Geri Dön

Bandwidth enhancement techniques for CMOS transimpedance amplifier

CMOS transferempedans kuvvetlendiricinin bant genişliği başarımını geliştirmeye yönelik teknikler

PDF İndir

  1. Tez No: 419021
  2. Yazar: JAWDAT ABUTAHA
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. METİN YAZGI
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2016
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 142

Özet

Bandwidth Enhancment techniques for CMOS Transimpedance amplifier CMOS Transferempedans Kuvvetlendiricinin bandgenisligi basarımını gelistirmeye yönelik teknikler haberlesme teknolojisinde ve uygulamalarında ortaya çıkan hızlı gelismeler ve uygulamalar verilere hızlı eri ̧sim avantajı yanında hızlı hesaplama ve haberlesme tekniklerine imkan veren bir bilgi ça gını ortaya çıkarmıstır. Sürekli artan hızlı bilgi transferi ihtiyacı, hızlı elemanların ve tümdevrelerin tasarımına yönelik ara stırmalara liderlik eden optik haberlesme teknigini dogurmustur. Veri iletimi için mevcut ortamlar arasında optik fiber yapıları en iyi ba ̧sarımı sunmaktadır. Günümüzde optik fiberler çok yogun sayısal veri transferinde geni ̧s kullanım alanı bulmaktadır. Yogun veri aktarımı kilometrelerce uzunlukta optik fiberler üzerinde önemli bir kayıp olmaksızın yapılabilmektedir. Normal ̧sartlarda, isaret aktarımının ışık ile yapılması durumunda ortaya çıkan kayıp elektriksel yolla yapılan aktarıma gore daha düsüktür. Optik fiberler genel basarımı iyilestirmenin yanında düsük maliyet avantajını da sunmaktadır. En yüksek teknolojilerde, optik fiber elemanları ve sistemleri çok yogun veri aktarımı amacıyla kullanılmaktadır. Sonuç olarak optik fiber teknolojisi düsük kayıpla çok yoğun veri aktarımını az maliyetle sunabilen bir teknoloji olarak günümüzde çok önemli bir konuma sahiptir. Genel olarak, optik haberlesme sistemlerinde kullanılan analog devreler Galyum Arsenik (GaAs) veya ̇ Indiyum Fosfid (InP) teknolojileri ile üretilmektedir. Bu prosesler yüksek hızlı devreler için olusturulmakta olup optik haberlesme sistemlerinin ihtiyaç duydugu yüksek band genisligine sahip devreleri üretmek için genellikle tek alternatif olarak karsımıza çıkmaktadırlar. Bununla birlikte, CMOS proseslerinde ortaya çıkan hızlı gelismeler sayesinde daha yüksek ba ̧sarımlara sahip analog devreleri CMOS proses kullanarak tasarlama ve gerçeklestirme imkanları gittikçe artmaktadır. CMOS prosesin tercih edilmesine sebep olan en önemli avantaj maliyetlerde ortaya çıkan büyük düsüstür. CMOS proseslerin maliyetinin düsük olmasının sebebi, büyük alan kullanımı gerektiren sayısal devre gerçeklestirmelerinde çok geni ̧s bir kullanıma sahip olmasıdır. CMOS prosesin diger bir avantajı sayısal ve analog devrelerin aynı taban üzerinde gerçeklestirilmesine imkan vermesidir. Transferempedans kuvvetlendirici (TIA) optik haberlesme alıcılarındaki ilk blok olup girisindeki akımı çıkı ̧sında gerilime dönüstürmektedir. Tipik bir TIA'nın önemli ba ̧sarım ihtiyaçları genis bandgenisligi, yüksek transferempedans kazancı, düsük gürültü, düsük güç tüketimi ve küçük grup geçikme degisim aralıgıdır. Nano teknolojilerdeki güncel gelismeler, optik alıcıların giriş katı uygulamalarında gerekli kolay bir ̧sekilde elde edilemeyen ba ̧sarımları sa glayabilen CMOS Transfer- empedans Kuvvetlendiricinin (TIA) tasarımını ekonomik hale getirmistir. TIA tasarımında dikkat edilmesi gereken iki önemli mesele bandgenisligi ve giris hassasiyetidir. TIA'nın bandgenisli gi genellikle giristeki parasitic kapasite tarafından sınırlanmaktadır. TIA'nın bandgenisligi fotodiyot kapasitesi, transistor giris kapasitesi ve transistor giris direncinin belirledigi RC zaman sabiti ile bulunabilir. Giriş hassasiyeti ise TIA'nın giris gürültü akımından etkilenmektedir. Bundan dolayı TIA'nın bandgenisligi ve giris isareti hassasiyeti basarımlarını optimum bir ̧sekilde temin eden uygun devre topolojisinin belirlenmesi önemli bir meseledir. Bu tez, CMOS teknolojisi kullanan Transferempedans Kuvvetlendiricinin band- genisligi basarımını gelistirmeye yönelik yeni teknikler sunan bir çalısmadır. CMOS TIA'nın bandgenisligi basarımını iyileştirmeye yönelik farklı yaklasımlar tez içerisinde gösterilmektedir. Bundan baska, bu çalı ̧sma transferempedansı kuvvetlendiricinin analizini ve tasarımını tam olarak anlamak için gerekli altyapı bilgisini de sunmaktadır. Bu tezde, sistemle devre tasarımı arasındaki boslugu doldurmak için ̧sunlar yapılmıstır: - Band genisligi basarımının arttırılmasının matematiksel analizlerle anlasılması. - Gerçeklestirilebilir yeni devre yapılarının tanıtılması. - Teklif edilen tasarımların CMOS teknolojisiyle gerçeklestirilebilirliğinin kapsamlı