بخشی از مقاله
خلاصه:در این مقاله یک طرح مناسب برای بلوک پیش تقویت کننده گیرنده های نوری در تکنولوژی CMOS جهت کاربردهای نوری پیشنهاد گردیده است. در این طرح جهت بلوک پیش تقویت کننده از یک تقویت کننده امپدانس انتقالی - TIA - که دارای بهره بالا و پهنای باند وسیع می باشد استفاده میشود. برای این منظور در تقویت کننده امپدانس انتقالی از یک ساختار تقویت کننده کسکود تنظیم شده بهره متغیر دیفرانسیلی استفاده شده است. مزیت استفاده از این ساختار بهره امپدانس انتقالی بالا، پهنای باند گسترده، امپدانس ورودی پایین میباشد. برای بررسی عملکرد طراحی از محیط شبیه سازی HSPICE استفاده نموده و در تکنولوژی TSMC 0.35 ʽm CMOS با تغذیه 3v به بهره 40dB، پهنای باند 2.23GHz، دست یافتهایم. نتایج بدست آمده حاکی از آن است که طرح پیشنهادی برای یک سیستم مخابرات نوری بسیار مناسب می-باشد.
-1مقدمه
در حالت کلی، یک شبکه مخابرات نوری مطابق شکل یک، میباشد که در آن سیگنال ورودی از یک منبع اطلاعات وارد سیستم شده و پس از انجام عمل مدولاسیون، سیگنال در قالب اطلاعات دیجیتالی وارد مدار فرستنده شده و این سیگنالهای دیجیتالی با روشن و خاموش کردن یک دیود لیزری و یا دیود نور گسیل تبدیل به سیگنالهای نوری شده و از طریق فیبر نوری به گیرنده ارسال میشوند. در گیرنده ابتدا با کمک یک آشکارساز نوری، به عنوان مثال یک فوتو دیود، سیگنال نوری دریافت شده و به جریان الکتریکی تبدیل میشود و این جریان به کمک تقویت کننده امپدانس انتقالی به سطح ولتاژ مناسبی برای پردازش در گیرنده تبدیل شده و سپس عمل دمدولاسیون برای بازیابی سیگنال الکتریکی اولیه انجام میشود. از آنجاکه تقویت کننده امپدانس انتقالی اولین طبقه تقویت پس از آشکار سازی سیگنال نوری است، به آن طبقه پیش تقویت کننده نیز گفته میشود.
در این مقاله، عملکرد فوتو دیود برای استفاده در مدار پیش تقویت کننده، به صورت مداری مدل شده است. منبع جریان مدل کننده جریان نوری است که به وسیله دیود نوری در بخش گیرنده تولید می-شود و در سیستم مخابرات نوری میتواند به وسیله موج مربعی که بین مقدار صفر و مقدار مثبتی قرار دارد نمایش داده شود. خازن دیود نوری کار میکند. در شکل -3 - ج - با فرض میتوان گفت بهره بوسیله مدل شده است. مدار معادل یک فوتودیود در شکل 2 ، امپدانس انتقالی از به کاهش مییابد و با تغییر نشان داده شده است.[1] بهره امپدانس انتقالی نیز تغییر میکند .
شکل -2 مدار معادل فوتودیود وجود عناصر پارارزیتی در ورودی مانند یک خازن آشکار ساز نوری پهنای باند و نویز پیش تقویت کنندهها را پایین میآورند. بنابراین در طراحی مدارات تقویت کننده گیرنده های نوری، از ساختارهایی که اثر خازن ورودی را بر روی پهنای باند کاهش دهد، بکار گرفته میشود. بنابراین از ساختار کسکود تنظیم شده - - RGC به عنوان طبقه ورودی یک تقویت کننده امپدانس انتقالی - TIA - بکار گرفته میشود. این ساختار، ترارسانایی طبقهی ورودی را به گونهای بهبود میبخشد که قابل مقایسه با ترارسانایی ترانزیستورهای دوقطبی سیلیسیوم یا GaAs MESFETگردد. به توپولوژی تقویت کننده امپدانس انتقالی کسکود تنظیم شده، تقویت کننده گیت مشترک TIAهمرا با با تقویت کننده افزایش دهنده -ترارسانایی نیز گفته میشود .[2]
در این مقاله یک تقویت کننده امپدانس انتقالی کسکود تنظیم شده بهره متغیر دیفرانسیلی ارائه شده است. این ساختار بهره امپدانس انتقالی بالاتر، پهنای باند وسیعتر و امپدانس ورودی کمتری نسبت به یک ساختار تقویت کننده امپدانس انتقالی کسکود تنظیم شده معمولی دارد. در قسمت دوم توضیح مختصری درباره مدار یک تقویت کننده بهره متغیر داده میشود. در قسمت سوم ساختار و نحوه عملکرد امپدانس انتقالی گیت مشترک بهره متغیر ارائه میشود و در قسمت چهارم ساختار RGC-TIA بهره متغیر دیفرانسیلی توضیح داده می-شود. در قسمت پنجم نتایج شبیه سازی و قسمت ششم نتیجه گیری از مقاله ارائه میگردد.
