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Información tecnológica

versión On-line ISSN 0718-0764

Inf. tecnol. v.16 n.6 La Serena  2005

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642005000600010 

 

Información Tecnológica-Vol. 16 N°6-2005, págs.: 63-68

ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA

Amplificador de Transimpedancia BiCMOS para Sistemas de Comunicaciones en Altas Frecuencias

BiCMOS Transimpedance Amplifier for Communication Systems at High Frequencies

J. Martínez-Castillo (1), A. Díaz-Sánchez (2) y A. Torres-Jácome (2)
(1) Universidad Veracruzana, Centro de Investigación en Micro y Nanotecnología,
Calzada Adolfo Ruiz Cortines # 455, Fraccionamiento Costa Verde, 94294 Boca del Río, Veracruz-México
(2) Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica,
Luis Enrique Erro # 1. Sta. María Tonantzintla, 72840 Cholula, Puebla-México (e-mail: adiazsan@inaoep.mx)
 


Resumen

Se presenta un preamplificador de transimpedancia en tecnología bipolar (BJT), para aplicaciones en sistemas de comunicaciones vía fibra óptica. La topología propuesta está basada en la estructura base común, aplicando el concepto de retroalimentación negativa con el fin de maximizar el ancho de banda del circuito. Se alcanza un ancho de banda de 5.42 GHz llevando a cabo una reducción importante del nivel de ruido. Productos de Intermodulación de 50 dB fueron obtenidos por debajo de la señal portadora principal. Las simulaciones fueron realizadas en el programa HSPICE utilizando los procesos tecnológicos de fabricación AMS BiCMOS 0.8 mm. La estructura de amplificador de transimpedancia presentado mostró un mejor desempeño, aumentando el ancho de banda, minimizando el nivel de ruido y mejorando el rendimiento en intervalo dinámico.


Abstract

A BJT transimpedance preamplifier suitable for fiber optics applications is presented. The proposed topology is based on a common-base structure, applying negative feedback in order to increase the bandwidth of the circuit. A bandwidth of 5.42 GHz is reached using the topology, also achieving an important reduction in noise level. Intermodulation products of 50 dB below the carrier signal were obtained. Simulations were performed in the HSPICE program using a 0.8 mm AMS BiCMOS process. The structure of the transimpedance amplifier presented showed better performance, as well as increasing the band width, minimizing the noise level, and improving the yield in the dynamic interval.

Keywords: communications, fiber optics, current amplifier, high frequency, transimpedance amplifier.


