第一章 緒論
1.2 論文組織
本論文共分為五章，本章即第一章，介紹論文的研究動機和組織。第二章是詳細說明並 探討光纖接收器的系統概觀和轉阻放大器電路之設計考量。第三章是一個具有高輸入電
容容忍度的光接收轉阻放大器設計和實驗結果。第四章是利用 90 奈米互補式金氧半製 程來設計一個高速光接收轉阻放大器設計和實驗結果。第五章，也就是最後一個章，則 是針對所設計的光接收轉阻放大器做成結論。
表 1. 1 各種通訊方式比較表
第二章
光纖通訊接收端系統與設計考量
2.1 系統概觀
光通訊電路接收端系統如圖 2. 1 所示，光信號經由光纖傳送，先到達光偵測器
（Photodetector；PD），將光信號轉換為光電流。接下來再由轉阻放大器（Transimpedance Amplifier；TIA）將光電流轉換為電壓信號，再經限制放大器（Limiting Amplifier；LA）
將電壓信號放大到可以當作數位信號的程度。接下來再將此信號送給數據時脈回復電路
（Clock and Data Recovery；CDR），判斷資料為 0 或 1，並順便以資料的速度產生一固 定時脈的方波信號，讓後級的數位電路可以使用這個轉換出來的信號。
圖 2. 1 光通訊接收端電路區塊圖
在這些電路區塊中，每個部份都有其特定的功能和要求，以下將一一說明。首先，
在光偵測器部份是將光信號轉換為光電流，故其主要規格在於光電轉換的光反應度
（Responsivity）和光偵測器本身的反應速度。一般說來，其光反應度必須在 0.7A/W 以 上，也就是說若有10µW 的光輸入，要有 7µA 的光電流輸出。如果光反應度太低，會 限制了光纖傳輸的距離。另外，反應速度必須達到系統的要求，例如在OC192 規格中，
就要求百億赫茲（10GHz）的速度。
轉阻放大器的功能在將光電流轉換為電壓信號，故其小訊號轉阻增益和頻寬是必然 的規格。另外，由於轉阻放大器位於光通訊電路接收端的最前級，類似RF 電路的低雜
訊放大器（LNA），轉阻放大器也必須有低的雜訊比才能將整個系統的雜訊降低。有些 應用還要求轉阻放大器要有很大的動態範圍（dynamic range），通常是如果輸入光電流 信號太大的話，轉阻放大器必須有一機制讓過大的光電流宣洩，否則會使轉阻放大器沒 辦法操作在其應有的操作點。一般的作法是會在轉阻放大器中增加自動增益控制
（Automatic Gain Control；AGC）的功能。
另外，由於轉阻放大器尚須有低雜訊的功能，因此到這裡的輸出電壓信號還很小，
限制放大器的作用在把小電壓信號再放大，以達到數位電路所需求的大信號輸出。是故 限制放大器的主要規格有頻寬和靈敏度（sensitivity），靈敏度是指該限制放大器所能接 受的最小輸入，其值一般為5mV 左右，表示轉阻放大器的輸出電壓振幅要超過 5mV，
限制放大器才能正常動作。靈敏度越小，則表示在設計上，轉阻放大器的轉阻增益可以 小一些。
最後一級電路是 CDR，這個區塊已經完全是數位電路。因為傳輸過程中一定會有 一些小的雜訊混入信號中，所以通常輸入信號到這裡的雜訊會比較大，CDR 電路可以 將這些雜訊再縮小，並抓出資料的時脈。例如雖然是在 OC192 規格下傳送，但是資料 速度不一定剛好是準確的 10GHz，有可能是 9.9GHz 或 10.2GHz 等等。如果用不對的 時脈去取資料會得到錯誤的結果，因此CDR 電路利用鎖相迴路（Phase Lock Loop；PLL）
的技巧來鎖定資料的速度，並一起提供給後級電路使用。
在 CDR 之後就是大家所熟知的數位信號了，通常經由解調器（demultiplexer；
demux）就可以將頻寬分配給各個使用者。
2.2 轉阻放大器基本設計考量
