Design of low-voltage CMOS class-AB operational amplifiers

Orientadores: Jacobus Willibrordus Swart, Jader Alves de Lima FilhoDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de ComputaçãoResumo: Este trabalho descreve o procedimento de projeto de amplificadores operacionais rail-to-rail em tecnologia CMOS. Para isto, foram objetos desse processo quatro configurações distintas. As quatro topologias utilizam estágio de entrada rail-to-rail com controle de gm e estágio de saída classe-AB com controle de corrente quiescente. Como especificação para as três primeiras configurações estão tensão de alimentação de ± 0.9V, ganho de manha aberta em baixas freqüências de 60dB e freqüência de ganho unitário de 4MHz para uma carga externa de 10k? em paralelo com 10pF. A quarta configuração é uma nova topologia adaptada para que os transistores operem na região de inversão fraca, com o objetivo de reduzir o consumo de potência. Como especificação para esta configuração temos tensão de alimentação de ± 0.75V e minimização do consumo de potência. Os resultados obtidos a partir dos protótipos fabricados em tecnologia CMOS 0.35µm foram próximos às especificações. Uma placa de circuito impresso foi implementada para caracterização dos amplificadores e, além disso, foi utilizado nessa placa um amplificador comercial para realizar comparaçõesAbstract: This dissertation describes the process of designing rail-to-rail operational amplifiers in CMOS technology. To accomplish this, the author focused on four distinct structures. The four topologies have rail-to-rail input stage with gm-control circuit and Class-AB output stage with quiescent-current control. The specification of three configurations included the nominal power supply of ± 0.9V, minimum open-loop low-frequency gain of 60dB and unity-gain frequency of 4MHz driving an external load of 10k? in parallel with 10pF. The fourth one is a new topology adapted to operate with transistors in weak inversion, in order to decrease the power consumption. The specification included nominal power supply of ± 0.75V and minimization of power consumption. Prototypes of the amplifiers were fabricated in 0.35µm CMOS technology and the results were in good agreements with the specifications. A printed circuit board was implemented to test the amplifiers and, additionally, was inserted a commercial amplifier, to make comparisonsMestradoEletrônica, Microeletrônica e OptoeletrônicaMestre em Engenharia Elétric

Análise de desempenho de redes ópticas utilizando o código corretor de erro Reed-Solomon

The demand for telecommunication services has been growing rapidly in recent years, as well the number of studies in order to increase the capacity of transmission of communications networks. One of the best options is to use optical communications systems, because they allow high transmission rates. However, this type of system suffers with degradation of the optical signal due to unwanted effects of the optical fiber and noise inherent to the transmission process. In order to address this problem Forward Error Correction (FECs) are used. An example of FEC widely used in optical communications is the Reed-Solomon (RS) codes, designated by the nomenclature RS(n,k), where n is the total number of code symbols in the coded block, k is the number of data symbols to be coded, and n-k determines the number of redundancy symbols inserted in the coding process. A Reed-Solomon decoder can correct up to t wrong symbols, where 2t=n-k. In this context, this work sought to evaluate the performance of an optical network with wavelength division multiplexing (WDM), when different coding lengths and redundancy of the RS code are used for error correction. The system performance was evaluated in terms of the so-called "coding gain", defined as the reduction of the E_b/N_0 (in decibels) generated by the coding, in relation to E_b/N_0 required by the system without using the FEC, to achieve the same bit error rate (BER). The eye diagram was also used to demonstrate the improvement generated by the FEC. After coding implementation, it was possible to verify that in general, all coding lengths and redundancies of RS code provided the WDM optical system a performance improvement, reducing the required power requirements to achieve better BERs. As expected, the codes with the highest degree of redundancy were the ones that generated the best results, such as the RS (255,191) and RS (63,31) coding, which generated approximately 9 dB and 8 dB respectively, of coding gain.Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação)A demanda por serviços de telecomunicações vem crescendo rapidamente nos últimos anos, sendo cada vez mais necessários estudos para aumentar capacidade de transmissão das redes de comunicações. Uma ótima opção é a utilização das comunicações ópticas, por permitirem altas taxas de transmissão. Porém, nesse tipo de sistema ocorre a degradação do sinal óptico devido a efeitos indesejados da fibra óptica e por ruídos inerentes ao processo de transmissão. Para solucionar este problema são utilizados Códigos Corretores de Erros (FECs). Um exemplo de FEC amplamente utilizado em comunicações óptica são os códigos Reed-Solomon (RS), designados pela nomenclatura RS(n,k), onde n é o número total de símbolos de código no bloco codificado, k é o número de símbolos de dados a serem codificados, e n-k determina quantidade de símbolos de redundância inseridos no processo de codificação. Um decodificador Reed-Solomon pode corrigir até t símbolos errados, onde 2t=n-k. Nesse contexto, este trabalhou buscou avaliar o desempenho de uma rede óptica com multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM), quando diferentes comprimentos de codificação e redundância do código RS são utilizados para correção de erro. O desempenho do sistema foi avaliado em termos do chamado “ganho de codificação”, definido como a redução da E_b/N_0 (em decibéis) gerada pela codificação, em relação a E_b/N_0 necessária pelo sistema sem utilização do FEC, para atingir umas mesma taxa de erro de bit (BER). O diagrama do olho também foi utilizado para demonstrar a melhoria gerada pelo FEC. Após a implementação da codificação, foi possível verificar que de forma geral, todos os comprimentos de codificação e redundâncias do código RS proporcionaram ao sistema óptico WDM uma melhoria de desempenho, reduzindo os requisitos de potência necessária no enlace para atingir BERs melhores. Como esperado, as codificações com maior grau de redundância foram as que geraram os melhores resultados, como foi o caso da codificação RS(255,191) e RS(63,31), que geraram aproximadamente 9 dB e 8 dB, respectivamente, de ganho de codificação

