Giriş: Optik Alıcılarda TIA'nın Eleştirel Rolü

Küresel bant genişliği için iştah yavaşlama işareti göstermez. Cloud Computing platformları, video hizmetleri, 5G mobil altyapısı ve Internet of Things cihazlarının yaygınlaşması, yüksek hızda veri taşıma için kullanılabilir bir talep sunar. Optik iletişim bağlantıları 100 Gb /s, 400 Gb /s, ve şimdi 800 Gb /s, bu dijital ekosistemin arka kemiğini oluşturur.Her optik alıcının sonunda transimpedans amplitüdücüklülüğünde başarısız olur.

Aynı anda yüksek kazanç, geniş bant genişliği, düşük gürültü, mükemmel lineerlik ve düşük güç tüketimi, rakip performans ölçümleri arasındaki ticari bağlantıların aksine, yüksek devrelerin üst düzeylerinde bir TIA'nın çalışmasını ve parasitik kapasitelerin en aza indirdiği bir düzende uygulamayı sağlamak.Bu makale, rekabetçi performans ölçümleri ile modern iletişim sistemleri arasında ticari olarak gerekli olan stratejileri ve uygulamaları yürütmek zorundadır.

Fotodiode Interface ve Giriş Node Optimizasyon

[Sessizler, sağda, solunda, solunda, solunda bulunan bir akıp giden bir akıp giden bir s.

Düşük bir kavim cihazı ile fotoyode seçmek, belirgin bir ilk adımdır. Küçük a fotodiodes daha düşük kapasiteli bir transkripsiyon veya mikroplama içeren bir işlemdir.Seks ve bant genişliği arasında bir kaç tane daha fazla çekim ve TIA girişi mümkün olduğunca kısa olmalıdır, ideal olarak 5 mm'nin altında, kontrol edilen bir şekilde sabit diskotuklama hattı ile uygulanan.

Anahtar Performans Parametreleri ve Interconnections

Bir transimpedans yükselticisi, çeşitli ilgili değer figürleri ile karakterize edilir. Tek parametre izolasyonda optimize edilemez; her ticaret diğerlerini etkiler. birincil parametreler şunları içerir:

  • [FONT=0)Transimpedance Hold (Z)T)[Dönetici:0)) Belirli bir giriş için çıkış gerilimi oranı, ohms'ta ifade edilen tipik değerler 10 kULL D'den 10 kULL D'ye kadar hassasiyet gösterir.
  • [Band genişlik (BW): TIA'nın dB frekansı yanıtını (NRZ) modulation, gerekli bant genişliği, dört seviyeli pul amplifikasyon oranına yakın olarak gereklidir.
  • [FONT:0)Input-Re Gürültüd Şimdiki Yoğunluğu (i)))[Dönetici:0)[Dönetici:0)) Girişte mevcut olan eşdeğer gürültü, genellikle pA/POSHz. Bu parametre doğrudan alıcı duyarlılığını belirler, bu da hedef bir miktar hata oranı elde etmek için gerekli olan minimum güçtir.
  • [FONT:0) Total Dynamic Range (TDR): ), alıcının hem zayıf hem de güçlü sinyalleri yönetmesine izin veren veya kabul edilemez bir şekilde bozulmadan önce en yüksek giriş. Otomatik kazanç kontrolü (AGC) döngüsü genellikle 20 dB'nin ötesine uzatılır, alıcının hem zayıf hem de güçlü sinyalleri ele geçirmesine izin verir.
  • [FONT:0)Power Dissipation:[DDD, QSFP56, QSFP-DD ve OSFP, termal bütçeler son derece sıkıdır. CMOS veya SiGe BiCMOS'ta 30-100 mW'de gelişmiş tasarımlar, güç verimliliğinin önemli olduğu 20 mW'nin altında itebilir.
  • [FONT:0)Linearity:[Dönetici:[Dönderlik):[Dönergelik:[Dönergelik): sinyal-to-noise oranına göre uyum sağlayan ve biraz hata oranını artırmak için, TIA sinyalin üzerinde iyi lineerliği sağlamalıdır.