轉阻放大器(transimpedance amplifier)的功用是將電流放大成電壓訊號，除了輸入端的檢 光二極體元件所造成的寄生電容限制了光接收器的頻寬以及靈敏度之外，製程尺寸與供 應電壓(supply voltage)降低的趨勢也產生了更多的挑戰。在接下來的小節中，我們將介 紹轉阻放大器電路設計的基本考量，包含增益、頻寬和雜訊等，這些基本設計考量不只 有助於之後電路設計及製作，在系統的規劃上也有很大的幫助。
2.2.1 增益
轉阻放大器增益則必須使輸出的訊號夠大到能克服下一級電路(功率放大器或限制放大 器)的等效輸入雜訊。例如，當一個限制放大器的雜訊電壓為5nV/√Hz 時，轉阻放大器 的增益必須超過5k 歐姆，使輸入參考雜訊電流降低至 1pV/√Hz 以下。所以在增益、頻 寬及voltage headroom 的考量下，通常轉阻放大器與次級電路是一起做設計及最佳化。
同時，若是應用在短距離的光纖接收端，常會有光電二極體接收功率過強產生電流振幅 過大而導致轉阻放大器產生非線性(nonlinearity)的問題，而這通常造成輸出與輸入不成 正比，產生失真的問題而提高了系統的位元錯誤率。所以通常會在轉阻放大器的輸出再
接一個自動增益控制電路(automatic gain control)的回授電路，其功用便是在偵測轉阻放 大器的輸出振幅並與一個參考位準做比較並再調整轉阻放大器的阻抗增益(impedance gain)。使其輸出能在一個線性範圍並且是定值的。
2.2.2 頻寬
頻寬大小選擇
資料傳輸的速度及碼間幹擾(intersymbol interference)的考量，決定了轉阻放大器的頻 寬。頻寬越低，其碼間幹擾的情形就越嚴重，使eye closure 及 noise margin 變小，提高 了位元錯誤率(bit error rate)。而頻寬越大，又會使雜訊功率升高(因雜訊屬於寬頻訊號) 而降低了系統輸出訊號雜訊比(output signal to noise ratio)。所以，在這裡頻寬的選擇需 要做一個系統訊號雜訊比的考量，通常頻寬選擇為0.7×(1/Tb)，其中 Tb 為訊號位元週期 [8] 。若考慮傳送訊號速度達 10Gb/s，那轉阻放大器頻寬需要 7GHz。
頻寬設計挑戰
對於轉阻放大器電路而言(圖 2. 2)，輸入端的寄生電容大大的影響整個光接收器的頻 寬。當我們將檢光二極體(PD)與光接收器整合在一起時，轉阻放大器的寄生電容包含檢 光二極體的接面電容(CD)、靜電防護負載電容(CESD)、焊墊負載電容(CPAD)以及轉阻放大 器輸入負載電容(CTIA)，對於設計一個高速度的光接收轉阻放大器而言，輸入端的寄生 電容往往是整體系統設計上最大的瓶頸。
圖 2. 2 轉阻放大器
傳統上，為瞭解決輸入端負載電容的問題，通常採用低輸入阻抗的設計，如圖 2. 3 的共 閘極轉阻放大器和圖 2. 4 的多級串連轉阻放大器[9] 都是低輸入阻抗的設計方案，前者 的輸入阻抗Rin =1/(gm1+gm1b)，透過提升 gm的方式可以擁有較低的輸入阻抗，然而其 主要缺點為雜訊性能惡化。後者可以透過三級放大器的串聯以提升電路的開迴路增益，
進而降低輸入阻抗與電路頻寬，但是較大相位的降低使得系統的穩定度嚴重不足。
圖 2. 3 共閘極轉阻放大器
圖 2. 4 多級串連轉阻放大器
2.2.3 雜訊
低雜訊的考量是因為相同的傳輸訊號強度對較低的雜訊電流強度的電路可有較遠的傳 輸距離(考慮相同的衰減係數下)。
