3-3-1 現有架構之缺點與討論
近年來，為了解決功率消耗過大的問題，高速雷射二極體驅動器相關研究趨勢之 ㄧ，就是利用主動電路去同時達到輸出阻抗匹配且具有不減損輸出電流之特性，也就是 所謂的主動式終端匹配，到目前為止，已有三篇10-Gb/s 雷射二極體驅動器相關研究論 文發表於知名國際期刊和國際會議中[12][13][14]，以下將分別介紹其主動終端匹配架構 的概念與限制:
(1) A 10Gb/s Laser/Modulator Driver IC With a Dual-Mode Actively Matched Output Buffer (JSSC 2005):
最 早 提 出 應 用 於 雷 射 二 極 體 驅 動 器 之 主 動 式 終 端 匹 配 架 構 為 傑 爾 系 統(Agere
System)於 2005 年所發表之期刊論文，此篇論文為一個供應電壓為 5V的砷化鎵製程單端 輸出雷射二極體驅動器，主要的概念如圖 3-3 所示，Io為雷射二極體驅動器所等效之調 變電流源，輸出端透過一阻抗為Zo的傳輸線驅動雷射二極體，雷射二極體負載則等效為 RL與直流電壓源Vd，在其輸出端加上一個增益為一同時輸出阻抗為RM之緩衝器MA，緩 衝器輸入信號利用一個輸出級等比例縮小的複製電路與大於傳輸線阻抗k倍之電阻產 生，對於輸出信號來說，雷射二極體驅動器驅動雷射二極體在輸出端產生Io×Zo之輸出電 壓，而輸出級複製電路透過k倍之電阻產生相同大小、相位之電壓，因此在輸出級輸出 阻抗兩端有相同之電壓信號，使得流過之信號電流IM為 0，雷射二極體驅動器之調變電 流就完全輸出至雷射二極體。相反的，對於反射訊號來說，緩衝器所設計之輸出阻抗RM
大小為剛好匹配傳輸線阻抗Zo，反射訊號反射至雷射二極體驅動器輸出端時，即被終端 匹配阻抗RM所吸收而不至於產生二次反射。
這樣的主動式終端匹配架構，理論上省下了 50%的輸出電流，並且達到了吸收反射 訊號的功能，但其實現緩衝器的方法為利用源極隨耦器(Source Follower)輸出阻抗小的 原理，為了使緩衝器輸出阻抗匹配雷射二極體驅動器輸出端之傳輸線阻抗，必須將源級 隨耦器直流偏壓在較大的電流以得到較小之輸出阻抗 1/Gm，為此在設計上就已經消耗 許多電壓降空間，再加上一般雷射二極體驅動器調變電流若超過60mA，其輸出信號擺 幅必定超過1.5V，要同時在源級隨耦器閘極端產生如此大的信號擺幅就必須提高供應電 壓，設計上造成了供應電壓與輸出調變電流的限制，也導致這樣的架構並無法應用於現 今之低供應電壓CMOS 製程下。
圖 3-3 主動式終端匹配輸出緩衝器概念
(2) A 3V 10.7Gbps Differential Laser Diode Driver with Active Back-Termination Output Stage (ISSCC 2005):
此篇論文由美商亞德諾半導體(Analog Devices, ADI)所提出，目前亦應用於其晶片 產品中，是一個供應電壓 3V並且為差動輸出之矽鍺製程雷射二極體驅動器，實現的概 念主要利用線性回授放大器差動對做為輸出級去驅動雷射二極體，如圖3-4 所示，達靈 頓組態回授放大器(Darlington Feedback Amplifier)一般使用於射頻電路系統做為寬頻線 性放大器[15]，在此則當輸出調變電流放大器，由前級驅動器等效為一信號電流源Iin， 電流Iin大小則為IO/k，透過增益為k之電流放大器輸出IO驅動雷射二極體等效負載RL，同 時此回授組態具有輸出阻抗Ro降低的特性，所以可由回授分析算出Ro(公式 3-1)並且設 計成匹配傳輸線特性阻抗Zo以作為輸出端之終端匹配。
圖 3-4 回授放大器組態輸出級
Rs gm
Rs Ro Rf
× +
= +
1
(公式 3-1)
由電流增益k之小信號分析(公式 3-2~3-4)上可以看出設計上希望讓電流增益k較高 來達到好的功率效益，但前提是Ro之值須滿足寬頻之低輸出阻抗並同時不受溫度製程變 異影響才能達到較好的阻抗匹配效果，因此必須額外加入複雜的回授控制電路，並且需 要讓輸出放大器在操作時不能完全切換來保持阻抗匹配的功能，這樣的設計條件要使用 低電壓低成本的金氧半製程來實現會非常困難，除此之外，此架構之信號路徑與反射路 徑的相互影響也因為同時整合在回授放大器中而較大。
in
(3) 45% Power Saving in a 0.25um BiCMOS 10Gb/s 50Ω-Terminated Packaged Active-Load Laser Driver (ISSCC 2007):
此架構為英特爾公司所提出來的一個供應電壓為1.8V之雷射二極體驅動器，主要應
f (Diode Connected Type)的電晶體Ma，其偏壓驅動電流為與輸出調變電流反向且大小為 1/k倍，作用為使輸出級輸出電流信號驅動雷射二極體時，偏壓驅動電流透過Rg形成一與
信號大小相同之電壓降，當我們設計k=1+Rg/Zo時即可保持Vg=Vo-(Io/k)×Rg為恆定電壓，
如此一來，對於輸出信號而言，Vg視同直流偏壓點，所看到的阻抗為Rg並聯傳輸線阻抗 Zo，若k值設計的越大，幾乎所有的輸出電流就會流至雷射二極體產生光信號輸出而不 消耗功率在Rg上。
反之，對於反射訊號而言，Ma之偏壓電流在同時間上並不與反射訊號相關，因此 Vg不被視為恆定的直流偏壓點，所看見的輸出端阻抗在假設電流源輸出阻抗無限大的情 況下就變成Ma的電導倒數，也就是Za(dc)=1/Gm(Ma)，如果我們將Ma設計在適當偏壓點下，
就可以匹配傳輸線阻抗Zo達到吸收反射訊號之終端匹配，以上就是我們提出之主動式終 端匹配的設計概念。
圖 3-6 新提出之主動式終端匹配設計概念