Impact of physical layer impairments on SDM networks based on ROADM nodes

Current transport optical networks are approaching its capacity limits, mainly due to new applications and services that require a huge amount of resources. To increase the network capacity, multiband solutions, that exploit the unused capacity of actual fibers, in particular the L-band, are being currently commercially explored. However, this strategy is assumed as a short to medium term solution. A long-term solution is to use spatial-division multiplexing (SDM) in the optical domain, which leads to the concept of SDM-based optical networks. In this work, different SDM switching architectures (spatial, spatial-wavelength, wavelength, fractional space-full wavelength) are studied and compared in terms of cost per bit, power consumption and flexibility. For the switching architectures with spatial and spatial-wavelength granularities (the architectures that have superior performance), the most relevant physical impairments (PLIs) (amplifiers noise, non-linear interference, narrowing penalty due to filtering and in-band crosstalk) are analytically studied, for a SDM reconfigurable optical add-drop multiplexer (ROADM) cascade. Furthermore, a Monte Carlo simulation is used to assess more rigorously the PLIs effects on the performance of SDM ROADMs, with spatial-wavelength switching architecture, in cascade. The main difference, regarding PLIs, between the single spatial channel ROADM architecture and the SDM ROADM architectures is the enhanced effect of in-band crosstalk. For cascaded ROADMs with 16 directions, 19 spatial channels and filtering isolation of -25 dB, the in-band crosstalk can lead to a 2 dB optical signal-to-noise ratio penalty. Due to this penalty, the signal crosses less 9 ROADMs than in a single spatial channel ROADM architecture.As redes óticas de transporte atuais estão a aproximar-se do seu limite de capacidade devido às novas aplicações e serviços que requerem uma maior quantidade de recursos de rede. Uma possível solução de curto a médio prazo para a falta de recursos é o uso de múltiplas bandas da fibra, para além da banda C. Uma solução a longo prazo será o uso de multiplexagem com divisão no espaço (SDM) no domínio óptico. Neste trabalho são estudados, o custo por bit, consumo de energia e flexibilidade, das diferentes arquiteturas SDM (no espaço, no espaço e comprimento de onda, no comprimento de onda, fracionada no espaço e completa no comprimento de onda). Para as arquiteturas com granularidades no espaço e no espaço e comprimento de onda estuda-se analiticamente os efeitos das principais limitações do nível físico (PLIs) (ruído dos amplificadores, interferência não-linear, penalidade de filtragem e diafonia homódina), para cascatas de multiplexadores óticos de inserção/extração reconfiguráveis (ROADMs). Usa-se uma simulação Monte Carlo para calcular mais rigorosamente os efeitos das PLIs na arquitetura com granularidade no espaço e comprimento de onda. A principal diferença, em termos de PLIs, entre uma rede SDM e uma rede com um único canal espacial é o efeito da diafonia homódina. Para uma rede com 16 direções, 19 canais espaciais e isolamento dos filtros de -25 dB, a diafonia homódina causa uma penalidade na relação sinal-ruído óptica de 2 dB e o sinal atravessa menos 9 ROADMs que numa rede com apenas um canal espacial

