{"id":102114,"date":"2018-03-11T10:24:12","date_gmt":"2018-03-11T10:24:12","guid":{"rendered":"https:\/\/www.deberes.net\/tesis\/sin-categoria\/design-of-cmos-analog-front-ends-for-broadband-optical-receivers\/"},"modified":"2018-03-11T10:24:12","modified_gmt":"2018-03-11T10:24:12","slug":"design-of-cmos-analog-front-ends-for-broadband-optical-receivers","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.deberes.net\/tesis\/ciencias-tecnologicas\/design-of-cmos-analog-front-ends-for-broadband-optical-receivers\/","title":{"rendered":"Design of cmos analog front-ends for broadband optical receivers"},"content":{"rendered":"<h2>Tesis doctoral de <strong> Jos\u00e9 Mar\u00eda Garcia Del Pozo Faldos <\/strong><\/h2>\n<p>1.- Estado de la cuesti\u00f3n  en el mercado de las comunicaciones de banda ancha se ha producido una creciente demanda de productos de altas prestaciones con bajo coste destinados a la transmisi\u00f3n de informaci\u00f3n con frecuencias sumamente elevadas.  para cubrir esta necesidad, los nodos basados en fibra \u00f3ptica se han presentado como una de las principales opciones dadas sus inherentes propiedades para la transmisi\u00f3n de datos en el rango de gb\/s.  para cubrir la demanda de nodos con tasas de transmisi\u00f3n extremas, las tecnolog\u00edas h\u00edbridas tales como la sige o gaas proporcionan una v\u00eda factible de dise\u00f1o. No obstante, dado que el coste es un aspecto cr\u00edtico, la tendencia generalizada es el uso de tecnolog\u00edas cmos. Dichas tecnolog\u00edas presentan coste m\u00ednimo dado su uso masivo en circuitos integrados.   haciendo uso de las tecnolog\u00edas cmos el dise\u00f1ador se aprovecha tambi\u00e9n del proceso downscaling y la posibilidad de implementar dispositivos \u00f3pticos de detecci\u00f3n integrados con los circuitos electr\u00f3nicos de procesado si fuese necesario.    2.- Objetivos y metodolog\u00edas  con la elaboraci\u00f3n de esta tesis se pretende desarrollar nuevas metodolog\u00edas de dise\u00f1o de circuitos de se\u00f1al anal\u00f3gica y mixta para aplicaciones en front-ends de receptores \u00f3pticos. Para ello se realiza un estudio comparativo de las diferentes t\u00e9cnicas utilizadas hoy en d\u00eda, con el fin de determinar su eficacia. Ello nos permite adem\u00e1s realizar una valoraci\u00f3n sobre cu\u00e1les son las t\u00e9cnicas m\u00e1s id\u00f3neas dependiendo de la aplicaci\u00f3n.   este proyecto forma parte de un conjunto de actividades de formaci\u00f3n de personal investigador que nuestro grupo est\u00e1 desarrollando en el marco del programa europractice (programme for community activities of research and technological development of the european commission). La motivaci\u00f3n fundamental de este programa es potenciar la formaci\u00f3n de especialistas en el dise\u00f1o de sistemas electr\u00f3nicos integrados.   gracias a esta acci\u00f3n, tenemos a nuestra disposici\u00f3n el cad\/cae (simulink-matlab y cadence) necesario para el dise\u00f1o, simulaci\u00f3n, implementaci\u00f3n y caracterizaci\u00f3n experimental de los sistemas electr\u00f3nicos propuestos. Adem\u00e1s, es posible el acceso a la fabricaci\u00f3n de prototipos con costes m\u00ednimos. De hecho, los asic front-ends se han fabricado mediante multi project wafer (mpw) runs de la tecnolog\u00eda 0.18 \u00c2\u00bfm cmos de umc.   a continuaci\u00f3n resumimos brevemente los diferentes aspectos que se han abordado en esta tesis doctoral:   2.1. El fotodetector   estudio de los diferentes tipos de fotodiodos existentes y de los par\u00e1metros cr\u00edticos que intervienen en el procesado el\u00e9ctrico de la se\u00f1al. Especial atenci\u00f3n se presta a tres de dichos par\u00e1metros: la capacidad par\u00e1sita, la eficiencia y el ruido generado.   