-2 مدار TIA بهره متغیر
شکل - - 3 الف - عملکرد ساختار TIAگیت مشترک را در یک جریان ورودی کم نشان میدهد. ترانزیستور ورودی در ناحیه اشباع کار میکند و سوئینگ خروجی خیلی کمی دارد. بنابراین، TIA بطور خطی کارمیکند. اما در شکل -3 - ب - بخاطر داشتن یک جریان سوئینگ ورودی زیاد، سوئینگ ولتاژ خروجی - - خیلی زیاد است که باعث افت ولتاژ بر روی گره های دررین و سورس ترانزیستور ورودی شود و ترانزیستور را به ناحیه تریود یا زیر آستانه ببرد.
در نتیجه عملکرد مدار پایین میآید. در شکل -3 - ج - شماتیک کار کردن TIA پیشنهادی نشان داده شده است. در واقع برای جلوگیری از ولتاژ سوئینگ بالا یک جریان دیگری توسط یک منبع جریان کنترل شده با جریان - - CCCS تولید میشود و با جریان ورودی بالا یا پایین ترکیب میشود و جریان را از به کاهش میدهد و طوری تغییر میکند که باعث کاهش ولتاژ سوئینگ خروجی میشود و در نتیجه TIA به طور خطی شکل- 3 شماتیکTIACG - الف - TIACG معمولی زمانیکه سوئینگ جریان ورودی کم باشد - ب - TIACG معمولی زمانیکه سوئینگ جریان ورودی زیاد باشد - ج - TIAزمانیکه سوئینگ جریان ورودی کم یا زیاد باشد.
-3 ساختار TIA بهره متغیر
توپولوژی مدار TIAبهره متغیر در شکل - - 4 نشان داده شده است این مدار شامل سه طبقه اصلی است: - 1 - طبقه RGC-TIA، - 2 - طبقه کنترل کننده بهره متغیر، که شامل یک تقویت کننده عملیاتی ترارسانایی - OTA - است که برای کنترل بهره امپدانس انتقالی بکار میرود و - 3 - حلقه ای برای کنترل OTA ، که از یک آشکار ساز PEAK، یک مقایسه کننده و یک انتگرال گیر تشکیل شده است. جریان ورودی RGC-TIA از ترانزیستور عبور می کند و با جریان - - - ترکیب میشود - - .
در حلقه کنترل بهره، مقایسه کننده حداکثر پیک سیگنال جریان را با یک ولتاژ مرجع مقایسه میکند و انتگرال گیر را مجبور به تعیین بایاس OTA میکند. زمانیکه پیک سیگنال از سیگنال مرجع بالاتر باشد، میبایست افزایش یابد در غیر اینصورت برعکس عمل خواهد کرد. انتگرال گیر کم و زیاد شدن را برای ماکزیمم مقدار ممکن بیت کم ارزش منطقی "0" حفظ میکند. در شکل - 3 - نشان میدهد که - - - توسط OTA به جریان تبدیل میشود. با افزایش جریان ورودی ولتاژ گره ورودی نیز بالا خواهد رفت. در نتیجه کاهش مییابد و بالا میرود و سوئینگ کمتری در گره خروجی بدست خواهد آمد.[3]
