Design of low noise transimpedance amplifiers for long range optical networks

Autor: Andre da Fontoura Ponchet
Přispěvatelé: Swart, Jacobus Willibrordus, 1950, Fruett, Fabiano, Manêra, Leandro Tiago, Lima, Robson Nunes de, Noije, Willhelmus Adrianus Maria Van, Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Rok vydání: 2016
Předmět:
Zdroj: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
instacron:UNICAMP
Popis: Orientador: Jacobus Willibrordus Swart Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Resumo: Amplificadores de transimpedância exercem papel crucial no desempenho de receptores optoeletrônicos. A taxa de bits do sistema está diretamente ligada à banda do amplificador e à densidade espectral de ruído na entrada, especificada em unidades de corrente. O projeto de amplificadores de transimpedância de baixo ruído é desafiador uma vez que há um compromisso direto entre largura de banda, ganho, consumo de potência e casamento de impedância. O cascode regulado é uma topologia largamente utilizada em projeto de amplificadores de transimpedância. Embora seja eficiente com relação a consumo de potência e largura de banda, o cascode regulado apresenta níveis de ruído na entrada elevados que dificulta o uso desta topologia em redes ópticas de longa distância. Este trabalho propõe duas arquiteturas de amplificadores de transimpedância para taxas de 10 Gbps, 25 Gbps e 100 Gbps, em tecnologias 130 nm RF CMOS e BiCMOS, otimizadas através de um novo método analítico desenvolvido a partir do modelamento de ruído e da análise de pequenos sinais que utiliza a técnica da constante de tempo em circuito aberto. A técnica proposta permite otimizar, simultaneamente, a largura de banda do circuito e a densidade espectral de ruído com referência à entrada. Os amplificadores de transimpedância foram fabricados e apresentaram valores de ruído com referência à entrada significativamente inferiores aos reportados na literatura científica. Para aplicações com taxas de 10 Gbps, os circuitos projetados em tecnologia 130 nm RF CMOS apresentam níveis de ruído na entrada abaixo de 7.0 pA/Hz. Para taxas de 25 Gbps e 100 Gbps, foram obtidos valores de ruído com referência à entrada iguais a 12 pA/Hz e 19.4 ,pA/Hz, respectivamente. Os resultados obtidos confirmam a eficiência do método de otimização proposto Abstract: This thesis proposes, as main contribution, a new methodology to optimize the design of low noise transimpedance amplifiers. Transimpedance amplifiers play a crucial role in the performance of optoelectronic receivers . The system bit rate is directly related to the amplifier bandwidth and noise spectral density, specified as an electrical current. The design of low noise transimpedance amplifiers is challenging since there is a direct conflict between bandwidth, transimpedance gain, power consumption and impedance matching. The regulated cascode is a widely used topology in transimpedance amplifiers projects. Although it is efficient with respect to power consumption and bandwidth, the regulated cascode presents high input-referred current noise levels that hindering the use of this topology in long distance optical networks. This work proposes three transimpedance amplifiers architectures for 10 Gbps, 25 Gbps e 100 Gbps bit rates manufactured in 130nm CMOS and BiCMOS technologies. The proposed circuits were optimized through a new analytical method developed from noise modeling and small signal analysis based on the open circuit time constant technique. This method allows to optimize the bandwidth and the noise spectral density of the proposed circuits simultaneously. The proposed transimpedance amplifiers for 10 Gbps data rates have input-referred current noise below 7.0 pA/Hz. For 25 Gbps and 100 Gbps data rates, the proposed amplifiers in 130nm BiCMOS technology have input-referred current noise equal to 12 pA/Hz e 19.4 pA/Hz, respectively. These results confirm the efficiency of the proposed technique Doutorado Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica Doutor em Engenharia Elétrica FAPESP CAPES CNPQ
Databáze: OpenAIRE
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