2.2. El preamplificador   se exploran y analizan posibles topolog\u00edas de preamplificadores atendiendo a su relaci\u00f3n se\u00f1al-ruido as\u00ed como sus prestaciones de cara a ser capaces de operar con tensiones de alimentaci\u00f3n reducidas y a muy alta frecuencia.   por otro lado, se estudian diferentes t\u00e9cnicas de compensaci\u00f3n en frecuencia, tanto est\u00e1ticas como din\u00e1micas. Las primeras se presentan como una alternativa muy interesante en casos de preamplificadores con ganancia fija y las segundas en el caso de preamplificadores de ganancia variable.   por \u00faltimo, se analizan diferentes esquemas de compensaci\u00f3n para variaciones en dc provocadas por factores externos, como pueden ser temperatura o matching. Esto incrementa sus prestaciones asegurando la correcta operaci\u00f3n del bloque y de las posteriores etapas.   2.3. El postamplificador  en el postamplificador se estudian y comparan las configuraciones de amplificador limitador y de amplificadores de ganancia variable, siendo la primera la seleccionada para aquellos nodos \u00f3pticos que exigen altas tasas de trasmisi\u00f3n.   por ello, se optimizan los esquemas seleccionados garantizando el ancho de banda del postamplificador evitando problemas de estabilidad y los errores originados por la temperatura y\/o el mismatch. Se hace especial menci\u00f3n a aquellas topolog\u00edas nuevamente capaces de operar con bajas tensiones de alimentaci\u00f3n.    2.4. Metodolog\u00edas y sistemas de test  la caracterizaci\u00f3n de prototipos que operan a frecuencias sumamente elevadas conlleva numerosos inconvenientes, convirti\u00e9ndose en algo tan problem\u00e1tico como el dise\u00f1o del propio prototipo. Solventarlos supone todo un reto para el cual se deben conocer ciertas t\u00e9cnicas de test ampliamente adoptadas, as\u00ed como su desarrollo y adaptaci\u00f3n a trav\u00e9s de la pericia del propio dise\u00f1ador al sistema que se pretend\u00eda caracterizar. Estas t\u00e9cnicas estan orientadas a la caracterizaci\u00f3n tanto de se\u00f1ales anal\u00f3gicas como digitales.    3.- Conclusiones  los cap\u00edtulos 1 y 2 de esta tesis fueron exclusivamente destinados a introducir todos los conceptos descritos en la secci\u00f3n anterior. Por otra parte, el cap\u00edtulo 3 fue destinado a presentar las diferentes topolog\u00edas propuestas en esta tesis as\u00ed como los resultados postlayout obtenidos para poder hacer una evaluaci\u00f3n de las prestaciones esperadas, explicando concienzudamente los procesos intensivos de optimizaci\u00f3n para que dichas prestaciones cumplieran con las especificaciones de dise\u00f1o.  todos los bloques propuestos fueron dise\u00f1ados en una tecnolog\u00eda de bajo coste de 180 nm cuyos prototipos son fabricados  por umc y los cuales pueden operar con una \u00fanica fuente de alimentaci\u00f3n de 1.8 v.   dos diferentes preamplificadores fueron presentados y ambos basados en un amplificadores de transimpedancia (tia) tipo shunt-feedback. Uno de estos preamplificadores presentaba ganancia fija y dos diferentes t\u00e9cnicas de compensaci\u00f3n est\u00e1ticas conocidas como passive shunt-peaking y phantom-zeros. El otro por su parte presentaba ganancia variable y una compensaci\u00f3n din\u00e1mica en frecuencia basada en el dise\u00f1o de un amplificador de tensi\u00f3n con ganancia variable. El \u00faltimo bloque propuesto consisti\u00f3 en un amplificador limitador de core optimizado en producto ganancia-achura de banda y que incluye un m\u00e9todo de compensaci\u00f3n est\u00e1tico denominado active shunt-peaking que alivia el pernicioso efecto de carga entre etapas amplificadoras.  