KR101470578B1 - 광 수신 장치 - Google Patents

Abstract

광 수신 장치는 기준 전압을 출력하는 자동 경계점 제어기, 외부 전압으로부터 상기 외부 전압보다 더 낮은 온칩 전압을 생성하는 온칩 레귤레이터, 싱글모드로 동작하고, 광 검출기로부터 전류 신호를 입력받고, 상기 온칩 레귤레이터로부터 상기 온칩 전압을 입력받아 상기 전류 신호를 전압 신호로 변환 및 증폭하여 전원 전압 잡음이 최소화된 상기 전압 신호를 출력하는 전치 증폭부, 그리고 상기 자동 경계점 제어기가 출력하는 기준 전압 및 상기 전치 증폭기가 출력하는 공통 모드 전압을 입력받아 상기 온칩 전압과 합산하여 상기 전치 증폭부로 출력하는 잡음 취소 블록을 포함한다.

Description

광 수신 장치{LIGHT RECEIVER}

본 발명은 잡음 특성을 개선하기 위한 광 수신 장치에 관한 것이다.

광 수신 장치는 광 인터커넥트 시스템의 핵심 블록으로 광 전송거리, 광링크 시스템 예산 등을 결정한다. 또한, 최근에는 상대적으로 낮은 성능을 갖는 실리콘 기반의 광검출소자(Photodiode)들이 출시되면서 광 수신 장치의 성능 향상에 대한 요구가 활발하다.

종래의 광 수신 장치 구조들은 잡음 특성을 개선하기 위해 다른 성능의 저하를 감수해 왔다. 기존에는 화합물 반도체 기반의 고성능 광검출소자의 채용으로 이러한 광 수신회로의 사용에 무리가 없었다. 그러나 최근 광 전송시스템의 가격 경쟁력이 이슈화되면서 값싼 광검출소자의 사용이 활발해지고 있는 상황에서는 광 수신회로의 성능 향상이 필수적이다.

종래의 광 수신 장치에서는 각종 공통모드(Common-mode) 잡음 특성을 개선하기 위해 주로 수도 차동 증폭(Pseudo Differential Amplification) 방식을 사용한다. 즉, 차동 증폭기를 사용함으로써 전원 전압 잡음(Power-supply Noise) 및 그라운드 바운싱(Ground Bouncing) 현상 등에 의해 발생하는 공통모드 잡음들을 제거하려는 노력을 해왔다. 차동 증폭기는 기본적으로 180도의 위상 차이가 있는 고속 신호의 차이를 증폭하는 방식으로 공통모드 잡음을 제거하는데 효과적이다.

그러나 광 수신 장치는 근본적으로 하나의 입력만 입력되는 싱글모드이며, 차동모드로의 변환이 필요하고 그 과정에서 DC 오프셋 에러(Offset Error)가 발생하게 된다. 따라서, 이를 보상하기 위한 추가의 블록이 필요하다.

또한, 같은 원인으로 인해 차동 증폭기를 이용한 광 수신 시스템은 싱글모드 증폭기를 이용한 경우보다 변환 이득(Transimpedance Gain)에서 항상 6dB의 손실이 있다. 이러한 손실들을 보상하기 위해 추가 블록들이 필요하며, 이에 따른 전력 소모도 매우 높다.

이와 같은 문제를 해결하기 위해 싱글모드 증폭기를 이용한 광 수신 방법들이 제안되고 있다. 싱글모드 증폭기는 공통모드 잡음에 취약하지만 전력소모가 작고 추가의 블록이 필요하지 않은 장점이 있다. 그러나 싱글모드 증폭기를 사용하는 경우에도 신호의 크기가 커지는 후치증폭기(Post Amplifier, PoA)에서는 차동모드로 동작해야 하므로, 역시 싱글모드에서 차동모드로 변환하는 추가 블록이 필요하게 되며 이 과정에서 역시 DC 오프셋에러가 발생한다.

