Negative capacitances in TIA applications

Abstract

Large area photodiodes (PDs) are advantageous for long distance optical data transmission in free space, but impact the bandwidth and noise performance of the transimpedance amplifier (TIA) that converts and amplifies the photocurrent, due to significant parasitic capacitance. Negative equivalent capacitance can be generated at the input of the TIA via the Miller effect to compensate the PD capacitance. However, the impact of negative capacitance on TIA stability, noise performance and frequency response has not been thoroughly studied so far. These characteristics are vital to ensure a functioning TIA implementation and to meet bit error rate (BER) or distance requirements. This thesis presents a rigorous study of stability and noise in shunt-feedback TIAs with negative capacitance. Although the focus is on generality, a CMOS three-inverter TIA is used as a prime example throughout this work. Pre-layout simulations and analytic modeling are used to approach the problems. Stability limits for the loop gain and closed-loop transimpedance are derived analytically. Thereby it is shown that negative capacitance can provoke a state with unstable loop gain, but overall stable transimpedance. The dependency of input referred noise on negative capacitance is expressed analytically, and it is shown that noise can be optimized by setting a specific amount of negative capacitance. Anapproximation for this optimal capacitance is derived. At the optimal point the input referred root mean square (RMS) noise current improves by up to −6 dB compared to the same TIA without negative capacitance.

Großflächige Photodioden (PDs) bringen Vorteile für die optische Freiraumübertragung von Daten, verschlechtern jedoch das Verhalten des nachfolgenden Transimpedanzverstärkers (TIA), der den Photostrom verstärkt und in eine Spannung konvertiert. Insbesondere erhöht sich durch die größere Fläche die parasitäre Kapazität der PD, welche die Bandbreite des TIA schmälert und dessen Rauschverhalten nachteilig beeinflusst. Um diesem Verhalten entgegenzuwirken kann über den Miller-Effekt eine negative äquivalente Kapazität am Eingang des TIA erzeugt werden, welche die parasitäre Kapazität kompensiert. Die Auswirkungen der negativen Kapazität auf das Frequenzverhalten, die Stabilität und das Rauschverhalten von TIAs wurden in der Literatur bisher unzureichend untersucht, obwohl diese Eigenschaften essenziell für eine funktionierende Realisierung, und für die Erfüllung von Spezifikationen der Bitfehlerrate (BER) oder Übertragungsdistanz, sind. Diese Diplomarbeit präsentiert eine rigorose Untersuchung des Stabilitäts- und Rauschverhaltens von parallel rückgekoppelten TIAs (shunt-feedback TIAs) mit negativer Kapazität. Der Fokus liegt dabei auf der Allgemeingültigkeit der Ergebnisse, obwohl in der gesamten Arbeit ein dreistufiger CMOS Inverter-TIA als primäres Anwendungsbeispiel dient. Zur Untersuchung der Problemstellungen werden pre-layout Simulationen sowie analytische Modelle herangezogen. Die Stabilitätsgrenzen der Schleifenverstärkung und der Transimpedanz des geschlossenen Systems werden analytisch hergeleitet. Anhand dieser Grenzen wird gezeigt, dass durch negative Kapazität ein Zustand mit instabiler Schleifenverstärkung auftreten kann, während die Transimpedanz stabil bleibt. Weiters wird die Abhängigkeit des eingangsbezogenen Rauschens von der negativen Kapazität analytisch ausgedrückt. Es wird gezeigt, dass Rauschen durch bestimmte Werte negativer Kapazität minimiert wird. Eine Näherung des optimalen Wertes für die negative Kapazität wird hergeleitet. Im Minimum ist eine Verbesserung des Effektivwerts des eingangsbezogenen Rauschstroms um bis zu −6 dB, im Vergleich zum selben TIA ohne negative Kapazität, gegeben.