ve detaylı simülasyonlar kullanılarak gösterilmesi. Sunulan yeni devre yapılarının ilki olarak, negatif empedans devresinin bandgenisligi artısı için kullanılabilecegi bu tezde gösterilmiş olup bu teknik bu tezde TIA'nın çıkı ̧s kutpu için uygulanmaktadır. Bandgenisligi, kazancı (gmRout) arttırarak ve çıkışta aynı zaman sabiti korunarak arttırılabilir. Çıkı ̧s direnci arttırılarak kazanç (A) yükseltilebilir. Çıkış direnci çıkı ̧sa uygulanacak bir negative direnç devresi ile arttırılabilir. Çıkısta aynı zaman sabitini korumak için ise negatif kapasite devresi kullanılabilir. Daha yüksek kazanç değeri (A) rezistif geribesleme sayesinde giriş direncini azaltarak giris kutbunun yükselmesini saglamaktadır. Sonuç olarak, bandgenisliği ba ̧sarımında bir iyile ̧stirme elde edilebilmektedir. Teklif edilen topoloji ile 7GHz bandgenisligine ve 54.3dB'lik kazanca sahip bir TIA tasarlanmıştır. Teklif edilen TIA'nın 1.8V'luk besleme kaynagından çektigi toplam güç 29mW'tır. Teklif edilen TIA'nın 0.18um CMOS proses ile post-serimi yapılmı ̧stır. Benzetimle elde edilmiş giris gürültü akım yogunlugu 5.9pA/ Hz olup kapladığı alan 230umX45um olmu ştur. Tezde bir sonraki çalı ̧smada eslestirme teknigi kullanılarak genis bantlı bir TIA tasarlanmıstır. Girişte seri empedans eslestirme teknigi ve çıkısta T tipi eslestirme yapısı birlikte kullanılarak TIA'nın bandgenisli gi başarımının iyi bir düzeyde iyilestirilebilecegi gösterilmi ̧stir. Bu yakla sım 0.18um CMOS teknolojisi ile yapılmıs bir tasarım örneği ile desteklenmi stir. Post serim sonuçları 50fF'lık bir fotodiyot kapasitesi için 20GHz'lik bandgenişliği, 52.6dB'lik transferdirenci kazancı, 8.7pA/ Hz 'lik giris gürültü akımı ve 3pS'den daha az grup geçikmesi ba ̧sarımılarını vermiştir. Bu TIA uygulaması 1.8V'luk besleme kaynagından 1.3mW güç çekmistir. Tezin üçüncü asamasında TIA band genişliği başarımını arttırmaya yönelik ba ̧ska bir yapı sunulmaktadır. Bu yapı, literatürde bilinen regule edilmiş 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 kullanılmıstır. 100fF'lık fotodiyot kapasitesine sahip bir TIA 0.18um CMOS prosesi ili tasarlanmıstır. Post-serim sonuçları 13GHz'lik bandgeni ̧sliği, 53dB'lik transferdirenci kazancı, 24pA/ Hz 'lik xxvi giris gürültü akımı ve 5pS'den daha az grup geçikmesi ba ̧sarımılarını vermistir. Bu TIA uygulaması 1.8V'luk besleme kaynagından 11mW güç çekmistir. Tezin dördüncü asamasında, regule edilmiş ortak geçitli mimari kullanan TIA'nın bandgenisligi basarımını arttırmaya yönelik bir teknik tanıtılmıstır. Bu teknik, resistif kompanzasyon teknigini ve merdiven eslestirme yapısını bir kaskod akım kaynagı ile birlikte kullanmaya dayanmaktadır. Bu yapının ba ̧sarımını göstermek amacıyla, 0.18um CMOS prosesi ile bir tasarım yapılmı ̧stır. Post-serim sonuçları 8.4GHz'lik bandgeni ̧sli ̆ gi, 51.3dB'lik transferdirenci kazancı, 20pA/ Hz 'lik giris gürültü akımı ve 4pS'den daha az grup geçikmesi ba ̧sarımılarını vermi ̧stir. Bu TIA uygulaması 1.8V'luk besleme kayna gından 17.8mW güç çekmistir. Tezin son asamasında, tezde sunulan teknikler ve yapıların kendi aralarında karsılastırılması verilmektedir. Karsıla stırma öncelikli olarak band geni ̧sli ̆ gi, transferempedansı kazancı, gürültü, güç tüketimi, grup geçikme degisim aralıgı ve kapladıgı alan için yapılmaktadır. Bunlara ek olarak, sunulan yapıların kullandıgı tekniklerin avantajlı yanları ile birlikte (kararlılık üzerinde olu ̧sabilecek negatif etkiler gibi) dezavantajlı tarafları da tezin son a ̧samasında verilmektedir. Tezin son a ̧samasında yapılan kar ̧sıla ̧stırmalar, en iyi bant genişligi başarımının esle ̧stirme teknigini kullanan yapıdan elde edildigini göstermektedir. Bununla birlikte diger yapıların da band genisligi başarımı üzerinde önemli iyile ̧stirmeler yaptıgı ortaya konulmaktadır. Gürültü açısından ise en yüksek basarımın negatif empedans teknigini kullanan yapıda elde edildigi görülmektedir. Bu yapı aynı zamanda düsük alan kullanımı imkanı da sunmaktadır. Tezde sunulan diger iki yapı ise özellikle yüksek degerli fotodiyot kapasiteleri için incelenmis olup band genisligi basarımı üzerinde önemli iyilestirmeler yaptıkları gösterilmektedir. Sonuç olarak, bu tezde transferempedans kuvvetlendiricinin bandgenisligi başarımını iyileştiren farklı teknikler sunulmakta olup bu teknikler ayrıntılı ve karsılastırmalı olarak incelenmektedir. Tezde verilen sonuçlar sunulan yeni tekniklerin başarımlarının yüksek oldugunu ve literature yeni ve güçlü alternatfiler sunuldugunu göstermektedir. Tezde sunulan yaklasımların ve tekniklerin gelecekte yapılacak benzer arastırmalara hem yardımcı olacak hem de referans olacak nitelikte oldugu düsünülmektedir.