또한, 공통모드 잡음 문제를 해결하기 위해 온칩 레귤레이터(On-chip Regulator) 회로를 추가로 삽입하는 것이 일반적이다. 온칩 레귤레이터는 공통모드 잡음 중 가장 큰 비중을 차지하는 전원 전압 잡음을 최소화하려는 시도이다. 하지만, 온칩 레귤레이터를 사용함에도 불구하고 공통 모드 잡음특성은 차동모드보다 현저히 낮은 성능을 갖는다.

그러나 차동모드 증폭기의 경우 큰 전력소모 및 오프셋에러 발생과 같은 문제가 있으며, 싱글모드 증폭기의 경우 큰 공통모드 잡음과 오프셋에러가 발생하는 문제가 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 온칩 레귤레이터를 탑재한 싱글모드 광 수신 장치에 잡음 취소 블록(Noise Cancelling Block, NCB) 및 피드 포워드(Feedforward) 자동 경계점 제어기(Auto Threshold Control, ATC)를 추가하여 공통모드 잡음과 오프셋 에러를 최소화하는 광 수신 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 하나의 특징에 따르면, 광 수신 장치는 기준 전압을 출력하는 자동 경계점 제어기, 외부 전압으로부터 상기 외부 전압보다 더 낮은 온칩 전압을 생성하는 온칩 레귤레이터, 싱글모드로 동작하고, 광 검출기로부터 전류 신호를 입력받고, 상기 온칩 레귤레이터로부터 상기 온칩 전압을 입력받아 상기 전류 신호를 전압 신호로 변환 및 증폭하여 전원 전압 잡음이 최소화된 상기 전압 신호를 출력하는 전치 증폭부, 그리고 상기 자동 경계점 제어기가 출력하는 기준 전압 및 상기 전치 증폭기가 출력하는 공통 모드 전압을 입력받아 상기 온칩 전압과 합산하여 상기 전치 증폭부로 출력하는 잡음 취소 블록을 포함한다.

차동 모드로 동작하고, 상기 전치 증폭부의 후단에 배치되는 후치 증폭부를 더 포함하고,

상기 자동 경계점 제어기는,

상기 기준 전압을 정규화하여 상기 후치 증폭기의 레퍼런스 전압으로 출력하는 피드 포워드 구조를 포함할 수 있다.

상기 후치 증폭부, 그리고 상기 전치 증폭부와 상기 후치 증폭부를 연결하고, 상기 자동경계점 제어기가 포함되는 싱글-차동 변환부를 더 포함할 수 있다.

상기 후치 증폭부의 오프셋 에러를 제거하는 저역 통과 필터를 더 포함할 수 있다.

상기 후치 증폭부는,

3단의 고속 증폭기 또는 4단의 고속 증폭기를 포함할 수 있다.

출력단의 전송선 또는 입력 커패시턴스를 구동하는 구동부를 더 포함할 수 있다.

상기 저역 통과 필터의 전달 함수에 역이 되는 고역 통과 필터를 포함하는 등화기를 더 포함할 수 있다.

밴드캡 레퍼런스 및 피티에이티 회로를 포함하고, 바이어스 전류 및 기준 전압을 제공하는 주변 기기부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 전력 소모가 작고 집적도가 높은 싱글모드 증폭기와 온칩 레귤레이터를 채용하고, 잡음 특성 개선을 위한 잡음 취소 블록 및 오프셋 에러 개선을 위한 피드포워드 자동 경계점 제어 블록을 고안하여 전력소모의 증가없이 광 수신 장치의 잡음특성을 개선할 수 있으며, 오프셋 에러도 크게 감소시킬 수 있다. 또한, 이러한 구성을 통해 저가형 실리콘 기반 광검출소자를 사용하더라도 성능 저하 없이 광 전송 시스템을 구현하는 것이 가능하며, 최근 이슈가 되고 있는 초저전력형 광 송수신 시스템의 구현이 가능하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광 수신 장치를 나타낸다.
도 2는 종래의 전치 증폭부 및 본 발명의 실시예에 따른 전치 증폭부의 구성을 비교하기 위한 도면이다.
도 3(a)는 종래의 ATC 구성을 나타내고, 도 3(b)는 본 발명의 실시예에 따른 ATC의 구성을 나타낸다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하, 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예에 따른 광 수신 장치에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광 수신 장치를 나타낸다.

