臺灣博碩士論文加值系統

本論文利以 III-V 族半導體製程所製作的AlGaAs/InGaAs Enhancement-Mode pHEMTs來設計與實現光纖通訊的相關電路，提出設計方式、測試方法的流程，並利用修改過的Angelov model來建立小尺寸元件模型，並且有良好的直流與高頻特性，來節省IC 佈局面積。在光纖通訊前端電路，由光二極體(photodiode)將850nm光轉成電訊號，再經由轉阻放大器(Transimpedance Amplifier) ，經過放大後，在進入限制放大器(Cherry-Hooper)等完成限幅，好給CDR電路好的位準。
頻寬延升技術分別有C-peaking，L-peaking，頻寬補償等，此論文利用了L-peaking與頻寬補償來設計光接收轉阻放大器、限制放大器(Cherry-Hooper)等，完成接收端 10 Gb/s 傳輸率的模擬及製作。

A modified Angelov model for Small Sizes and Scaling Gate Width in High Performance AlGaAs/InGaAs Enhancement-Mode pHEMTs is presented which achieves a good agreement with the device DC and microwave performance. This model is based on the Angelov model, by modifying the formula to have comprehensive bias dependent descriptions for nonlinear behaviors of the devices. The small sizes transistor can reduce the IC layout area. In the forward of Optical communication, the Photo Diode will translate the 850nm optical signal to electrical signal, after that, the electrical signal will be amplified by TIA(Transimpedance Amplifier) and LA(Limiting Amplifier). We will use different bandwidth broaden technique to satisfy the requirement of 10Gb/s. For example, C-peaking tech, L-peaking tech, and the compensation tech. In this work, we use the L-peaking and compensation tech in TIA. The schematic of LA is Cherry-Hooper Amplifier. At the end of the research, we hope we can integrate the PD+TIA+LA in the future.

指導教授推薦書………………………………………………………i
口試委員會審定書……………………………………………………ii
授權書…………………………………………………………………iii
誌謝……………………………………………………………………iv
中文摘要………………………………………………………………v
英文摘要………………………………………………………………vi
圖目錄…………………………………………………………………xi
表目錄…………………………………………………………………xv
第一章 簡介 ……………………………………………………………1
§1.1 研究背景…………………………………………………………1
§1.2 研究動機…………………………………………………………2
§1.3 論文架構…………………………………………………………4
第二章 光纖接受器系統主要待測物理量……………………………5
§2.1 數位信號………………………………………………………5
§2.2 眼圖原理………………………………………………………7
2.2.1 眼圖分析…………………………………………………8
§ 2.3抖動(Jitter)的定義……………………………………………9
§ 2.4總抖動(Total Jitter，TJ)…………………………………11
2.4.1隨機抖動(Random Jitter，RJ) …………………………12
2.4.2定量性抖動(Deterministic Jitter，DJ)……………13
2.4.3週期性抖動(Periodic Jitter，PJ)…………………13
2.4.4工作週期失真(Duty Cycle Distortion，DCD)………13
2.4.5交互符號干擾(Inter-Symbol Interference，ISI)……15
第三章 增強型異質結構高速移導率等比例縮小小尺寸電晶體小訊號模型之建立 ………………………………………………………16
§3.1 簡介…………………………………………………………16
§3.2 理論分析……………………………………………………16
§3.3 外部寄生元件參數的決定…………………………………18
3.3.1 源極電阻的萃取…………………………………………18
3.3.2 Cold FET量測萃取外部元件參數 ……………………20
§3.4 內部本質元件的決定 ……………………………………25
§3.5 萃取結果討論……………………………………………30
§3.6 結語………………………………………………………………32
第四章 增強型異質結構高速移導率電晶體大訊號模型建立……33
§4.1 簡介 ………………..…………………………………………..33
§4.2 大訊號模型介 …………………………………………………..33
§4.3 大訊號模型的萃取方法與流 …………………………………..37
4.3.1 電流電壓方程…………………………………………………37
4.3.2 電容與電阻非線性方程 ……………………………………..41
§4.4 模擬結果與討 …………………………………………………..46
4.4.1 小訊號S參數模………………………………………………..46
4.4.2 高頻功率特性模擬………………………………..……………47
4.4.3 非線性特性模擬 ………………………………………………49
§4.5 結語 ……………………………………………………………..50
第五章 光纖通訊接收前端電路……………………………51
§5.1 Pre-amplifier 電路基本架構……………………………51
5.1.1 Low Impedance 架構…………………………………51
5.1.2 High Impedance架構…………………………………52
5.1.3 Transimpedance架構…………………………………52
§5.2轉阻放大器原理……………………………………………53
§5.3頻寬增強技術L-peaking與C-peaking…………………55
5.3.1 L-peaking 頻寬延升技術……………………………55
5.3.2 C-peaking 頻寬延升技術…………………………58
5.3.3 模擬與量測結果……………………………………61
§5.4增強型小尺寸電晶體模型轉阻放大器電路……………………..65