INTRODUCCIÓN

Actualmente, la transmisión de datos vía fibra óptica juega un papel muy importante en los sistemas de comunicaciones. Debido a su alta demanda, las especificaciones a ser cumplidas por estos sistemas, se han hecho más exigentes. Así se puede mencionar, entre otras, que el ancho de banda de operación se ha elevado al rango 1-10 GHz. La red óptica sincrónica (SONET-Synchronous Optical Network, por sus siglas en inglés) bajo el estándar OC-192 opera a esas velocidades. En consecuencia, la etapa de entrada de los receptores requiere de satisfacer los requisitos de alta ganancia, bajo nivel de ruido y amplio ancho de banda. Así, las exigencias impuestas a los modernos sistemas de transmisión vía fibra óptica han resultado en que el diseño correcto de la etapa de entrada se convierta en uno de los bloques más importantes para un buen desempeño de estos sistemas. En el caso de receptores vía fibra óptica operado en el modo de detección directa, utilizando un fotodiodo como dispositivo de entrada, un preamplificador de transimpedancia es comunmente usado. Esto en gran medida, por sus características de insensibilidad a la capacitancia asociada al fotodiodo, lo que mejora su desempeño. Sin embargo, los requerimientos para incrementar la velocidad de transmisión de datos exigen un funcionamiento óptimo en el compromiso del producto ganancia-ancho de banda y nivel de ruido en la etapa de entrada. Algunas estructuras de entrada para receptores de fibra óptica basadas en transistores bipolares han sido reportadas en la literatura (Halkias et al., 2000; Kim et al., 2001; Samadi et al., 2002). Algunas de estas realizaciones han utilizado retroalimentación en derivación-serie en etapas múltiples, para incrementar el ancho de banda del amplificador de transimpedancia. Sin embargo, dichas estructuras presentan efectos de máximo en su respuesta a la frecuencia, lo cual afecta el proceso de recepción (Martinez-Castillo y Silva-Martinez, 1999; Yahya, 2000). Topologías Darlington, con retroalimentación tipo derivación han sido también utilizadas (Hodges, 1999), mejorando las características en respuesta a la frecuencia, pero reduciendo la máxima frecuencia de operación. Otras estructuras reportadas utilizan un control de ganancia automático para incrementar el rango dinámico del receptor también han sido empleadas (Huang et al., 1999). No obstante, los amplificadores basados en transistores bipolares en silicio han tenido un desempeño inferior en altas frecuencias respecto a sus contrapartes basados en tecnologías de arseniuro de galio y germanio (Weiner et al., 2003; Wu et al., 2003). Sin embargo, el bajo costo, consumo de potencia y área física en silicio requeridos, así como la compatibilidad en los procesos de modo mixto BiCMOS, han motivado algunas líneas de investigación (Halkias et al., 2000; Kim et al., 2001). El presente trabajo describe el diseño y caracterización de un preamplificador de transimpedancia, en tecnología bipolar, para su aplicación en receptores de fibra óptica. Para incrementar el ancho de banda, reducir el nivel de ruido y disminuir la impedancia de entrada, un lazo de retroalimentación negativa local es utilizado en el transistor de entrada. En la siguiente sección se presentan las consideraciones teóricas y el efecto de la retroalimentación negativa local sobre las características del amplificador. Posteriormente se describen los resultados simulados y finalmente se presentan las discusiones y conclusiones.

AMPLIFICADOR TRANSIMPEDANCIA

El diagrama básico de un amplificador de transimpedancia con retroalimentación negativa es presentado en la figura 1 y es utilizado comúnmente en receptores de fibra óptica. La transimpedancia, ZT, es dada por:

                                       (1)

donde Zf /A es la impedancia de entrada, Zf es la  impedancia  de  retroalimentación y A es la ganancia de voltaje de lazo abierto. Si A es suficientemente grande, la transimpedancia es aproximadamente igual a:

                                 (2)

El ancho de banda del amplificador, f-3dB, se define por la ecuación:

                               (3)

Fig. 1: Preamplificador de transimpedancia clásico para aplicaciones de recepción en sistemas de comunicaciones vía fibra óptica.

donde cs y cin son las capacitancias de entrada generadas por el fotodiodo y preamplificador, respectivamente. El ruido equivalente generado en la entrada, In, es dado por:

 (4)

El preamplificador propuesto utiliza la topología base común, con acoplamiento capacitivo, como es presentado en la figura 2, (Martinez-Castillo y Silva-Martinez, 1999). La función de transferencia de la estructura base común es dada por la siguiente expresión:

   (5)

Aplicando el teorema Miller sobre cm1, la ecuación (5) queda simplificada de la siguiente forma:

            (6)

donde cs + cp1 es la capacitancia de entrada total del amplificador y cL es la capacitancia de acoplamiento de la etapa siguiente. El polo principal de la función de transferencia en (6) es definido por:

                              (7)

La impedancia de entrada está dada específicamente por:

                                               (8)

Considerando la ecuación (2), la ganancia del amplificador es

                                                 (9)

El nivel de ruido de entrada del amplificador de transimpedancia es dado por la ecuación:

  (10)

Donde los términos del numerador son dados por:

Mientras que D en el denominador es:

donde R(s) es la función de transferencia de la estructura base común. La resistencia de base del transistor de entrada, rb1, presenta la fuente de ruido principal del amplificador. Utilizando una red de retroalimentación local se puede realizar un incremento de ancho de banda, como se presenta en la figura 3. La polarización del preamplificador de transimpedancia es implementada utilizando la red de retroalimentación local como etapa de ganancia. Analizando la ecuación (7), la estructura presenta un corrimiento en el polo dominante debido  a la retroalimentación negativa. Por lo tanto, la función de transferencia ideal de la etapa de ganancia esta dada por:

