Design of transimpedance amplifiers for broadband time-domain optical reflectrometer systems

Abstract

The tremendous growth of Internet traffic in recent years had led to the rapid development of broadband optical communication systems. This rapid growth also increases a demand for the equipment for network deployment, monitoring and repair. One of the typically used instruments is based on a technique known as Optical Time-Domain Reflectometry - OTDR. These instruments are used for characterization and fault detection in optical fibers is based on the analysis of the reflections in time domain. The research object of the doctoral dissertation is the design and analysis of an programmable-gain CMOS TIA suitable for modern OTDR applications. In order to compare quantitatively different TIA architectures as well as designs produced using different technologies, the work suggests a quantitative measure - Figure-of- Merit (FOM). After evaluating advantages of different TIA types, the dissertation suggests a novel programmable-gain capacitive feedback TIA architecture with PMOS transistor-based biasing circuit for source follower which allows to implement a low-noise broadband TIA. Based on the suggested architecture and using 0.18 μm CMOS and 0.25 μm BiCMOS technologies, TIAs were designed with 1.0 GHz and 0.9 GHz bandwidths accordingly, 10 kΩ, 25 kΩ, 100 kΩ, 200 kΩ and 500 kΩ discretely adjustable gains, 1.8 and 1.6 pA/√Hz noise current spectral densities, 21 mW and 29 mW power consumption at correspondingly 1.8 V and 2.5 V supply voltages and their major characteristics were investigated. The dissertation consists of an introduction, three chapters, general conclusions, a list of references, the author’s publications on the topic of the dissertation and two appendices. The first chapter presents modern TIA architectures, their main parameters, proposed FOM measure and the OTDR requirements for frontend TIAs. The second chapter presents an analysis of the proposed TIA architecture and mathematical models for the transimpedance gain and input-referred noise current spectral density. The third chapter discusses the designed topologies for the proposed TIA architectures and compares the results of the computer simulation with those from the analytical models. The research results of this dissertation are summerized in general conclusions and a comprehensive bibliography with a list of the author’s seven publications on the topic of the dissertation are provided. The results of the dissertation were reported in 7 scientific publications: 3 of them are published in scientific journals referenced in Clarivate Analytics Web of Science database with 2 of them having citation index, 2publications in proceedings of international conferences included in Clarivate Analytics Proceedings database and 2 publications in conference proceedings included in other international databases. The results of the dissertation research were presented in 5 scientific conferences in Lithuania and abroad.

Pastaraisiais metais sparčiai didėjantis interneto duomenų perdavimo srautas lėmė sparčią plačiajuosčio šviesolaidinio ryšio sistemų plėtrą. Tokia sparti plėtra didina ir tinklo įrengimo, stebėjimo, priežiūros ir gedimų analizės įrangos poreikį. Vienas iš dažniausiai naudojamų šviesolaidinės linijos kokybės detekcijos prietaisų yra laiko srities optinis reflektometras (angl. optical time-domain reflectometer, OTDR). Šis prietaisas naudojamas nustatyti ir apibūdinti šviesolaidinių linijų gedimus, analizuojant atspindžius laiko srityje. Daktaro disertacijos tyrimo objektas yra submikroninių KMOP ir BiKMOP gamybos technologijų pereinamosios varžos stiprintuvų (PVS) architektūros bei jų integriniai grandynai, tinkami šiuolaikinėms OTDR sistemoms kurti. Siekiant kiekybiškai palyginti skirtingų gamybos technologijų ir įvairias PVS architektūras, šiame darbe siūloma kokybės funkcija (angl. figure of merit, FOM), apimanti pagrindinius PVS parametrus. Nustačius PVS architektūrų privalumus, disertacijoje siūloma originali, diskretiniu žingsniu valdomo stiprinimo talpinio grįžtamojo ryšio PVS architektūra, leidžianti įgyvendinti ypač plačią praleidžiamų dažnių juostą ir mažus triukšmus. Taip pat remiantis siūloma architektūra ir taikant 0,18 μm KMOP ir 0,25 μm BiKMOP procesų technologijas, suprojektuoti PVS bei ištirti jų pagrindiniai parametrai. Pasiekti PVS parametrai yra 1,0 GHz ir 0,9 GHz praleidžiamų dažnių juosta, 10 kΩ, 25 kΩ, 100 kΩ, 200 kΩ ir 500 kΩ žingsniu valdomas stiprinimas, 1,8 pA/ √ Hz ir 1,6 pA/ √ Hz srovės triukšmo spektrinis tankis bei 21 mW ir 29 mW vartojamoji galia, esant 1,8 V ir 2,5 V maitinimo įtampai. Disertaciją sudaro įvadas, trys skyriai, bendrosios išvados, naudotos literatūros ir autoriaus publikacijų disertacijos tema sąrašas bei du priedai. Pirmajame skyriuje pateikiamos šiuolaikinės PVS architektūros, jų pagrindiniai parametrai, siūloma kokybės funkcija ir reikalavimai OTDR sistemoms. Antrajame skyriuje pateikiama siūlomos PVS architektūros analizė ir matematiniai stiprinimo koeficiento bei srovės triukšmo spektrinio tankio modeliai. Trečiajame skyriuje pateikiami siūlomos PVS architektūros integrinių grandynų topologijų projektavimo ir kompiuterinio modeliavimo rezultatai bei gautų parametrų palyginimas su siūlomais matematiniais modeliais. Šios disertacijos tyrimus apibendrina bendrosios išvados ir pateikiamas literatūros sąrašas bei 7 autoriaus publikacijų sąrašas disertacijos tema. Disertacijos tema yra atspausdinti 7 moksliniai straipsniai: 3 yra paskelbti mokslo žurnaluose, įtrauktuose į Clarivate Analytics Web of Science duomenų bazę, 2 iš jų su citavimo indeksu, 2 yra paskelbti tarptautinių konferencijų medžiagose, įtrauktose į Clarivate Analytics Proceedings duomenų bazę, bei 2 yra paskelbti mokslo konferencijų medžiagose, referuojamose kitose tarptautinėse duomenų bazėse. Disertacijoje atliktų tyrimų rezultatai buvo pristatyti 5 mokslinėse konferencijose Lietuvoje ir užsienyje.