도 1을 참조하면, 광 수신 장치는 광 검출기(Photo Detector, PD)(100)로부터 입력되는 미세한 전류 신호를 전압 신호로 변환하고 증폭하는 전치 증폭부(Pre Amplifier, PrA)(200)를 포함한다.

전치 증폭부(PrA)(200)는 캐스캐이드(cascade) 시스템인 광 수신 장치의 맨 앞단에 위치하며, 전체 잡음 성능을 결정하는 매우 중요한 블록이다.

레귤레이터(300)가 출력하는 출력 전압은 잡음 취소 블록(Noise Cancelling Block, NCB)(400)이 출력하는 출력 전압과 연동하여 전치 증폭부(200)로 입력된다.

이때, 레귤레이터(300)는 외부 전압(VDD)으로부터 외부 전압(VDD)보다 더 낮은 온칩 전압(VDDreg)을 발생하기 위하여 설계된 온칩 레귤레이터이다. 이때, 단순히 낮은 전압일 뿐만 아니라 레귤레이션(regulation)된 품질이 향상된 온칩 전압을 발생시킨다.

여기서, 잡음 취소 블록(400)은 증폭기(401) 및 덧셈 연산기(403)를 포함한다. 증폭기(401)는 피드-포워드 자동 경계점 제어기(Feed-forward Automatic Threshold Control, ATC)(501)로부터 기준 전압을 입력받고, 전치 증폭부(200)가 출력하는 공통모드 전압을 입력받는다. 이처럼, 증폭기(401)는 전치 증폭부(200)가 출력하는 공통모드 전압을 피드백한다.

덧셈 연산기(403)는 레귤레이터(300)가 출력하는 출력 전압 및 증폭기(401)가 출력하는 전압을 덧셈 연산하여 전치 증폭부(PrA)(200)로 입력한다. 덧셈 연산기(403)는 레귤레이터(300)가 출력하는 출력 전압에서 공통모드 전압의 잡음이 제거되도록 한다. 따라서, 공통모드 전압의 잡음이 제거된 레귤레이터(300)가 출력하는 출력 전압이 전치 증폭부(200)로 입력된다.

이처럼, 싱글 모드로 동작하는 전치 증폭부(200)는 전원 전압 잡음에 매우 취약하므로 레귤레이터(300)를 사용하여 전원 전압 잡음을 최소화한다. 그리고 잡음 취소 블록(400)은 피드-포워드 ATC(501)로부터 기준 전압을 입력받아 전치 증폭부(200)가 출력하는 공통모드 전압과 연동하여 전치 증폭부(200)에 피드백함으로써 공통모드 잡음이 제거되는 방향으로 레귤레이터(300)의 출력 전압을 제어함으로써 잡음 특성을 개선한다.

한편, 싱글-차동 변환부(500)는 피드-포워드 ATC(501)를 포함하며, 싱글 모드로 동작하는 전치 증폭부(200)와 차동 모드로 동작하는 후치 증폭부(Post Amplifier, PoA)(600)를 연결한다. 이 과정에서 발생하는 오프셋 에러 또한 전체 잡음 성능에 큰 영향을 미치는데, 기존의 피드백 방식의 ATC가 아닌 피드포워드 방식의 ATC를 사용하여 오프셋 에러를 최소화시킬 수 있다. 기존의 피드백 방식은 오프셋 에러를 최소화할 수 있도록 차동 노드(즉 차동 모드로 동작하는 노드)의 신호를 저역통과필터(Low-Pass Filter)를 통과시켜 크로스(Cross)로 피드백하는 방식을 통해 오프셋 에러를 제거하는 방식이다. 반면, 본 발명의 실시예에 따른 피드포워드 방식은 차동 노드 즉 차동 모드로 동작하는 후치 증폭부(600)에서의 스윙을 감지하여 그 중간값을 실시간으로 선택함으로써 오프셋 에러를 제거하는 방식이다.