§5.5轉阻放大器頻寬補償增強技術……………………………68
5.5.1 轉阻放大器模擬與量測………………………………71
第六章 結論…………………………………………………77
參考資料……………………………………………………………78





























圖目錄
圖1-1 傳統光纖網路系統圖………………………………2
圖2-1 NRZ 訊號時序圖…………………………………5
圖 2-2 NRZ 訊號功率頻譜…………………………………6
圖2-3 NRZ 訊號功率累積圖………………………………6
圖2-4 眼圖形成圖形…………………………………………7
圖 2-5 眼圖(Eye diagram)分析……………………………8
圖 2-6 時域上抖動示意圖……………………………………9
圖 2-7 總抖動之組成因子及來源………………………………11
圖2-8 RJ示意圖………………………………………………12
圖 2-9 電壓偏移造成之工作週期失真…………………………14
圖 2-10 工作週期失真對眼圖之影響…………………………14
圖 2-11 (Inter-Symbol Interference，ISI) ，所造成的眼圖抖動…15
圖3-1 HEMT小訊號等效電路模型……………………………18
圖3-2 Rs萃取示意圖……………………………………………19
圖3-3 不同汲極電流對順向偏壓下閘極電流曲線圖……………20
圖3-4 閘極在順向偏壓的等效電路………………………………23
圖3-5 元件在順向偏壓下的小訊號等效電路……………………23
圖3-6 Z參數之虛數部分與頻率之關係圖………………………24
圖 3-7 Z11之實數部份與閘極電流之關係圖…………………24
圖3-8 小信號等效電路分成G、IS、D三個串聯區塊………27
圖3-9 ISFET等效電路分成IFET、ST二個串聯區塊………28
圖3-10 本質元件等效電路圖………………………………29
圖4-1 HEMT大訊號模型等效電路………………………36
圖4-2 內含直流公式的 4-PORT SDD 元件…………………36
圖4-3 4*15模擬與量測之Ids-Vds-Vgs…………………………38
圖4-4 4*10模擬與量測之Ids-Vds-Vgs…………………………39
圖4-5 4*5模擬與量測之Ids-Vds-Vgs……………………………39
圖4-6 不同Gate width下Ids vs Vgs模擬與量測結果………40
圖4-7 不同Gate width下gm模擬與量測結果……………40
圖4-8 Cgd隨偏壓改變的曲線圖…………………………43
圖4-9 Cgs隨偏壓改變的曲線圖……………………………44
圖4-10 Cds隨偏壓改變的曲線圖………………………………44
圖4-11 Ri 隨偏壓改變的曲線…………………………………45
圖4-12 Rds隨偏壓改變的曲線圖………………………………45
圖4-13 S21,S11,S22誤差率…………………………………46
圖4-14 於不同尺寸下(Vds = 1.6V，Vgs = 0.6V)，S參數模擬與量測……………………………………………………………………47
圖 4-15 元件於Vgs=0.6 V、Vds=2 V下，Finger=4 Gate Width:15µm之E-pHEMT輸出功率特性量測值與模擬值之比較…………………48
圖 4-16 元件於Vgs=0.6 V、Vds=2 V下，Finger=4 Gate Width:10µm
之E-pHEMT輸出功率特性量測值與模擬值之比較………………49
圖 4-17 元件於Vgs=0.6 V、Vds=2 V下，Finger=4 Gate Width:5µm
之E-pHEMT輸出功率特性量測值與模擬值之比較……………… 49
圖 4-18 元件Finger: 4，Gate Width: 15µm元件於Vgs=0.6 V、Vds=1.6 V下，E-pHEMT fT and fMAX 特性量測………………………………… 50
圖5-1 (a)Low-impedance (b)High-impedance(c )Transimpedance…51
圖5-2 轉阻放大器電路架構圖………………………………………54
圖5-3 基本型轉阻放大器……………………………………56
圖 5-4 L-peaking轉阻放大器………………………………56
圖5-5 L-peaking 電路分析(a)原始電路(b)加入電感……57
圖5-6 C-peaking轉阻放大器………………………………58
圖 5-7 C-peaking 頻寬延升技術電容值得討……………………60
圖 5-8 模擬TIA 轉阻增益Gain(dBΩ)………………………….. 61
圖5-9 模擬TIA S11,S22(dB)………………………62
圖5-10 模擬眼圖(a)原始TIA (b)C-peaking (c)L-peaking…62
圖5-11 轉阻放大器佈局圖………………………………63
圖5-12 量測TIA 轉阻增益…………………………………………63
圖5-13量測TIA S11,S22(dB)……………………………64
圖5-14 量測C-peaking 眼圖……………………………………64
圖5-15 小尺寸模型轉阻放大器架構圖與佈局圖…………………66
圖5-16 模擬TIA 轉阻增益Gain(dBΩ) …………………………66
圖5-17 模擬眼圖小尺寸電晶體 ……………………………………67
圖5-18 量測TIA 增益Gain(dB)………………………………67
圖5-19 量測TIA 轉阻增益Gain ……………………………68
圖5-20轉阻放大器架構圖……………………………………69
圖5-21 轉阻放大器電路圖………………………………69
圖5-22 S2D gaincell & uffer ………………………………………70
圖5-23 TIA+S2D+buffer………………………………………………70
圖5-24模擬TIA 轉阻增益Gain (dBΩ)…………….…………………71
圖5-25模擬TIA 增益Gain (dB) …………………………………………….72
圖5-26模擬TIA S11,S22,S33(dB)……………………………………72
圖5-27模擬頻寬補償技術TIA 眼圖…………………………………73
圖5.28 轉阻放大器頻寬補償增強(TIA)佈局圖 ……………………73
圖5.29 利用頻寬補償技術的眼圖……………………………………74
圖5.30 量測TIA 增益Gain(dB),轉阻增益(dBΩ)………………..….75
圖5.31 量測TIA 4 Port Return loss (dB)……………………..76
表目錄
表 1-1 SONET/SDH 光纖網路系統…………………………3
表3-1 外部寄生參數萃取值…………………………………25
表3-2 不同偏壓下的內部元件參數萃取值……………………31
表 4-1 利用數學軟體Microcal Origin擬合(fitting)過後的直流參數值…………………………………………………………………38
表 (5-1)為三種前端放大器架構的優缺點……………………53
表 (5-2) 為轉阻放大器需求…………………………………53
表 (5-3) 各個頻寬技術比較表…………………………………65
表 (5.4) 頻寬補償技術各級電路規格模擬表……….………………..75