las simulaciones postlayout mostraron unas prestaciones para el tia de ganancia fija con transresistencia de 59 dbohm, tasas de transmisi\u00f3n hasta 3.125 gb\/s y de ber igual o menor que 10e-12 si las corrientes de entrada eran iin iguales o mayores que 3.7 \u00c2\u00bfa. Por otro lado, el tia de ganancia variable demostr\u00f3 ser tan competitivo como el primero alcanzando un rango controlable de transresistencia que iba desde 60 hasta 74 dbohm con la misma tasa de transmisi\u00f3n que el preamplificador anterior y un ber igual o menor que 10e-12 cuando iin es igual o mayor que 9.7 \u00c2\u00bfa (este valor para el peor caso simulado). Las estimaciones de consumo en potencia van desde 23 mw en el primer caso hasta 103 mw en el segundo.  el segundo preamplificador propuesto presenta dos prestaciones m\u00e1s. La primera de ellas es un control autom\u00e1tico de ganancia basado en una red rc integrada monol\u00edticamente y que permite obtener una tensi\u00f3n de salida constante. La otra consiste en un circuito de compensaci\u00f3n en dc basado en la t\u00e9cnica maestro-esclavo e implementada mediante una r\u00e9plica de tia original y un amplificador de error. Incluyendo esta compensaci\u00f3n conseguimos minimizar las variaciones en dc generadas por sensibilidad t\u00e9rmica en un rango comprendido entre -20 \u00c2\u00b0c  y 80 \u00c2\u00b0c obteniendo solamente un variaci\u00f3n de vout \u00c2\u00bf 50 mv y mejorando el valor original hasta en un 75 %. Estos bloques no han podido ser caracterizados experimentalmente pero del funcionamiento de los circuitos se permite deducir correcta operaci\u00f3n.  los resultados postlayout tambi\u00e9n mostraron como el amplificador limitador proporcionaba una ganancia extra de m\u00e1s de 20 db alcanzando velocidades de operaci\u00f3n hasta 3.125 gb\/s y demostrando un reducido impacto en las caracter\u00edsticas del diagrama de ojos alcanzando un ber igual o menor que 10e-12 cuando vin es igual o mayor que 2.1 mv. De la misma manera, dicho postamplificador incluye otro circuito de compensaci\u00f3n en dc basado en otra red rc integrada monol\u00edticamente y que permite reducir la sensibilidad t\u00e9rmica hasta adquirir un valor de 0.2 mv\/\u00c2\u00b0c (que supone una mejora del 95 % respecto al circuito original).   en el cuarto cap\u00edtulo de esta tesis se presentaron los resultados experimentales de los dise\u00f1os propuestos. Pudimos comprobar tanto las versatilidades como las desventajas de cada uno de ellos as\u00ed como fuimos explorando diferentes formas de mejora.  Los m\u00e9todos de test fueron muy diversos y con diferentes implementaciones analizadas.  el primer preamplificador fue testeado completamente on-pcb. Dos pcbs diferentes fueron fabricadas. La primera de ellas era una placa convencional de doble cara donde el prototipo fue montado sin encapsulado. Por otro lado, la segunda pcb era una placa fr4 donde el prototipo esta vez s\u00ed fue encapsulado en un qfn16 pl\u00e1stico. Incluyendo el driver de salida, la primera de ellas alcanzaba una transresistencia de 53.1 dbohm, una velocidad de operaci\u00f3n m\u00e1xima de   3 gb\/s, una contribuci\u00f3n de ruido referida a la salida de 270 \u00c2\u00bfvrms y un ber igual o menor que 10-12 cuando iin es igual o mayor que 9.6 \u00c2\u00bfa. La segunda pcb alcanzaba supuestamente la misma transresistencia con una tasa de trasmisi\u00f3n m\u00e1xima de 1.75 