Fibras especiais para amplificadores óticos de banda larga

O presente trabalho consiste na caracterização de fibras óticas especiais dopadas com vários elementos, entre os quais érbio e bismuto, com vista ao desenvolvimento de amplificadores óticos de banda larga. São igualmente caracterizadas fibras óticas comerciais de características semelhantes que funcionam como termo de comparação. Pela caracterização da emissão e atenuação das duas fibras em estudo (HPEr-2, dopada com érbio e Bi-7, dopada com bismuto), verificou-se que a fibra HPEr-2 apresenta características adequadas para o desenvolvimento de dispositivos óticos nela baseados. Já a fibra Bi-7 não apresenta tais características e, como tal, foi descartada. Foram desenvolvidos amplificadores óticos baseados na fibra dopada com érbio caracterizada. O desempenho foi caracterizado, nomeadamente o perfil de ganho, a figura de ruído e comparado com o desempenho do amplificador baseado na fibra comercial I-25. Verifica-se que a fibra HPEr-2 apresenta um valor de ganho próximo do obtido com a fibra comercial, mas utilizando comprimentos mais curtos, enquanto em relação à figura de ruído, a fibra HPEr-2 apresenta valores de ruído superiores aos obtidos para a fibra I-25. Verifica-se a viabilidade de desenvolvimento de um amplificador ótico de banda larga baseado na fibra HPEr-2, tendo este um perfil de ganho plano e capacidade de funcionamento com comprimentos de fibra curtos. Apesar destas vantagens, são sugeridas formas de aprofundar este estudo e esclarecer o desempenho de um amplificador deste tipo para outras condições de funcionamentoThe present work consists in the characterization of specialty optical fibers doped with several elements, among them erbium and bismuth, with the purpose of developing broadband optical amplifiers. Commercial optical fibers of similar characteristics that serve as a comparison term are also characterized. By characterizing the emission and attenuation of the two fibers in study (HPEr-2, doped with erbium and Bi-7, doped with bismuth), it was verified that HPEr-2 fiber presents adequate characteristics for the development of optical devices. However, the Bi-7 fiber does not present such characteristics and, as such, it was discarded. Optical amplifiers based on the erbium doped fiber have been developed. The performance was characterized, namely the gain profile, the noise figure, and they were compared with the performance of the amplifier based on commercial fiber I-25. It is verified that the HPEr-2 fiber presents a gain value close to the one obtained with the commercial fiber, but using shorter lengths. In relation to the noise figure, HPEr-2 fiber presents higher noise levels than those obtained for fiber I-25. It is verified the feasibility of a HPEr-2 fiber-based broadband optical amplifier, having a flat gain profile and working with short fiber lengths. Despite these advantages, was to deepen this study and clarify the performance of such amplifier are suggested for other operating conditionsMestrado em Engenharia Físic

State reduction of MLSE receivers for optical communications

Orientador: Renato da Rocha LopesDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: Sistemas ópticos são afetados pelas dispersões cromática e de modo de polarização que causam interferência intersimbólica. Para mitigar essas dispersões é utilizado um receptor de sequência de máxima verossimilhança, com uma métrica subótima adequada para esse sistema. Nesta dissertação uma técnica de redução de estados da treliça do algoritmo de Viterbi é descrita e adaptada para um sistema óptico de modulação por intensidade e detecção direta. A métrica é adaptada para compensar o efeito da redução de estados pela técnica de delayed-decision feedback sequence estimation. Resultados são apresentados em sistemas com dispersão cromática e de modo de polarizaçãoAbstract: Optical systems are affected by chromatic and polarization mode dispersion causing intersymbol interference. To mitigate these dispersions a maximumlikelihood sequence estimation receiver is used, with an appropriate suboptimal metric for this system. In this thesis a technique for reducing the number of states of the trellis of the Viterbi algorithm is described and adapted to an optical intensity modulation and direct detection. The metric is adapted to compensate for the effect of reducing the number of states by the technique of delayed-decision feedback sequence estimation. Results are presented for a system with chromatic and polarization mode dispersionsMestradoTelecomunicações e TelemáticaMestre em Engenharia Elétric

Dynamic gain extention of EDFAs by amplifier espontaneous emission compensation in eletronic gain control

Orientadores: Aldário Chrestani Bordonalli, Júlio César Fernandes de OliveiraDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: Com base na estimativa do ruído de emissão espontânea amplificada (ASE) dentro do ciclo de atuação do controle eletrônico de ganho (CEG) de amplificadores a fibra dopada com érbio (EDFA), este trabalho mostra que é possível a extensão da faixa dinâmica de EDFAs controlados. Como o comportamento espectral do EDFA depende fortemente da disposição dos canais e do nível de potência de entrada, principalmente sobre operação saturada, esta estimativa pode ser obtida por meio do mapeamento prévio do acúmulo de ASE em função do ganho e da potência de entrada do EDFA, para diversas situações de alocação de canais. Desta forma, com o procedimento proposto, EDFAs com CEG que proporcionavam faixas dinâmicas de cerca de 11 a 12 dB passam a ter de 22 a 23 dB, valores próximos da faixa ideal, fazendo com que a técnica eletrônica de controle de ganho possa ser utilizada em EDFAs de redes reconfiguráveis, como amplificadores de potência ou, até, amplificadores de linhaAbstract: Based on amplified spontaneous emission (ASE) noise estimation within the cycle of the electronic gain control (EGC) actuation in erbium doped fiber amplifiers (EDFAs), this work proposes a technique that allows for the extension of the gain controlled EDFA dynamic range. Since the EDFA spectral behavior is strongly dependent on channel assignment and input power level, especially during saturated operation, this estimation can be obtained by a prior mapping of the ASE accumulation as a function of gain and EDFA input power, for various situations of channel wavelength assignment. Thus, EDFAs with EGC, which normally provide dynamic ranges from about 11 to 12 dB, could easily offer from 22 to 23 dB with the proposed procedure, values that are close to the ideal range, making the electronic gain control technique a candidate for reconfigurable network power amplifiers or even in-line amplifiersMestradoTelecomunicações e TelemáticaMestre em Engenharia Elétric

