Design of differential transimpedance amplifier in SiGe BiCMOS for 10 Gbit/s fiber optical receivers
10 Gbit/s fiber optik alıcılar için SiGe BiCMOS farksal geçiş-empedansı kuvvetlendiricisi tasarımı
Yazar: YUNUS AKBEY
Danışman: PROF. DR. OSMAN PALAMUTÇUOĞULLARI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
1970'lerin başında silika fiberin kaybının 20 dB/km düzeyinin altına indirilmesi sonucunda, telekomünikasyon sektöründe ve daha sonra internet ve veri paylaşımı alanında fiber optiğin payı yıllar ilerledikçe artmıştır. Şüphesiz bunda etkili olan en büyük nedenler; ışığın kullanılmasıyla gerçekleştirilen veri transferinin EMI'den çok az etkilenmesi, çapraz-geçişin (cross-talk) çok az oluşu, düşük üretim ve montaj maliyetleri ve de dayanıklılık gibi fiber kablonun sağladığı üstünlüklerdir. Fiber optiğin en azından teorik olarak hali hazırda çok büyük bant genişliği sağlayabilmesi ve büyük veri taşıma sığası sunması, daha hızlı uç elemanlarına ve elektronik tümdevrelerine gereksinim olduğu gerçeğini de beraberinde getirmiştir. 
Yarıiletken teknolojisindeki yeni gelişmeler sonucu ortaya çıkmış bulunan heterostructure" ve "heterojunction" yarı iletken devre/kırmık elemanları, fiber iletişimin öngördüğü hızlı veri taşıma ve düşük gürültü özelliğini bir arada sunabildiklerinden, fiber optik alıcı ve vericilerinin uç elemanları olarak geniş kullanım alanı buldular.
SiGe çift kutuplu (bipolar) tranzistorunun geliştirilmesiyle, bu teknoloji ürünü tranzistorlar, fiber optik alıcılarında uç elemanı olarak kullanımlarında önem kazanmışlardır. SiGe teknolojisi, çift kutuplu Si tranzistorun Baz bölgesine belirli oranda Germanyum katkılanmasıyla, aynı boyutlardaki bilinen çift kutuplu tranzistora (BJT) göre daha büyük fT kesim sıklığı olanağını sunmuştur. Baz bölgesi dağılmış direncinin de daha düşük değerlere düşmesi sonucunda da, daha düşük gürültülü uç elemanlar gerçeklenebilmesine olanak sağlamıştır. Bu üstünlükleriyle SiGe, yukarıda sözü edilen III-V ve HBT yapılarıyla rekabet etme şansı bulmuştur. Ardından SiGe BiCMOS teknolojisi, alcının analog ve sayısal tüm öbeklerinin aynı kırmık üzerinde tümleştirme olanağını da sunabildiğinden, düşük gürültülü, geniş bantlı ve düşük maliyetli çözümler gerçeklemede söz konusu alanlar için çok çekici olmuşlardır. 
Vericideki lazer diyot aracılığı ile sayısal veri, ışık kaynağına dönüştürülür ve fiber kabloya gelir. Fiber kablo içinde yitime ve dağılıma (dispersion)  uğratılan, modüle edilmiş (kodlanmış), sayısal bilgi taşıyıcısı ışık, alıcıdaki foto diyot tarafından yeniden elektrik akımına dönüştürülür. Burada bu elektrik akımı, önce TIA tarafından yükseltilip kendisiyle orantılı gerilime dönüştürüldükten sonra, ikincil kuvvetlendirici ile (post amplifier, PA) genliği daha da artırılarak saat devresine (clock and data recovery, CDR) gönderilir. Saat devresinde saat işareti ve veri bilgisi ayrıştırılır ve daha küçük hızlara azaltılmak için "DEMUX" devresine gönderilir. CDR bir eşik gerilimi üretir. Bu eşik geriliminin üzerindeki genlik sayısal "1", altındaki genlik sayısal "0" olarak belirlenir. Burada CDR, bu süreci gerçekleştirmek için her bir darbe süresinin tam ortasında karar verir. Bunu yapmasının nedeni dağılıma ve bozunuma uğratılmış işaretteki farklılaşmaları göz önüne alarak en güvenli bit çözümlemesini gerçekleştirmesidir.