피드-포워드 ATC(501)는 전치 증폭기(200)가 출력하는 신호를 후치 증폭기(600)에 인가하는 과정에서 신호의 왜곡 및 지터(jiter) 및 신호 유실이 발생할 수 있으므로, 이를 방지하기 위한 기준 레벨을 자동으로 발생시킨다. 즉, 입력 신호의 최대값과 최소값을 감지하여 그 중간값인 DC값을 출력한다.

증폭기(503)는 피드-포워드 ATC(501)가 출력하는 값(DC값)과 입력 신호의 차이를 증폭하여 후치 증폭부(600)에게 전달한다.

한편, 후치 증폭부(Post Amplifier, PoA)(600)는 증폭기(503)의 출력값을 증폭한다. 이 때, 입력값에 관계없이 항상 일정한 출력진폭을 갖도록 한다.

후치 증폭부(600)는 충분한 출력 전압을 위해 큰 전압 이득 특성을 보여야 한다. 후치 증폭부(600)는 3~4단의 고속 증폭기로 구성될 수 있다. 그리고 후치 증폭부(600)는 저역 통과 필터(Low-Pass Filter, LPF)(700)와 연결된다. 저역 통과 필터(700)는 높은 전압이득 즉 후치 증폭부(600)으로 인해 생길 수 있는 오프셋 에러를 최소화시킨다. 즉, 각 차동 노드 즉 후치 증폭부(600)의 DC값을 저역통과필터(700)를 통해 감지할 수 있고, 이를 크로스로 피드백함으로써 오프셋에러를 제거한다.

구동부(800)는 등화기(801) 및 구동기(803)를 포함한다.

등화기(801)는 광 수신 장치의 동작 속도에 따라 추가되거나 또는 제거될 수 있는 구성 요소이다. 등화기(801)는 광 수신 장치가 갖고 있는 저역통과필터 형태의 전달함수에 역이 되는 고역통과필터의 형태를 갖는다.

구동기(803)는 출력단의 전송선 또는 다음 블록인 클록-데이터 복원기(미도시)의 입력 커패시턴스를 구동할 수 있도록 큰 전류를 소모한다. 여기서, 일반적으로 광수신기 뒤에는 클록-데이터 복원기(미도시)가 쓰이나, 본 발명의 실시예와 무관하여 설명은 생략한다.

또한, 레귤레이터(300)에서 출력되는 품질좋은 레퍼런스 전압을 전원 전압으로 사용함으로써 각 블록(200~800)의 잡음 특성이 개선될 수 있다.

주변 기기부(900)는 밴드갭 레퍼런스(Bandgap Reference, BGR)(901) 및 피티에이티(Proportional To Absolute Temperature, PTAT) 회로(903)로 구성된다. 이러한 주변 기기부(900)는 레귤레이터(300) 및 광 수신 장치의 모든 블록들의 바이어스 전류 및 기준 전압을 제공한다.

도 2는 종래의 전치 증폭부 및 본 발명의 실시예에 따른 전치 증폭부의 구성을 비교하기 위한 도면이다.

먼저, 도 2의 (a)를 참조하면, 종래의 전치 증폭부는 레귤레이터의 출력 전압을 그대로 전원 전압으로 사용하는 형태이다.

반면, 도 2의 (b)를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전치 증폭부(200)는 잡음 제거 블록(400)가 레귤레이터(300)의 출력, 전치 증폭부(200)의 출력, ATC(501)의 출력을 입력으로 받아 공통모드 잡음을 제거한 피드백된 출력을 전원 전압으로 사용한다.

도 3(a)는 종래의 ATC 구성을 나타내고, 도 3(b)는 본 발명의 실시예에 따른 ATC의 구성을 나타낸다.

먼저, 도 3(a)를 참조하면, 종래의 ATC는 피드백 구조이다. 즉, 종래의 ATC는 증폭기 출력단의 신호를 입력받아 그 신호들을 디퍼렌셜-투-싱글(Differential-to-Single)로 변환하고 저역통과필터를 통과시킴으로써 자동으로 쓰레스홀드(Threshold)값을 찾는다.