  (11)

donde la m es la ganancia ideal. Por otro lado, el ruido equivalente ideal a la entrada del amplificador es definido por:

                           (12)

donde k es la constante de Boltzmann, T es la temperatura a 27oC y rb1 es la resistencia de base del transistor Q1. Si m = 0, los resultados son similares a los obtenidos para el caso del amplificador basado en la topología base común. El amplificador propuesto, con la estructura base común modificada, se presenta en la figura 3.

Fig. 2: Amplificador de transimpedancia base común.

La función de transferencia de esta estructura se encuentra dada por:

(13)

donde la transconductancia del transistor Q2, (gm2RIbias+1), en la expresión (13), es (1+m) en la ecuación (11). Para la estructura base común modificada es descrita por la ecuación:

                    (14)

Se puede observar que (gm2RIbias+1) sustituyó el lugar de (1+m) en la ecuación (12). Debido a los resultados anteriores, se obtuvo un extenso ancho de banda y un bajo nivel de ruido.

Fig. 3: Amplificador base común modificada.

RESULTADOS SIMULADOS

Los circuitos fueron simulados en el programa Hspice utilizando el proceso de fabricación 0.8 mm en tecnología BiCMOS AMS. Fue obtenida una ganancia de transimpedancia de 60 dB utilizando un resistor de retroalimentación, Rf, de 1 KW  y la capacitancia de carga fue de 0.2 pf. El valor usado de la capacitancia del fotodiodo fue 1 pf. Las figuras 4 y 5 presentan la respuesta a la frecuencia de la función de transferencia y la respuesta en fase, respectivamente. El ruido equivalente a la entrada del amplificador base común modificado es mostrado en la figura 6. La tabla 1 presenta las características en altas frecuencias de ambos amplificadores mientras que la figura 7 muestra los resultados obtenidos de la señal de los productos de intermodulación y la distorsión armónica de la estructura base común modificada. Las señales de prueba aplicadas fueron de 5.1 y 5.2 GHz. Una fuente de alimentación de 5 volts fue utilizada. En la figura 8 se presenta el microchip fabricado y los resultados de amplificación a frecuencias bajas son mostrados en la figura 9. La ganancia de un amplificador de transimpedancia a bajas frecuencias es obtenida  de: vout = Rfis. Donde Rf es la resistencia de retroalimentación,  is  es la corriente de entrada generada por el fotodiodo y vout es el voltaje de salida. .

Fig. 4: Respuesta a la frecuencia de los amplificadores de transimpedancia.

Fig. 5: Respuesta de fase de los amplificadores de transimpedancia.

Fig. 6: Ruido equivalente reflejado a la entrada para los amplificadores BJT.

Tabla 1: Características en altas frecuencias. En la Tabla, i es la corriente,
BC es Base Común y BCM es Base Común Modificada

Estructura

f(-3dB)
GHz

Max.
dB

i
(
mA)

Nivel de  ruido
(pA/sqrt Hz)

1.6
GHz

2.2
GHz

4.5
GHz

BC

2.56

2

3

24

35

45

BCM

5.42

0

4.5

12

17

36


Fig. 7: Resultados de los productos de intermodulación y distorsión armónica.

DISCUSIÓN

Se realizo una revisión de las topologías empleadas en este tipo de aplicaciones en el sentido de utilizar el mínimo de dispositivos. Con el fin de disminuir el consumo de potencia y el área en silicio pero aumentando la frecuencia de operación y minimizando el nivel de ruido en la frecuencia de interés. Las topologías más comúnmente utilizadas son las de emisor y base común. Los circuitos basados en  la configuración emisor común presentan efectos de máximo (peak) en la frecuencia de interés por lo que se adaptan capacitores de compensación para disminuir tal efecto. Sin embargo, el ancho de banda decrece. La selección de la topología base común fue la adecuada debido a su respuesta plana a la frecuencia. Motivo por el cual, se propuso utilizar la configuración base común con retroalimentación negativa. Esta retroalimentación opera como un inductor. Por lo que una vez integrado presentó las mejores características en la respuesta a la frecuencia y bajo nivel de ruido, pero el consumo de potencia fue incrementado. La topología presenta una sensibilidad baja al cambio de la capacitancia de los fotodiodos. La tecnología de fabricación seleccionada es económica, accesible y presenta la combinación con transistores MOS.