Özet (Çeviri)

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. 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.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    439672

    High performance tunable active inductors for microwave circuits

    Mikrodalga devreleri için yüksek başarımlı ayarlanabilir aktif endüktörler

    HADI GHASEMZADEH MOMEN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. METİN YAZGI

    YRD. DOÇ. DR. RAMAZAN KÖPRÜ

  2. Tez No

    100753

    Statistical design and yield enhancement of low voltage cmos VLSI circuits

    Düşük gerilimli analog VLSI devrelerin istatistiksel tasarımı

    TUNA B. TARIM

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    1999

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. H. HAKAN KUNTMAN

  3. Tez No

    403334

    CMOS transformer-based doherty power amplifiers

    Başlık çevirisi yok

    ERCAN KAYMAKSÜT

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKatholieke Universiteit Leuven (Catholic University of Leuven)

    Prof. Dr. PATRICK REYNAERT

  4. Tez No

    468078

    Investigation and improvement of ultra wideband antenna characteristics

    Ultra geniş bantlı anten karakteristiklerinin incelenmesi ve iyileştirilmesi

    DUYGU NAZAN GENÇOĞLAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAdana Bilim ve Teknoloji Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ŞULE ÇOLAK

  5. Tez No

    898178

    Design and performance enhancement of an ultra wideband vivaldi antenna

    Ultra geniş bantlı vivaldi antenlerin tasarımı ve performans iyileştirmesi

    İZZET GÜZELKARA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAbdullah Gül Üniversitesi

    Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ VELİ TAYFUN KILIÇ

Geri Dön