Bu parametreler arasındaki bağlantılar karmaşık bir tasarım alanı yaratır. R) , termal gürültüyü azaltır ve elde eder, ancak geniş bant tasarımlarında entegre gürültüyü azaltmalıdır.). C) ile etkileşimler yapar ).

Kapsamlı Gürültü Analizi ve Dava Teknikleri

Bir TIA'daki gürültü birkaç bağımsız kaynağa ayrılabilir, her biri farklı frekans bağımlılığı ve fiziksel kökenle. Her kaynağı anlamak ve minimek modern optik alıcılar tarafından gerekli olan maddi-tavre düzeyinde hassasiyete ulaşmak için gereklidir.

Geri Bildirim Diyalek Gürültü

Geri bildirimin termal gürültüsü R[Dönetici:0) , i) tarafından verilen beyaz bir spektral gürültüye sahiptir[D= Ø(4kT / R[FLT)[D[D][/D][/FONT][/FONT=))))))) Bu gürültüyü 3 dB ile azaltır, ancak aynı zamanda yüksek çözünürlükte bir dengede kalır.

Amplifier Giriş Gerilim Gürültü Gürültü Gürültü

Anahtarlama gürültü gürültü e)[Dönetici: 0)[Dönetici:)))[Dönetici:))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))) Bu terim, yüksek çözünürlükte (sağlık ve yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte (sağlık) ve yüksek çözünürlükte (sağlık) bir şekildedir.

Amplifier Access Current Gürültü

FET-input yükselteçleri için, mevcut gürültü genellikle yüksek hassasiyet uygulamaları için tercih edilir. ancak, bipolar tasarımlar verilen bir güç tüketimi için yüksek bant genişliği sağlayabilir.In practice, the choice between FET and bipolar inputs is in this reason, FET-based TIAs are usually prefer for high-sensitivity applications. ancak, bipolar tasarımlar üstün transkonductance verimliliği sunar ve belirli bir güç tüketimi için daha yüksek bant genişliği elde edebilir.In practice, FET ve bipolar inputs.

Fotodiode Shot Gürültü

Bir sinyal yokluğunda bile, fotodiode karanlık akım ve arka plan aydınlatma nedeniyle ses çıkarır.Dönetici şu anda toplam DC yoğunluktır)[Dönetici: 1) = UTC(2q I).DC), uzun süredir uyumlu sistemlerde, alınan yüksek çözünürlükte toplam DC akımın sinyali, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlüktedir.

Gürültü Optimizasyon Teknikleri

Birkaç teknik, TIA'nın genel gürültüyü azaltabilir. Küçük bir geri bildirim cihazı CUMC) R)[DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD][/FONT=D][/FONT=D][/FONT=D][/FONT=D][/FONT=D][/FONT=FONT=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D

Yüksek Hızlı Operasyonlar için Gelişmiş Devre Topolojileri

Temel karunt-feedback TIA, birkaç Gb /s'e kadar veri oranları için yeterliyken, 40 Gb /s'e doğru itmek ve ötesinde, kazanç bant genişliği ticaret-offunu ikiye katlamak ve parasitik etkiler yönetmek için daha sofistike topolojiler gerektirir.

Regated Cascode (RGC) Giriş Aşaması

Bu düşük şarj edici, yüksek geri dönüş düğümü ile yüksek çözünürlükte, bir transimpedans kazanarak girişin sadece birkaç ohms'a engel olmasını sağlar.Bu düşük yükleyicisi, yüksek hacimli ve güç tüketiminin iyi bir dengesi sunar. RGC'deki yerel geri bildirim yükseltici kazanç sağlamak için RGC'nin genel olarak 10 Gb /s ve 25 Gb /s'ta standart bir bina bloğu olması gerekir.