Fig. 8: Prototipo en silicio de la estructura base común modificada.

Fig. 9. Resultado experimental, voltaje en mv -vs- tiempo en ms

CONCLUSIONES

Un diseño de una nueva topología de amplificador de transimpedancia, para receptores de fibra óptica, fue presentado. La estructura propuesta fue comparada con un circuito similar sin lazo de retroalimentación. La estructura de amplificador de transimpedancia que utiliza base común modificada presentó un mejor desempeño, aumentando el ancho de banda, minimizando el nivel de ruido y mejorando el rendimiento en rango dinámico. Los resultados han sido comprobados con resultados tanto simulados como experimentales, para una tecnología AMS BiCMOS de 0.8 mm.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen al CONACYT el apoyo otorgado a través del proyecto 37470-A.

REFERENCIAS

Halkias, G., Haralabidis, N., Bitzaros, E. D. K., y Katsafouros, S., 1.7 GHz Bipolar Opto-electronic Receiver Using Conventional 0.8 µm BiCMOS Process, Proceedings IEEE International Symposium on Circuits and Systems, Vol. 5, pp. 417-420 (2000).         [ Links ]

Hodges, D. A., Darlington’s Contributions to Transistor Circuit Design, IEEE Transactions on Circuits and Systems-I: Fundamental Theory and Applications, Vol. 46, No. 1, pp. 102-104 (1999).        [ Links ]

Huang P., Huang C., y Wang C., A 155 MHz BiCMOS Automatic Gain Control Amplifier, IEEE Transactions on Circuits and Systems-II: Analog and Digital Signal Processing, Vol. 46, No. 5, pp. 643-647 (1999).        [ Links ]

Kim H. H., Chandrasekhar, S., Burrus, Jr., C. A., y Bauman, J., A Si BiCMOS Transimpedance Amplifier for 10-Gb/s SONET Receiver, IEEE J. of Solid-State Circuits, Vol. 36, No. 5, pp. 769-776 (2001).        [ Links ]

Martinez-Castillo, J. y Silva-Martinez, J., Transimpedance Amplifiers for Optical Fiber Systems Based on Common-Base Transistors, Proceedings IEEE International Symposium on Circuits and Systems, Vol. 6, pp. 85–88 (1999).        [ Links ]

Samadi B. M. R., Karsilayan I. A. y Silva-Martinez, J., Design of Transimpedance and Limiting Amplifiers for 10 Gb/s Optical Communication Systems, Proceedings of the 45th IEEE Midwest Symposium On Circuits and Systems, Vol. 3, pp. 164-167 (2002).        [ Links ]

Weiner, J. S., Leven, A., Houtsma, V., Baeyens, Y., Chen, Y.K., Paschke, P., Yang, Y., Frackoviak, J., Sung, W., Tate, A., Reyes, R., Kopf, R. F., and Weimann, N. G., SiGe Differential Transimpedance Amplifier With 50-GHz Bandwidth, IEEE J. Solid-State Circuits, Vol. 38, No. 9, pp. 1512-1517 (2003).         [ Links ]

Wu, C. Q., Sovero, E. A., y Massey, B., 40-GHz Transimpedance Amplifier With Differential Outputs Using InP-InGaAs Heterojunction Bipolar Transistors, IEEE J. Solid-State Circuits, Vol. 38, No. 9, pp. 1518-1523 (2003).        [ Links ]

Yahya, C. B., Design of Wideband Low Noise Transimpedance Amplifiers for Optical Communications, Proceedings of the 43rd IEEE Midwest Symposium On Circuits and Systems, Vol. 2, pp. 804-807 (2000).         [ Links ]