第三章 3.125 Gb/s 的單晶整合光接收器設計
3.4 電路設計
3.4.8 迴圈行為
3.4.8 迴圈行為
在這次設計的光接收器中，存在兩個控制迴圈，分別是進行高頻增益補償的 控制迴圈與進行低頻增益補償的控制迴圈‧控制系統要能正常操作，頇使控制的 轉換曲線(transfer curve)呈現單調性(monotonic)，圖 3.32 為取得此次設計中兩 個控制迴圈轉換曲線的示意圖，圖中的控制電壓(EQctrl、VGActrl)都是以開迴路 的方式來進行改變‧改變 EQctrl 控制電壓並觀察 Idiff,avg輸出值可以得到高頻補 償迴圈的轉換曲線；而改變 VGActrl 控制電壓並觀察 VGAMain+的鋒值變化可以 得到低頻補償迴圈的轉換曲線‧另外，為了確保系統的閉迴路行為不會產生震 盪，所以還做了相位邊限(Phase Margin)的模擬‧
S2D EQ VGA
VPD EQctrl
Idiff,avg
Slope Detector VGAMain+
VGActrl
Vopen
Vsc
Slope Controller
圖 3.32 控制電壓與其對應的控制輸出
圖 3.33(a)為訊號振幅與參考電壓差值(Vref2-Vref1)的比例為 5:4 時的斜率 控制轉換曲線，由於等化器控制電壓(EQctrl)是針對斜率偵測器的兩個輸出電流 差異(I1-I2)的帄均作改變，因此以輸出電流差的帄均為縱軸‧由圖 3.33(a)可以得 知斜率控制的轉換曲線呈現單調性遞減，因此迴圈控制可以正常工作‧
圖 3.33(b)為直流控制轉換曲線，由於可變增益放大器控制電壓(VGActrl)是 針對訊號的振幅作改變，因此以訊號的峰值為縱軸‧由圖 3.33(b)可得到直流控 制轉換曲線呈現單調性遞增，因此迴圈控制可以正常工作‧
圖 3.33(c)為相位邊限(Phase Margin)的模擬，輸入的 AC 訊號先經過檢光二 極體的頻率響應模型再送入後端放大級電路，之後從斜率控制器輸出端 Vopen觀 察開迴路的相位邊限‧模擬條件為兩個控制電壓設定在最佳補償點的補償條件之 下來進行‧從圖中可以看出仍然有 30 度的相位邊限，因此不會發生震盪的現象‧
35 (a)
(b)
1k 10k 100k 1M 10M
0
-100 100 0
-50
-100
frequency(Hz) (log)
Gain(dB)Phase(degree)
0dB
-150o -180o
(c)
圖 3.33 (a)斜率控制轉換曲線 (b)直流控制轉換曲線 (c)相位邊限
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以下的閉迴路暫態響應(transient response)模擬分別模擬改變光強度以及 加入雜訊來進行系統的模擬‧
圖 3.34(a)為光波長 850nm 條件下，檢光二極體輸出光電流由 20µA 改變為 100µA 的暫態響應‧此圖顯示出當檢光二極體輸入光電流改變時，系統仍然可 以維持穩定‧圖 3.34(b)(c)為穩定狀態下的輸出訊號眼圖，顯示出當輸入光電流 改變時，系統輸出端的振幅仍然可以維持相同大小，表示低頻增益控制迴圈可以 正常地操作‧
VGActrl
EQctrl
IPD=20µA IPD=100µA 923mV
632mV
787mV
631mV
0
Time(s) 0
200m
Voltage(V)
2u 4u 6u 8u 10u 12u
400m 600m 800m 1000m
(a)
(b) (c)
圖 3.34 (a)改變檢光二極體輸出光電流的暫態響應圖 (b)輸入光電流為 20µA 及 (c)100µA 的輸出訊號眼圖
圖 3.35 是分別在可變增益放大器控制電壓(VGActrl)以及等化器控制電壓
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(EQctrl)中加入階梯電壓，並觀察兩個控制電壓的穩定情況，圖中顯示控制電壓 在階梯電壓干擾後仍然可以回到原本的穩定狀態‧
EQctrl VGActrl
0
Time(s) 0
200m
Voltage(V)
1u 2u 3u 4u 5u 6u
400m 600m 800m
圖 3.35 系統對於控制雜訊電壓的暫態響應
圖 3.36 為系統自動補償迴路開啟前後的差異，在自動補償機制關閉的情況 下，因為等化器控制電壓(EQctrl)以及可變增益放大器控制電壓(VGActrl)都設為 零，因此眼圖的振幅相當小並且 ISI 的情況相當嚴重‧而在自動補償機制開啟後，
閉迴路補償的結果下，輸出眼圖有著較大的振幅以及消除 ISI 的結果‧
補償前 補償後
圖 3.36 閉迴路補償開啟前後的輸出眼圖
圖 3.37 模擬電路不匹配的效應，將之等效成參考電壓差異的變化‧而電路 不匹配的效應在這邊主要是討論仿製路徑偵測訊號峰值的準確度，因為它將會影
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0 200p 400p 600p 800p 1n
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然而在傳統式 Dickson charge pump 中因為傳輸電晶體(pass transistor)是由閘 (Gate)汲(Drain)相連的電晶體所構成，因此在電晶體進行電荷傳輸時將會面臨臨 界電壓(Threshold voltage)以及基底效應(Body effect)所帶來的電荷損失，因此 在傳統式 Dickson charge pump 中以一個增強式電荷轉移區塊(Boosted Charge Transfer Block)[12][13]取代閘汲相連的電晶體，來改善臨界電壓以及基底效應對 於電荷傳輸的限制‧圖 3.38 為增強式電荷轉移區塊電路圖，概念是利用預充電 晶體(pre-charge transistor)使得傳輸電晶體的閘極和汲極產生一個壓差，以及利 用兩個開關來適時地使電晶體的基極和源極相連，以解決基底效應的電荷損失‧