A three stage large dynamic range automatic transimpedance control amplifier

Long haul fiber optic communication systems require extremely sensitive, low noise amplification of the weak photo diode currents generated by the received light power. Two types of amplifiers have been used for this application: a high input impedance integrating amplifier/differentiating equalizer combination or a transimpedance amplifier. Optical receivers designed with integrating amplifiers exhibit severe low frequency drift and overload problems and are not generally used in wide dynamic range receiver design. This thesis will describe an extremely wide dynamic range transimpedance amplifier incorporating unique methods to maintain stability, wide bandwidth low pulse width distortion during overload conditions

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

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 /

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

Piezo-generated charge mapping revealed through Direct Piezoelectric Force Microscopy

While piezoelectrics and ferroelectrics are playing a key role in many everyday applications, there are still a number of open questions related to the physics of those materials. In order to foster the understanding of piezoelectrics and ferroelectric and pave the way to future applications, the nanoscale characterization of these materials is essential. In this light, we have developed a novel AFM based mode that obtains a direct quantitative analysis of the piezoelectric coefficient d33. This nanoscale tool is capable of detecting and reveal piezo-charge generation through the direct piezoelectric effect at the surface of the piezoelectric and ferroelectric materials. We report the first nanoscale images of the charge generated in a thick single crystal of Periodically Poled Lithium Niobate (PPLN) and a Bismuth Ferrite (BiFO3) thin film by applying a force and recording the current produced by the materials. The quantification of both d33 coefficients for PPLN and BFO are 13 +- 2 pC/N and 46 +- 7 pC/N respectively, in agreement with the values reported in the literature. This new mode can operate simultaneously with PFM mode providing a powerful tool for the electromechanical and piezo-charge generation characterization of ferroelectric and piezoelectric materials

Optimization of multi-wavelength Photoplethysmographic for wearable heart rate acquisition

Photoplethysmographic is an optical measure technique for heart rate monitoring on the surface of the skin. PPG based wearable heart rate monitor has become popular in consumer targeted market. This thesis work is based on the PulseOn product development and the final implementation will be integrated into the PulseOn OHRM sensor product. Choice of the wavelength of PPG is a trade-off between power consumption and accuracy considering the activity type, skin color and skin perfusion. The subject of this thesis is implementing a channel selection algorithm, which is green and IR channel, on a commercially available PulseOn wrist band to optimize the power consumption and accuracy of the measurement. The channel selection algorithm is first implemented and evaluated in Matlab simulation and then implemented in C code. Performance of the channel selection algorithm on the device is evaluated considering various factors, including skin color, tightness of the wristband. The results show that channel selection algorithm can not only reduce the power consumption but also help to handle the measurement on different measurement conditions

A Bulk Driven Transimpedance CMOS Amplifier for SiPM Based Detection

The contribution of this work lies in the development of a bulk driven operationaltransconducctance amplifier which can be integrated with other analog circuits andphotodetectors in the same chip for compactness, miniaturization and reducing thepower. Silicon photomultipliers, also known as SiPMs, when coupled with scintillator materials are used in many imaging applications including nuclear detection. This thesis discuss the design of a bulk-driven transimpedance amplifier suitable for detectors where the front end is a SiPM. The amplifier was design and fabricated in a standard standard CMOS process and is suitable for integration with CMOS based SiPMs and commercially available SiPMs. Specifically, the amplifier was verified in simulations and experiment using circuit models for the SiPM. The bulk-driven amplifier’s performance, was compared to a commerciallyavailable amplifier with approximately the same open loop gain (70dB). Bothamplifiers were verified with two different light sources, a scintillator and a SiPM.The energy resolution using the bulk driven amplifier was 8.6% and was 14.2% forthe commercial amplifier indicating the suitability of the amplifier design for portable systems

Techniques for the design of a low noise, high dynamic range, high gain, wideband amplifier for analogue OEIC applications

Various techniques for the Design of a Low Noise, High Dynamic Range, High Gain, Wideband Amplifier for Analogue OEIC Applications, such as radar receiver arrays for electronic warfare applications were developed and investigated in this work. Firstly, the available transistor technologies, semiconductor technologies and photodetector technologies and their pros and cons in light of the target application type are investigated in order to decide on the technologies best suited for this research, and justification of the chosen options are presented. Secondly, three different known amplifier topologies are discussed and their linearity, gain, bandwidth, SFDR, and other performances are compared via simulations calibrated against measured results. The results from the comparisons are analysed and the amplifier topology most suitable for this work is chosen based on these results. Thirdly, three different circuit alteration techniques for improving the linearity and SFDR of the previously chosen amplifier topology are developed, analysed and verified through simulations. It is shown that these techniques can be combined to gain further improvement in overall performance. And finally, the influence of various geometrical and doping alterations of the transistor on desired figures of merit, i.e. gain, bandwidth, linearity, etc. are investigated in detail using two-dimensional physical device simulations calibrated against measured results of an InP/InGaAs single heterojunction bipolar transistor. The device simulations were carried out using Technology-Computer-Aided-Design (TCAD) within the SILVACO software package. The results are then used to suggest techniques to improve performance at the transistor level