반면, 도 3(b)를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 ATC는 피드-포워드 구조이다. 즉, ATC(501)는 입력 신호의 DC값을 구하고, 이를 정규화하여 다음단에 오는 차동 증폭기(600)의 레퍼런스 전압으로 활용함으로써 오프셋 에러를 최소화하도록 구성되어 있다.

이처럼, 피드백 구조의 ATC는 오프셋 에러를 최소화하기 위해 매우 낮은 컷오프주파수를 갖는 저역통과필터(LPF)를 필요로 한다. 즉, R3와 CFB(cipher feedback)가 매우 큰 값을 가져야 한다. 그러나 본 발명의 실시예에 따른 피드포워드 ATC에서는 저역통과필터의 컷오프주파수가 높더라도, 외부에서 자동 또는 수동으로 제어할 수 있는 별도의 오프셋 취소기(Offset Canceller)를 구성하여 오프셋 에러를 최소화할 수 있으며, 2단의 LPF를 구성하여 수동소자의 값들을 집적회로 내부에 구현가능한 수치들로 맞출 수 있다.

전술한 바에 따르면, 본 발명의 실시예에 따른 광 수신 장치는 온칩 레귤레이터를 탑재한 싱글 모드 광 수신회로에 잡음취소블록(Noise Cancelling Block, NCB) 및 피드포워드(Feedforward) 자동경계점제어블록(Auto Threshold Control, ATC)을 추가하여 공통모드 잡음과 오프셋 에러를 최소화함으로써, 잡음 특성을 개선할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (8)

1. 기준 전압을 출력하는 자동 경계점 제어기,
   외부 전압으로부터 상기 외부 전압보다 더 낮은 온칩 전압을 생성하는 온칩 레귤레이터,
   싱글모드로 동작하고, 광 검출기로부터 전류 신호를 입력받고, 상기 온칩 레귤레이터로부터 상기 온칩 전압을 입력받아 상기 전류 신호를 전압 신호로 변환 및 증폭하여 전원 전압 잡음이 최소화된 상기 전압 신호를 출력하는 전치 증폭부,
   상기 자동 경계점 제어기가 출력하는 기준 전압 및 상기 전치 증폭기가 출력하는 공통 모드 전압을 입력받아 상기 온칩 전압과 합산하여 상기 전치 증폭부로 출력하는 잡음 취소 블록, 그리고
   상기 온칩 레귤레이터, 상기 자동 경계점 제어기, 상기 전치 증폭부 및 상기 잡음 취소 블록으로 바이어스 전류 및 기준 전압을 제공하는 밴드캡 레퍼런스 및 피티에이티 회로를 포함하는 주변 기기부
   를 포함하는 광 수신 장치.
2. 제1항에 있어서,
   차동 모드로 동작하고, 상기 전치 증폭부의 후단에 배치되는 후치 증폭부를 더 포함하고,
   상기 자동 경계점 제어기는,
   상기 기준 전압을 정규화하여 상기 후치 증폭기의 레퍼런스 전압으로 출력하는 피드 포워드 구조를 포함하는 광 수신 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 후치 증폭부, 그리고
   상기 전치 증폭부와 상기 후치 증폭부를 연결하고, 상기 자동경계점 제어기가 포함되는 싱글-차동 변환부
   를 더 포함하는 광 수신 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 후치 증폭부의 오프셋 에러를 제거하는 저역 통과 필터를 더 포함하는 광 수신 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 후치 증폭부는,
   3단의 고속 증폭기 또는 4단의 고속 증폭기를 포함하는 광 수신 장치.
6. 제4항에 있어서,
   출력단의 전송선 또는 입력 커패시턴스를 구동하는 구동부
   를 더 포함하는 광 수신 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 저역 통과 필터의 전달 함수에 역이 되는 고역 통과 필터를 포함하는 등화기
   를 더 포함하는 광 수신 장치.
8. 삭제

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