臺灣博碩士論文加值系統

本論文提出一個壓控增益可調式光接收器設計，應用於光無線通訊。其中應用電流放大器作為增益前饋元件以設計一個具有穩定可調增益的全差動轉阻放大器，並且使用電壓控制電阻0.3kΩ ~ 3kΩ 及5pF的光二極體電容負載下，可達到98dBΩ的轉阻增益及119MHz的頻寬，其消耗功率為88 mW。此接收器晶片採用TSMC 0.35μm 2P4M 製程與3.3V電壓電源實現，總面積為566um × 655um，最後並附上量測結果。

A Voltage-controlled variable-gain optical receiver for optical wireless communication is described. A stable variable-gain fully-differential transimpedance feedback amplifier is designed employing a current-mode amplifier as the feedforward gain element. Using a photodiode capacitance of 5pF, the transimpedance gain, bandwidth, and power consumption of the optical receiver are 98dBΩ, 119MHz, and 88mW respectively. A voltage-control resistor is adopted in the feedback transimpedance amplifier. The receiver is designed and implemented using a 0.35μm 2P4M CMOS technology with 3.3V supply voltage. The optical receiver occupies a total chip area of 566um × 655um.

目 錄
摘要 I
ABSTRACT II
誌謝 III
目錄 IV
表目錄 VI
圖目錄 VII
第一章、緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機 1
1.3 論文架構 2
第二章、研究考量 3
2.1 IRDA 紅外線傳輸原理、應用與規格 3
2.2光檢測元件 7
2.3 光接收器架構 10
2.3 轉阻放大器設計考量 12
2.4 電壓控制電阻設計考量 18
2.5光二極體輸入偏壓級設計考量 20
2.6 EYE DIAGRAM和JITTER的分析 22
第三章、壓控可變增益光接收器之設計與模擬 28
3.1 PROPOSED RESULTS 28
3.2 PHOTODIODE BIAS INPUT STAGE 29
3.3 CMOS FULLY DIFFERENTIAL TRANSIMPEDANCE AMPLIFIER 30
3.4 VOLTAGE-CONTROLLED RESISTOR（VCR） 36
3.5 DC Photocurrent Rejection Circuit 38
3.6 Offset Extractor & DTSEC 44
3.7 Bias Circuit 47

第四章、光接收器之模擬與量測結果 49
4.1 整體佈局考量 49
4.2 壓控增益光接收器之模擬結果 53
4.3 壓控增益光接收器之測試考量 57
第五章 結論與未來展望 59
參考文獻 60
簡歷 63

表目錄
表 1 IRDA規格表 6
表 2 三種前端放大器比較表 13
表 3 壓控增益光接收器規格列表 54

圖目錄
圖 2 –1 光波分佈圖例 3
圖 2 - 2 IRDA協定 5
圖 2 –3 IRDA不同傳輸速度和不同傳輸距離之硬體協定 5
圖 2 –4（A）每位元率功率消耗比較（B）每100MB之傳輸時間比較 6
圖 2 –5 光二極體的剖面圖 7
圖 2 –6 P-I-N光二極體逆向偏壓下之能帶圖及載子吸收特性曲線 8
圖 2 –7 二極體小信號等效電路模型 8
圖 2 - 8 以終端電阻為基礎的光接收器 10
圖 2 –9 以終端電阻為基礎的光接收器之小信號雜訊模型 11
圖 2 –10 以轉阻放大器為基礎的光接收器 14
圖 2 –11 轉阻放大器示意圖 14
圖 2 –12 轉阻放大器 (A)[4]所提出的架構(B)傳統架構 15
圖 2 –13 兩種轉阻放大器之迴路頻率響應圖 16
圖 2 –14 三級放大器之小信號模型 17
圖 2 –15 電壓控制電阻半電路圖 18
圖 2 - 16 (A)共閘極輸入級 (B)RGC輸入級 20
圖 2 - 17 改良式RGC電路 21
圖 2 –18 眼圖的形成 22
圖 2 –19 時域上抖動示意圖 23
圖 2 –20 總抖動之組成因子及來源 24
圖 2 - 21 RJ示意圖 25
圖 2 - 22 電壓偏移造成之工作週期失真 26
圖 2 –23 交互符號干擾之形成與其眼圖 26
圖 2 –24 實際量測眼圖範例 27

圖 3 –1 光接收前級放大器系統方塊圖 28
圖 3 –2 光接收器系統方塊圖 29
圖 3 - 3 (A)光二極體輸入偏壓級電路 (B)簡易光二極體模擬模型 30
圖 3 –4 電流型式放大器之轉阻放大器回授方塊圖 31
圖 3 –5 電流型式放大器之半電路圖 33
圖 3 –6 差動式電流型式放大器電路圖 33
圖 3 –7 共模回授(COMMON-MODE FEEDBACK, CMFB)電路 34
圖 3 - 8 VCR應用在轉阻放大器頻率響應(1) 35
圖 3 - 9 VCR應用在轉阻放大器頻率響應(2) 36
圖 3 –10 電壓控制電阻使用輸入電壓等分圖 36
圖 3 –11 電壓控制電阻（VCR） 37
圖 3 –12 開關控制電路 37
圖 3 - 13 VCR阻值結果 38
圖 3 –14 被動式週遭光拒斥電路 39
圖 3 –15 主動式週遭光拒斥電路 39
圖 3 –16 差動輸出波形 (A)無週遭光拒斥(B)有週遭光拒斥 40
圖 3 - 17 誤差放大器 42
圖 3 –18 誤差放大器 43
圖 3 –19 共模回授(COMMON-MODE FEEDBACK, CMFB)電路 43
圖 3 –20 誤差放大器之頻率響應 44
圖 3 - 21 OFFSET EXTRACTOR 電路圖 45
圖 3 - 22 OFFSET EXTRACTOR之頻率響應圖 46
圖 3 - 23 DIFFERENTIAL-TO-SINGLE-END CONVERTER電路圖 46
圖 3 –24 固定GM偏壓電路 47

圖 4 - 1 (A) MULTIPLE-GATE FINGER佈局(B) COMMON-CENTROID佈局 50
圖 4 –2 電容使用COMMON-CENTROID佈局 50
圖 4 - 3 (A)SERPENTINE電阻 (B)DOG BONE電阻 51
圖 4 - 4 GUARD RING技巧 52
圖 4 –5 晶片佈局圖 52
圖 4 - 6 (A)光接收器之模擬配置(B)光二極體模型 53
圖 4 –7 光接收器之頻率響應圖 54
圖 4 –8 光接收器之起始暫態響應圖 55
圖 4 –9 眼圖模擬配置示意圖 55
圖 4 - 10 RVCR=0.3KΩ時模擬之100MB/S NRZ訊號響應眼圖 56
圖 4 - 11 RVCR=0.6KΩ時模擬之100MB/S NRZ訊號響應眼圖 56
圖 4 - 12 RVCR=0.9KΩ時模擬之100MB/S NRZ訊號響應眼圖 57
圖 4 –13 頻率響應之環境配置 57
圖 4 –14 眼圖量測之環境配置 58

參考文獻
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