High gain and bandwidth current-mode amplifiers : study and implementation

Abstract

Esta tese aborda o problema do projecto de amplificadores com grandes produtos de ganho por largura de banda. A aplicação final considerada consistiu no projecto de amplificadores adequados à recepção de sinais ópticos em sistemas de transmissão ópticos usando o espaço livre. Neste tipo de sistemas as maiores limitações de ganho e largura de banda surgem nos circuitos de entrada. O uso de detectores ópticos com grande área fotosensível é uma necessidade comum neste tipo de sistemas. Estes detectores apresentam grandes capacidades intrínsecas, o que em conjunto com a impedância de entrada apresentada pelo amplificador estabelece sérias restrições no produto do ganho pela largura de banda. As técnicas mais tradicionais para combater este problema recorrem ao uso de amplificadores com retroacção baseados em configurações de transimpedância. Estes amplificadores apresentam baixas impedâncias de entrada devido à acção da retroacção. Contudo, os amplificadores de transimpedância também apresentam uma relação directa entre o ganho e a impedância de entrada. Logo, diminuir a impedância de entrada implica diminuir o ganho. Esta tese propõe duas técnicas novas para combater os problemas referidos. A primeira técnica tem por base uma propriedade fundamental dos amplificadores com retroacção. Em geral, todos os circuitos electrónicos têm tempos de atraso associados, os amplificadores com retroacção não são uma excepção a esta regra. Os tempos de atraso são em geral reconhecidos como elementos instabilizadores neste tipos da amplificadores. Contudo, se usados judiciosamente, este tempos de atraso podem ser explorados como uma forma da aumentar a largura de banda em amplificadores com retroacção. Com base nestas ideias, esta tese apresenta o conceito geral de reatroacção com atraso, como um método de optimização de largura de banda em amplificadores com retroacção. O segundo método baseia-se na destruição da dualidade entre ganho e impedância de entrada existente nos amplificadores de transimpedância. O conceito de adaptação activa em modo de corrente é neste sentido uma forma adequada para separar o detector óptico da entrada do amplificador. De acordo com este conceito, emprega-se um elemento de adaptação em modo de corrente para isolar o detector óptico da entrada do amplificador. Desta forma as tradicionais limitações de ganho e largura de banda podem ser tratadas em separado. Esta tese defende o uso destas técnicas no desenho de amplificadores de transimpedância para sistemas de recepção de sinais ópticos em espaço livre.

This thesis addresses the problem of achieving high gain-bandwidth products in amplifiers. The adopted framework consisted on the design of a free-space optical (FSO) front end amplifier able to amplify very small optical signals over large frequency bandwidths. The major gain-bandwidth limitations in FSO front end amplifiers arise due to the input circuitry. Usually, it is necessary to have large area optical detectors in order to maximize signal reception. These detectors have large intrinsic capacitances, which together with the amplifier input impedance poses a severe restriction on the gain-bandwidth product. Traditional techniques to combat this gain-bandwidth limitation resort to feedback amplifiers consisting on transimpedance configurations. These amplifiers have small input impedances due to the feedback action. Nevertheless, transimpedance amplifiers have a direct relation between gain and input impedance. Thus reducing the input impedance usually implies reducing the gain. This thesis advances two new methods suitable to combat the above mentioned problems. The first method is based on a fundamental property of feedback amplifiers. In general, all electronic circuits have associated time delays, and feedback amplifiers are not an exception to this rule. Time delays in feedback amplifiers have been recognized as destabilizing elements. Nevertheless, when used with appropriate care, these delays can be exploited as bandwidth enhancement elements. Based on these ideas, this thesis presents the general concept of delayed feedback, as a bandwidth optimization method suitable for feedback amplifiers. The second method is based on the idea of destroying the impedance-gain duality in transimpedance amplifiers. The concept of active current matching is in this sense a suitable method to detach the optical detector from the transimpedance amplifier input. According to this concept, a current matching device (CMD) is used to convey the signal current sensed by the optical detector, to the amplifier’s input. Using this concept the traditional gainbandwidth limitations can be treated in a separate fashion. This thesis advocates the usage of these techniques for the design of transimpedance amplifiers suited for FSO receiving systems.