光纖通訊部分
[1] John Gowar, “Optical Communication Systems”, Prentice Hall, 1993
[2]Behzad Razavi, “Design of Integrated Circuits for Optical Communication“, McGRAW Hill, 2003
[3]Sherif Galal, Student Member, IEEE, and Behzad Razavi, Fellow, IEEE，” 10-Gb/s Limiting Amplifier and Laser/ModulatorDriver in 0.18- m CMOS Technology” ，IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 38, NO. 12, DECEMBER 2003
[4]Sherif Galal and Behzad Razavi, Fellow, IEEE，” 40-Gb/s Amplifier and ESD Protection Circuit in” ， IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 39, NO. 12, DECEMBER 20040.18- m CMOS Technology
[5]簡鳳佐，”高頻轉阻放大器之設計及其在光纖通訊接收器上的應用” ， 博士論文，國立中央大學，民國88年
[6]黃凡修，”10Gb/s光纖通訊系統傳送/接收電路模擬與實做” ，碩士論文，國立中央大學，民國91年
[7]林大新，”光纖通訊類比前端電路設計與製作” ，碩士論文，國立交通大學，民國93年
[8]郭晉瑋，”次微米金氧半場效應電晶體大訊號模型及其在高速通訊電路之應用” ，碩士論文，國立中央大學，民國92年

電晶體模型部分

[9] I. Angelov, H. Zirath, N. Rorsmann, “A New Empirical Nonlinear Model for HEMT and MESFET Devices," IEEE MTT Vol. 40, No. 12, December 1992.
[10] I. Angelov, L. Bengtsson, M. Garcia, “Extensions of the Chalmers Nonlinear HEMT and MESFET Model," IEEE MTT Vol. 44, No. 10, October 1996.
[11] Angelov N, Zirath H, Rorsman A, Validation of a nonlinear transistor model by power spectrum characteristics of HEMT's and MESFET's, IEEE Trans. Microwave Theory and Tech 1995; 43: 1046 -52
[12]C.J.Wei,S.McCartcr,Y. A. Tkachenko and D. BartlcSCALEABLE SMALL-SIGNAL MESFET /PHEMT MODELS UP TO 30 mm PERIPHERY,Alpha Industries, Inc., 20 Sylvan Rond, Wobuni, MA 01 801, USA
[13]林正國，”深次微米變晶式高電子移導率電晶體特性研究及其在單晶微波積體電路上之應用” ，博士論文，國立中央大學，民國93年
[14]鄭嘉士，” 空乏型異質結構場效應電晶體大訊號模型建立與微波功率放大器電路設計” ，碩士論文，私立長庚大學，民國95年