接收靈敏度(sensitivity)是系統動態範圍的一部分，系統靈敏度的定義是接收器至少 需要多大輸入功率，才能在輸出端達到所指定的訊號雜波比或位元錯誤率(BER)，靈敏 度取決系統雜訊的大小，越小的雜訊則是越好的靈敏度。如圖 2. 5 所示，達到所指定 的位元錯誤率10-10時，靈敏度為接收器至少需要Psensitivity輸入功率。如果輸入光功率太 大的話，導致轉阻放大器產生非線性的問題，而這通常造成輸出與輸入不成正比，產生 失真的問題而提高了系統的位元錯誤率，錯誤率提升到系統可接受的最大錯誤率時，輸 入的光功率最大值就定義為電路的超載(overload)。所以動態範圍(Dynamic Range)就取 決於系統靈敏度和超載之間的範圍。
圖 2. 5 不同光功率的輸入錯誤率碼曲線例子
為了提升頻寬而使用共閘極之轉阻放大器電路設計，此架構雖然擁有低輸入阻抗但 是卻也是高雜訊的電路架構，雜訊的惡化對於靈敏度的影響就變成非常嚴重了。圖 2. 6 是加入雜訊源的共閘極之轉阻放大器，為了簡化分析我們先忽略通道長度調變和基板效 應的影響，然後再利用重疊原理(superposition)來計算出每一個雜訊源的貢獻[8] 。 (1)所有的I2n,M2流過電阻RD 產生R2DI2n,M2 的輸出雜訊。
(2)因為 ro2=∞導致沒有I2n,M1流過電阻RD，
(3)因為從電晶體 M1 的汲極端看進去的阻抗無限大，所以所有的I2n,RD流過電阻RD 產生 R2DI2n,RD的輸出雜訊。
圖 2. 6 加入雜訊源之轉阻放大器
下列的方程式是共閘極轉阻放大器的輸出雜訊
Vn2,out =(I2n,M2+I2n,RD)R2D
(2. 1) 2D
D 2
m )R
R kT(γT 1 4
= +
(2. 2)
方 程 式(2. 2)除以轉阻放大器增益平方得到輸入參考雜訊電流(input-referred noise current):
) R kT(γT 1 4 I
D 2 m 2
n,in = +
(2. 3) =I2n,M2+I2n,RD
(2. 4)
從方程式(2. 4)可以知道輸入參考雜訊電流大小直接由電晶體 M2 和電阻 RD 的雜訊 大小所決定，所以輸入阻抗和輸入參考雜訊電流是互相權衡(trade-off)，也就是說，擁有 低輸入阻抗的轉阻放大器就會造成較大的輸入雜訊電流。
為了降改善電流源M2 所貢獻的雜訊，我們提出使用 inductor degeneration 技術，如 圖 2. 7 所示，將電感 L1 串接在電晶體 M2 與地之間。設計概念如圖 2. 8 所示，透過電 感元件的直流短路和高頻開路特性，以及Ia=Ib的關係式，讓M2 的雜訊電流在高頻時流 到 輸 出 端 的 大 小 趨 近 於 零 ， 使 得 積 分 起 來 的 全 部 雜 訊 功 率 下 降 ， 所 以 inductor degeneration 技術的補償可以降低共閘極轉阻放大器的雜訊。
利用 Hspice 軟體模擬，如圖 2. 9 所示，當頻寬和資料速度(Rb)相等時，利用 inductor degeneration 技術補償的效果是最好的，M2 雜訊功率大小可以降低至五分之一。
圖 2. 7 使用電感衰減技術之共閘極轉阻放大器
圖 2. 8 電感衰減技術之設計概念
圖 2. 9 電感衰減技術之模擬
第三章
具高輸入電容容忍度之 光接收轉阻放大器
3.1 簡介
對於一般的光纖網路系統而言，將檢光二極體與光接收器整合在一起時，在訊號輸入端 由檢光二極體元件與靜電放電防護電路所造成的電容負載效應是光接收轉阻放大器設 計上所面臨的最主要問題，其對頻寬與雜訊等重要接收性能有著關鍵性的影響。所以本 章節目標是以1.8伏特供應電壓和0.18微米標準CMOS製程，以及大約0.8pF負載電容的檢
對於一般的光纖網路系統而言，將檢光二極體與光接收器整合在一起時，在訊號輸入端 由檢光二極體元件與靜電放電防護電路所造成的電容負載效應是光接收轉阻放大器設 計上所面臨的最主要問題，其對頻寬與雜訊等重要接收性能有著關鍵性的影響。所以本 章節目標是以1.8伏特供應電壓和0.18微米標準CMOS製程，以及大約0.8pF負載電容的檢