gb\/s, una contribuci\u00f3n de ruido referida la salida de 267 \u00c2\u00bfvrms y un ber igual o menor que 10e-12 cuando iin es igual o mayor que 11.4 \u00c2\u00bfa. El consumo experimental medido en ambas placas es aproximadamente 24 mw. Sin embargo, mejores prestaciones son obtenidas sin el driver de salida, alcanzando mayores transresistencias de hasta 58 dbohm con velocidades de transmisi\u00f3n esperables por encima de 3.125 gb\/s.  el segundo preamplificador propuesto fue testeado bajo dos m\u00e9todos diferentes, siendo uno de ellos on-pcb y el otro on-wafer. La pcb fue fabricada con material fr4 y el prototipo fue encapsulado en un qfn24 pl\u00e1stico. Dicha placa alcanz\u00f3 un ancho de banda de 1.2 ghz, un rango de control de la transresistencia que cubre desde  61 hasta 72 dbohm y un consumo en potencia de 102 mw. Por otro lado, el mismo circuito testeado on-wafer alcanza 2.1 ghz, cubre un rango de transresistencias de entre 60 y 72 dbohm con un consumo en potencia de 105 mw. Dado que el m\u00e9todo de medida se hizo por de-embedding, en este segundo preamplificador solo se pudo medir los diagramas de ojos para la pcb hasta una frecuencia m\u00e1xima de 1 gb\/s.  el \u00faltimo bloque propuesto fue el amplificador limitador. En este caso, el prototipo fue encapsulado de nuevo en un qfn24 pl\u00e1stico y fue medido con una \u00fanica pcb de material fr4 que inclu\u00eda los bloques de test que hab\u00edan demostrado ser m\u00e1s eficientes en los casos anteriores. El consumo experimental fue de 113 mw. El ancho de banda y la ganancia en voltaje eran de 2.9 ghz y 20 db respectivamente. La m\u00e1xima tasa de trasmisi\u00f3n testeada fue de 3 gb\/s con una contribuci\u00f3n de ruido referido a la salida de 591 \u00c2\u00b5vrms . Tambi\u00e9n se pudo comprobar como el ber es igual o menor que 10e-12 si vin es igual o mayor que 7 mv.   todo este trabajo, aparte de haber dado lugar a la elaboraci\u00f3n de la tesis que se presenta, tambi\u00e9n ha dado lugar a m\u00e1s de 15 trabajos presentados en congresos internacionales y de momento a 4 publicaciones en revistas indexadas. Adem\u00e1s se han establecido colaboraciones con grupos de la universidad tecnol\u00f3gica de delft y el centro nacional de microelectr\u00f3nica a trav\u00e9s de sendas estancias de investigaci\u00f3n.<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<h3>Datos acad\u00e9micos de la tesis doctoral \u00ab<strong>Design of cmos analog front-ends for broadband optical receivers<\/strong>\u00ab<\/h3>\n<ul>\n<li><strong>T\u00edtulo de la tesis:<\/strong>\u00a0 Design of cmos analog front-ends for broadband optical receivers <\/li>\n<li><strong>Autor:<\/strong>\u00a0 Jos\u00e9 Mar\u00eda Garcia Del Pozo Faldos <\/li>\n<li><strong>Universidad:<\/strong>\u00a0 Zaragoza<\/li>\n<li><strong>Fecha de lectura de la tesis:<\/strong>\u00a0 28\/06\/2010<\/li>\n<\/ul>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<h3>Direcci\u00f3n y tribunal<\/h3>\n<ul>\n<li><strong>Director de la tesis<\/strong>\n<ul>\n<li>Santiago Celma Pueyo<\/li>\n<\/ul>\n<\/li>\n<li><strong>Tribunal<\/strong>\n<ul>\n<li>Presidente del tribunal: pedro Antonio Mart\u00ednez  mart\u00ednez <\/li>\n<li>Miguel Ull\u00e1n  comes (vocal)<\/li>\n<li>Mar\u00eda Jos\u00e9 Garde alduc\u00edn (vocal)<\/li>\n<li>Jos\u00e9 Mar\u00eda Quintana  toledo (vocal)<\/li>\n<\/ul>\n<\/li>\n<\/ul>\n<p>&nbsp;<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Tesis doctoral de Jos\u00e9 Mar\u00eda Garcia Del Pozo Faldos 1.- Estado de la cuesti\u00f3n en el mercado de las comunicaciones 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