive feedback is the most effective method to extend the bandwidth of TIAs in terms of number of inductors