Bu noktada TIA tasarımının büyük önemi bulunmaktadır. Çünkü TIA işaretin foto diyottan sonra uğradığı en ön kattır ve bütün alıcının gürültüsünü büyük oranda bu katın gürültüsü belirleyecektir. Dolayısıyla gerçekleştirilecek TIA'nın düşük gürültülü olması gereklidir. Dağılım/bozunum etkilerinden kaynaklanan kare dalgadaki bozulmalar, gürültünün de etkisiyle her bir darbenin CDR tarafından yanlış çözümlenme olasılığını artıracaktır. Bunun önüne geçmek için alıcının duyarlılığı belirli bir hata payı üzerinden hesaplanır. Doğal olarak, TIA'nın bu duyarlılığa etkisi büyüktür. Bu duyarlılık, fiber iletişim kurallarının belirlediği bit-hata-oranı (bit-error-rate, BER) üzerinden hesaplanır ve göz diyagramları (eye diagrams) çıkıştaki işaretin ne derece düzgün olduğunu görmemizi sağlar. 
Bu projede 10 Gbit/s gibi hızlı bir uygulama hedeflendiğinden TIA'nın geniş bantlı olması gerekeceği açıktır. Bu düzeydeki bir hızla modüle edilmiş işaret; bant genişliği yeterli olmayan bir TIA'ya uğradığında, işarette bozulmalar meydana gelecek ve göz diyagramında yatay ve dikey kapanmalar gözlenecektir. Bununla birlikte gereğinden fazla bant genişliği girişte daha büyük toplam gürültüye neden olacağından, TIA'nın bant genişliği ve gürültüsü arasında bir uzlaşının sağlanması gerektiği açıktır. 10 Gbit/s NRZ koduna sahip veri işareti için yaklaşık 7 GHz bant genişliğine sahip bir uç devresi fiber optik alıcılar için yeterli olabilmektedir.
Sıklık (frekans) domenindeki düzgün sıklık tepesi ve yeterli bant genişliği ölçümleri, çıkıştaki işaretin şeklinin düzgün olabilmesi için yeterli değildir. Dolayısıyla işaretin evresindeki (phase) değişimler de gözlemlenmelidir. Yeteri kadar doğrusal olmayan evre tepkesi ya da düşük evre paylı işaret, geçici rejim (transient) ölçümlerinde aşımlara neden olabilmektedir.
Gürültü ve hız arasındaki optimizasyonda TIA'nın kazancı, düşük güçlü ve tek besleme kaynağına sahip olması gibi diğer önemli ve ayırt edici özelliklerin de eklenmesiyle, TIA tasarımında bu özelliklerin arasından istenen hız için en optimum performansı sağlayacak sonuçlar elde edilmeye çalışılmalıdır. Çünkü sahip olunan yarı iletken teknolojisinin özellikleri ulaşılabilecek performansı büyük ölçüde belirlemektedir. 
Büyük geçiş-empedansı (transimpedance) kazancı elde etmek aynı zamanda büyük bant genişliği elde etmeyi sınırladığından genellikle ikincil kuvvetlendiriciye ihtiyaç duyulur. Bu ikincil kuvvetlendiriciler farksal yapıya sahiptir. CDR'deki veri çözümleme işlemi için birkaç yüz mili volt yeterli olabilmektedir. Dolayısıyla TIA'dan elde edilecek 50-60 dBΩ mertebelerindeki kazanca ilaveten 30-40 dB aralıklarında ikincil kuvvetlendiriciye ihtiyaç olacaktır. 
TIA'nın fark kuvvetlendiricisi şeklinde tasarlanması güç kaynağı dalgalanmalarını, ortak biçim gürültüsünü ve parazitik etkenlerin neden olabileceği kararsızlık sorunlarını büyük ölçüde giderir. Aynı zamanda ikincil kuvvetlendiricide ayrıca bir referans gerilim üretecini gerekli kılmaz. Bu anlamda farksal yapıyı ihtiva eden TIA tekil yapıya göre daha avantajlıdır. Ancak farksal yapıdaki ilave tranzistorlar ve tümdevre elemanları, gürültünün artmasına dolayısıyla duyarlılığın kötüleşmesine de neden olacaktır. İlaveten, foto diyotun tek çıkış üretmesine karşılık TIA'nın iki girişi olması, asimetrik sorunlara neden olacaktır. Bunun için bu çalışmada foto diyot TIAnın diğer ucunda da modellenmiştir.
TIA tasarımında yukarıda belirtilen performans ölçütlerine ulaşmak için geliştirilen/sunulan değişik devre yapıları ve performans arttırıcı teknikler kaynaklarda vardır. Bu çalışmada bunlara değinilmiş ancak tasarlanan devrenin iyi sonuçlar vermesiyle bu yapıları kullanmaya gereksinim kalmamıştır. 
Bu çalışmada 10 Gbit/s hızındaki fiber optik uygulamaları için fiber optik alıcının en önemli katlarından birisi olan geçiş-empedansı kuvvetlendiricisi (transimpedance amplifier) tasarlanmış, devrenin benzetimleri gerçekleştirilmiş ve sonuçları sunulmuştur. Söz konusu yarı iletken teknolojisi ile en iyi devre yapıları ve mimarileri incelenmiş, analizleri ve benzetimleri yapılmıştır. En iyi sonuçlar paralel-direnç geri besleme devresi kullanılarak elde edilmiştir. 