Extender box para redes ópticas passivas GPON

Mestrado em Engenharia Electrónica e TelecomunicaçõesAs Redes Ópticas Passivas de Acesso são hoje uma forte aposta dos operadores de telecomunicações. A constante necessidade de baixar os custos de instalação, levou o ITU a criar normas para regular a criação de dispositivos que aumentem a capacidade das redes GPON actualmente instaladas. Ao longo desta dissertação vamos analisar os requisitos definidos na norma GPON, para a implementação destes dispositivos, e avaliar os já existentes no mercado. Vão ser analisados os amplificadores ópticos existentes, e vai ser proposto um protótipo para uma Extender Box totalmente óptica. Esse protótipo vai ser implementado e serão feitos testes que aprovam o seu funcionamento em redes GPONThe Passive Optical Access Networks are today very important to the telecommunications operators. The constant need for lowering cost lead the ITU to create recommendations to allow the creation of devices that can increase the capability of the installed GPON networks. In the scope of this thesis we will analyze the requirements defined in the GPON recommendation to the implementation of such devices, and we will evaluate the available solutions in the market. We will analyze as well the optical amplifiers available and propose a prototype for an all-optical Extender Box. This prototype will be implemented and tests will be performed to validate its operation in GPON networks

Projeto de redes translucidas de longa distancia

Orientador: Helio WaldmanDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de ComputaçãoMestrad

Transmissão e receção a 40 Gb/s e 100 Gb/s

Estágio realizado na PT Inovação - e orientado pelo Eng. Cláudio Emanuel RodriguesTese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores (Área de Especialização de Telecomunicações, Electrónica e Computadores). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 201

Parameter selection in optical networks with variable-code-rate transceivers

Orientadores: Darli Augusto de Arruda Mello, Jacklyn Dias ReisDissertação (mestrado) ¿ Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: Os futuros transceptores ópticos coerentes serão capazes de ajustar parâmetros do sinal transmitido (formato de modulação, taxa de símbolo, taxa de codificação e número de subportadoras) de acordo com as condições do enlace óptico, de modo a usar o espectro disponível de modo mais eficiente. Quanto maior for a flexibilidade do transceptor, mais complexa se torna a tarefa de encontrar o conjunto ótimo de parâmetros para cada situ- ação, devido ao grande número de possibilidades. Esse trabalho utiliza uma combinação de derivações teóricas e resultados experimentais para recomendar o melhor conjunto de parâmetros para satisfazer uma demanda a ser roteada, levando em conta limitações reais dos algoritmos de processamento digital de sinais e dos transceptores. Os formatos de modulação utilizados foram 4-/8-/16-/64-QAM em taxas de símbolo variando de 8 a 32 GBd em passos de 2 GBd. Os resultados mostram que, quanto maior a granularidade de taxas de código implementadas pelo codificador/decodificador, maior a capacidade de redução da banda ocupada. Além disso, observa-se que os pontos ótimos de operação exi- gem cabeçalhos de FEC que variam de quase 0 até 145%, uma importante diretriz para o desenvolvimento de novos transceptores flexíveisAbstract: Future coherent optical transceivers will be able to adjust several parameters of the trans- mitted signal (modulation format, symbol rate, coding rate and number of subcarriers) according to optical link conditions so as to use the network as efficiently as possible. The greater the flexibility of the transceiver, the more complex the task of finding the optimal set of parameters for each situation, due to the large number of possibilities. This work uses a combination of theoretical derivations and experimental results to recommend the best set of parameters to satisfy a demand to be routed, accounting for limitations of digital signal processing algorithms and transceivers. The modulation formats used were 4-/8-/16-/64-QAM at symbol rates ranging from 8 to 32 GBd in 2-GBd steps. The results show that the higher the code rate granularity implemented by the encoder/decoder, the greater the bandwidth reduction capacity. In addition, it is noted that the optimal points require FEC overheads ranging from almost 0 to 145%, an important guideline for the development of future flexible transceiversMestradoTelecomunicações e TelemáticaMestre em Engenharia Elétric