Diferansiyel ve Pseudo-Differential Architectures

Tek taraflı TIAs basit ama güç malzemeleri, substrat darbesi ve elektromanyetik müdahaleden ortak-ortalama gürültüyü azaltın ve hatta sipariş bozulması sağlar, onları tutarlı alıcılar ve PAM-4 bağlantıları için iyi bir şekilde uygun hale getirir. Para birimi veya eşleştirilmiş bir akım kaynağı tamamlayıcı girişte kullanılır ve ortak nokta geri bildirim döngüsü DC çıktısı yaygın olarak düşük çözünürlükte.Diferansiyel çıktıları da genişletir.

İndüktif ve Aktif Geri Bildirim Topolojileri

Kısa merkezde optik bağlantı, güç verimliliğinin önemli olduğu, dönüştürücü tabanlı TIAs popülerlik kazanıyor. Yüksek giriş bölgesinde standart bir CMOS dönüştürücü önyargılı, gelişmiş CMOS düğümleri olarak hareket eder ve geri bildirimde bulunan bir transistör, değişken bir kazanç ve kontrol sağlar, bu yüksek çözünürlükte otomatik olarak yüksek çözünürlükte bir güç dağılımı sağlar.

Band Wide Geliş Teknikleri

Teknoloji tarafından uygulanan temel kazanç bant genişliği sınırı ulaştıktan sonra, tasarımcılar gürültü performansı olmadan bant genişliğini genişletmek için çeşitli teknikler kullanırlar.

Inductive Peaking

Geri bildirimde küçük bir indüktör ekleyin veya girişte node doğal roll-off için telafi eden bir resonant zirve yaratır.In-çiçekli girişçiler, bağlantı açmaz ve intersbolym müdahalesi sağlar.Toplamalar her zaman faiz oranına uygun olarak sabitlenebilir, 10 Gb / TIA'da ortalama 30-50 oranındaki hız aralığına kadar genişleyebilir.

Cherry-Hooper Amplifier

Cherry-Hooper topoloji, geniş bir aşamaya ulaşmak için iki kazanç aşaması arasında yerel bir geri bildirim döngüsü kullanıyor ve yüksek kazanç elde etmek için genellikle TIA çekirdeği ile birden fazla aşamayı ayırarak, ek gerilim kazanç ve limiti sağlıyor. Cherry-Hooper topoloji, tüm aşamalarda, genel performansa göre 40 Gb /s'a kadar veri oranlarına kadar iyi uygun bir şekilde uygun hale getiriyor.

Eşitleştirme ve Dijital Posta-Processing

Birçok modern alıcıda, TIA bant genişliği, TIA'nın elde edilen intersymbol müdahalesi için telafi edilmesi ve eşdeğerleştirme (DFE) ve besleme-dönüşüm (FFE) TIA tarafından ağır bir şekilde sınırlandırılmış olan sinyalleri kurtarmaktadır. Bu yaklaşım, TIA'nın dijital sinyal işlemesine izin verir ve dijital sinyal işleme işlemine karmaşık hale getirir.

Power Supply Integrity, Shielding ve PCB Layout En İyi Uygulamalar

En dikkatli tasarlanmış şematik bile titiz bir fiziksel uygulama olmadan başarısız olacaktır.Gertz frekanslarında, her bir iz uzunluğun her milimetresi, her bir tane ve her parasitik elementin performansına göre değişebilir.

[FONT:0)Essential düzen yönergeleri şunları içerir:).