Düzgün bir sıklık tepesi ile 9 GHz kesim frekansı elde edilmiştir. İlaveten, oldukça doğrusal evre tepkesi sonucuna ulaşarak, 1ps den daha az grup gecikmesi (group delay) değişimi elde edilmiştir. 58 dBΩ farksal TIA kazancı sağlanmış ve 1.061 μA toplam giriş gürültüsü ile 15 μApp elektrik duyarlılığı elde edilmiştir. En yüksek farksal çıkış işareti salınımı 320 mVpp'dir. Güç tüketimi tek besleme kaynağından, 3.3 V ile 71 mW'dır. Her bir TIA tasarımı için ayırt edici ölçüt olan ortalama giriş gürültüsü 11.18 pA/√Hz'dir. Gerçeklenen TIA, PA ile aynı kırmık içinde gerçeklenmemesi durumunda, S22 benzetimi 1 GHz ile 9 GHz arasında -15 dB'in altında kalacak şekilde elde edilmiştir. Gerçeklenen devre 10-Gbit/s hızı için ve SONET OC-192 standartları için uygun bir devredir.

Abstract:
After the beginning of 70s that first low loss silica fiber was presented, fiber optic communication has dominated to the telecommunication field and data transportation including short-haul and long-haul networks. The main reason for that fiber optic communication offers relatively very large bandwidth. Furthermore, the transmission using light keeps superior advantages over the conventional electrical communications such as no cross-talk, immune to the EMI, easy implementation and endurance.
Because fiber theoretically has enormous bandwidth and huge data transport capacity, heterostructure and heterojunction transistors such as GaAs and InP have dominated to photoreceivers since they exhibit very good bandwidth and noise performance simultaneously. SiGe BiCMOS however has provided cost-effective alternative for the realization of photoreceivers because SiGe BiCMOS can combine entire receiver in a single die. While high-gain, low-noise and high speed capability of SiGe is assisted for the analog part, CMOS circuits can build digital architecture of the optical receiver. 
As for the receiver, the light transmitted by laser diode travels through fiber and experiences loss and dispersion before reaching a photodiode at the far end. The photodiode then senses the power of light and transforms the light intensity to a proportional photocurrent. At the receiver front-end, transimpedance amplifier (TIA) is an interface that converts the receiving photocurrent to electrical voltage. This amplified voltage generally is not enough for further digital processing. A second amplifier, namely post amplifier (PA), further increases the signal level. Clock and data recovery (CDR) extracts the digital data and clock information from the received signal. This is done by defining the threshold voltage. The pulse is assigned to "1" when the pulse amplitude is above the threshold voltage. In other case, when the pulse amplitude is lower than threshold voltage, the pulse is assigned to "0". During recovery of the received data, CDR decides at the midpoint of each pulse in order to lower bit-error-rate (BER).
In addition to low power and single supply operation, TIA must exhibit linear phase response in order to be used for 10 Gbit/s applications. Trade-off between noise, speed, gain and supply voltage presents many challenges in TIA design. Overall sensitivity of the receiver is mostly determined by TIA because TIA is the first electrical part after photodiode. That being the case, TIA must maintain a reasonable signal gain as well as producing little noise to improve the sensitivity. It is also desirable to accommodate wideband data extending from almost dc to high frequencies to avoid intersymbol interference (ISI), which lowers BER. As performance indicators, BER is used to determine the bandwidth and the sensitivity, and the eye diagrams can be visual aids to estimate or to troubleshoot sources of noise and the other limiting factors. To meet these requirements, this study presents a new topology and compares it with the other transimpedance amplifier topologies. 
In this thesis, the differential SiGe transimpedance amplifier for 10 Gbit/s fiber optical receivers is realized and its results are presented. The TIA is optimized for the best phase linearity over the bandwidth resulted in a group delay variation less than 1 ps. No inductor is used to achieve wideband operation. SiGe HBT BiCMOS enables TIA to be a cost-effective alternative and to integrate with other blocks of the fiber optical receiver. The differential structure of the TIA makes it immune to the effect of the supply and substrate noise. While flat frequency response with 9 GHz bandwidth is obtained, differential transimpedance gain is almost 58 dB. The electrical sensitivity of the proposed TIA is 15 App. Power consumption is 71 mW and maximum differential output swing is 320 mVpp. It is shown that the differential TIA is well suited for 10 Gbit/s data rate and OC-192 specifications.