Untersuchung kapazitiver Transimpedanzverstärker für optische Empfänger

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines hochempfindlichen optischen Datenempfängers in Form einer optoelektronischen integrierten Schaltung (OEIC). Der dabei eingesetzte Transimpedanzverstärker (TIA), der zur Umwandlung des Photostroms in eine Spannung erforderlich ist, hat eine kapazitive Rückkopplung, um im Vergleich zu einem Rückkopplungswiderstand zusätzliches Rauschen zu vermeiden. Der TIA verhält sich daher wie ein Integrator für den Photostrom. Für die Integration werden die kleinsten möglichen Kapazitäten zur Rückkopplung verwendet. Die Schaltung benötigt auch keinen Reset-Mechanismus oder Parallelstrukturen, da der mittlere Photostrom mit einem Transistor am Eingangsknoten kompensiert wird, um eine Übersteuerung des Empfängers zu vermeiden. Diese Kompensation wird durch eine Regelschleife realisiert, die den Arbeitspunkt der Schaltung nach dem Einschalten vorgibt und anschließend den tatsächlich empfangenen mittleren Photostrom kontinuierlich kompensiert. Aufgrund dieses Regelkreises besteht auch eine gewisse Unempfindlichkeit gegenüber Hintergrundlicht. Ein nachgeschalteter Differenzierer kehrt das integrierende Verhalten des TIA um, um schließlich wieder die Bitfolge zu erhalten. Am Ausgang steht ein digitales Signal an einem 50 Ω-Port zur Verfügung. Als Photodiode wird eine integrierte PIN-Photodiode mit kleiner Kapazität verwendet. Die Bandbreite des Empfängers ist für 100 Mbit/s Signale mit einem minimalen mittleren Photostrom bis hinunter in den nA-Bereich ausgelegt. Der OEIC wird in einem 0,35 μm BiCMOS-Prozess mit einer nominalen Versorgungsspannung von 3,3 V von X-FAB Silicon Foundries entworfen.

In this work, a highly sensitive optical data receiver implemented as an optoelectronic integrated circuit (OEIC) is designed. The used transimpedance amplifier (TIA) necessary to convert the photocurrent into a voltage has a capacitive feedback to avoid additional noise compared to a feedback resistor. The TIA therefore behaves like an integrator for the photocurrent. For integration the smallest possible capacitances are used for feedback. The circuit does not require a reset mechanism or parallel structures since the average photocurrent is compensated with a transistor at the input node to avoid overdriving of the receiver. This compensation is realized by a control loop which sets the operating point of the circuit after power-up and subsequently compensates the actual average received photocurrent continuously. Due to this control loop, there is also some insensitivity to background light. A subsequent differentiator is added to reconvert the integrating behavior of the TIA to finally get the bit sequence again. At the output, a digital signal is available at a 50 Ω port. An integrated PIN diode with low capacitance is used as a photodiode. The bandwidth of the receiver is designed for 100 Mbit/s signals with a minimum average photocurrent down into the nA range. The OEIC is designed in a 0.35 μm BiCMOS process with a nominal supply voltage of 3.3 V by X-FAB Silicon Foundries.