  • Katmanda sürekli bir zemin uçağı hemen altında, sinyal izlerinin altında düşük girişli bir geri dönüş yolunu sağlamak için kullanın. TIA giriş izlerinin altında zemin uçağı kesmeyin.
  • Fotoğrafçı-to-TIA bağlantısı mümkün olduğunca kısa tut, ideal olarak 5 mm altında. kontrollü bir dürtü ile bir zeminli polis dalga kılavuzunu veya mikrostrip'i kullanın, genellikle 50 {{.
  • Katalınma kapasitesi doğrudan TIA gücü pins'te, 100 pF, 10 nF ve 10 μF gibi paralel bir değer kombinasyonu kullanın, geniş bir frekans aralığına düşük bir engel sağlamak için.
  • TIA tedariki için özel bir ultra-düşük-nüre LDO düzenleyici kullanın. Ferrite beads, TIA tedarikini gemide dijital gürültüden ayırabilir, ancak yüksek DC direnci ile yatak kullanmaktan kaçınır.
  • Shield, sessiz bir yere bağlı bir bekçi yüzüğü ile giriş. TIA girişinin yakınında yüksek hızlı dijital sinyalleri veya saat hatları önlemek.
  • TIA zemin pin için bir yıldız tabanlı yapılandırma kullanın, doğrudan diğer devrelerle karıştırmasını engellemek için kendi başına bağlantı kurmak.
  • Sinyal yolundaki türdeki parçaları, her biri indükleme ve kapasitance ekliyor.

Termal yönetim yoğun optik modüllerde çalışırken TIAs için kritiktir. 400 Gb /s modülü, TIA'nın sürücü ve DSP çipleri ile entegre edildiğinde, üst ve alt tabakalarda ısıtılması veya ısıtılması için geçerli olan stratejilerin birleştirilmesine yardımcı olabilir.

Systemaatik Trade-off Analizleri

Yüksek hızlı bir TIA tasarım alanı çok boyutlu, tasarımcının birkaç temel ticaret-off gezinmesini gerektiren.

  • [FONT=0)Gain vs. Band genişlik:[Dönderlik:[Dönderlik) Sağlanmış bir teknoloji ve önyargı koşulu için nispeten sabitdir. Uzun mesafeli bağlantılar için, daha yüksek kazanç (örneğin, 5 kULL) daha düşük bant genişliği ile (örneğin, 10 GHz) kabul edilebilir çünkü sinyal gücü düşük ve gürültü en aza indirmek zorundadır.
  • [FONT=0) Başka bir güç: [Döneticileri kullanarak daha büyük transistörler flicker gürültü ve gerilim gürültüyü azaltır ancak parasitik kapasite ve güç tüketimini artırır.Kategori transistörünü orta invers bölgesinde çalıştırın gürültü ve gücü dengelemesi gerekir, ancak ayrıntılı simülasyon en iyi şekilde bulmak için gereklidir.
  • [FONT:0)Linearity vs. Headroom:) Mevcut önyargıyı artırmak sinyal salımı için daha fazla oda sağlayarak lineerliği arttırır, ancak ısıtılır ve ısı gürültüyü azaltır. Otomatik kazanç kontrol döngüleri düşük sinyal seviyelerinde gürültü performansından ödün vermeden dinamik aralığı genişletebilir.
  • [FONT=0]Cost vs. Performans: [DDD:0] Standart CMOS, dijital mantıkla düşük maliyetli ve kolay entegrasyon sunar, ancak SiGe BiCMOS veya InP teknolojilerinin bant genişliği ve gürültü performansıyla eşleşmez.

Tasarımcılar genellikle rehberlik performansı değerlendirme (GPE) yöntemleri veya Pareto optimizasyon araçları kullanarak bu ticaret-offları sistematik olarak gezinmek için harita simülasyonları kullanıyor ve gerilim üretim varyasyonları boyunca sağlamlığı sağlar. Hedef, diğerlerinden herhangi bir parametreyi en üst düzeye çıkarmak için yeterli marjla karşılayan bir tasarım elde etmektir.

Sonuç ve Future Outlook

Başarılı bir gürültüyü tasarlayın, düşük çözünürlükte transimpedans yükselticisi, analog devre tasarımı, gürültü fiziği ve yüksek frekanslı düzeninin kesiştiği şekilde, fotodiode arayüzlerini dikkatlice optimize edin, uygun topolojiyi seçin – eğer ayarlanmış kalibre, diferansiyel veya dönüştürücü tabanlı – 64-Qductive üst düzeye kadar genişleyen anahtarlama teknikleri gibi genişleyen ve genişletici bir şekilde genişletilebilir.