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CMOS Multichannel Single-Chip Receivers for Multi-Gigabit Optical Data CommunicationsSeries: Analog Circuits and Signal Processing
Muller, Paul, Leblebici, Yusuf

2007, XX, 192 p., Hardcover
ISBN: 978-1-4020-5911-7

About this book
While the throughput of microprocessor systems tends to increase as a result of ongoing technology scaling and the advent of multi-core systems, the off-chip I/O communication bandwidth emerges as one of the potential bottlenecks that limit overall performance. In order to alleviate the communication speed constraints, optical data communication interfaces move ever closer to the processor core. It is widely expected that future generation digital systems will increasingly rely on chip-to-chip and board-to-board optical data communications for higher bandwidth and better noise immunity.
This book focuses on optical communications for short and very short distance applications and discusses the monolithic integration of optical receivers with processing elements in standard CMOS technologies. CMOS Multi-Channel Single-Chip Receivers for Multi-Gigabit Optical Data Communications provides the reader with the necessary background knowledge to fully understand the trade-offs in short-distance communication receiver design and presents the key issues to be addressed in the development of such receivers in CMOS technologies. Moreover, novel design approaches are presented. A system-level design methodology allows for the impact analysis of different block specifications and system-wide design optimization. Statistical models are used for design space exploration in the scope of jitter tolerance analysis of clock recovery circuits.
CMOS Multi-Channel Single-Chip Receivers for Multi-Gigabit Optical Data Communications is required reading for practicing engineers and researchers in the field of short-distance optical communications and optical CMOS receiver design.

Written for:
Researchers and circuit designers in the field of CMOS optical communications, Electrical and Electronics Engineering Graduate students

Keywords:

• clock and data recovery circuits
• multi-channel serial links
• optical communications
• short-distance fiber-optic receivers

Table of Contents

CHAPTER 1
CHAPTER 2 Integrated Photonic Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1 Long-Haul Communication Links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
2.2 Metropolitan-Area Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
2.3 Local Area Networks and Short-Distance Interconnects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
2.4 Optical Backplane Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
2.5
CHAPTER 3 Basic Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.1 Modulation of Optical and Electrical Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2 NRZ Random Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.3 Clock Recovery Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.4 Bit Error Ratio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.5 System Bandwidth and Inter-Symbol Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.6 Amplitude Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.7 Jitter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
ix
About the Authors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .v
Foreword . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii
Table of Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Constants, Symbols and Acronyms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
Optical on-chip Interconnects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.7.1 Jitter Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.7.2 Jitter Specifications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.7.3 Regenerators and Retiming Repeaters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.8
3.9 Definition of Transistor-Level Conventions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.9.1 Large-Signal Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.9.2 Small-Signal Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
CHAPTER 4
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.5.1
4.5.2
4.5.3
4.6
4.7
4.7.1
4.7.2
4.7.3
4.8
CHAPTER 5
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.6.1
5.6.2
5.6.3
5.7
5.8
5.9
CHAPTER 6
6.1
6.2
6.2.1
6.2.2
6.2.3
Multichannel Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
x
CMOS Multichannel Single-Chip Receivers for Multi-Gigabit Optical Data Communications
System-Level Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
System-Level Requirements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Receiver System Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Subblock Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Transimpedance Amplifier Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Transfer Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Noise Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Specification of Design Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
System Gain and Bandwidth Specifications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Bit Error Ratio Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Vertical Eye Closure Contribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Horizontal Eye Closure Contribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Combined Horizontal–Vertical Eye Closure Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Block Specification Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Silicon Photodetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Photodetection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
PIN Photodiodes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Avalanche Photodiodes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Differential N-Well Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Equalized PIN Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Resonant Cavity-Enhanced Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
The Resonant Cavity Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Distributed Bragg Reflectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Detector Fabrication. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Metal–Semiconductor–Metal Photodetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Lateral Photodetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Photodetector Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Transimpedance Amplifier Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Principles of I-V Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Transimpedance Amplifier Topologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Common-Gate Input Stage Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Source Follower Output Stages. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Voltage Amplifier Based TIAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.2.4
6.3
6.4
6.4.1
6.4.2
6.4.3
6.4.4
6.4.5
6.5
6.5.1
6.6
6.6.1
6.6.2
CHAPTER 7
7.1
7.2
7.2.1
7.2.2
7.2.3
7.2.4
7.3
7.3.1
7.3.2
7.3.3
7.3.4
7.3.5
7.3.6
7.3.7
7.3.8
7.4
7.5
7.5.1
7.5.2
7.5.3
7.6
7.6.1
7.6.2
7.6.3
7.6.4
7.7
7.7.1
7.7.2
7.7.3
7.8
7.9
7.9.1
7.9.2
7.9.3
xi
Table of Contents
Topology Discussion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80
Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Transimpedance Amplifier Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Description of the TIA Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82
Design Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83
DC Compensation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85
Complete Block Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .87
Input Noise Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89
Block Layout. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Channel Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91
Circuit Measurement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Frequency-Domain Measurements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92
Time-Domain Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93
Limiting Amplifier Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Principles of Signal Limiting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Simple Limiting Amplifier Topologies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
Cascade of Gain Stages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97
Optimization Theory. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Group Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Basic Gain Stage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Bandwidth Enhancement in Limiting Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100
Inductive Peaking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Active Inductors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Capacitive Degeneration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
Negative Miller Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Interstage Scaling Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Topology Discussion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Inductorless Limiting Amplifier Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .108
Interstage Scaling Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
Discussion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
Design of an Inductive Peaking Limiting Amplifier. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112
The Inductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
Magnetic Coupling Coefficient. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Design of the Amplifier Core . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Discussion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
Complete Limiting Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .117
Offset Compensation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Complete Block Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Limiting Amplifier Noise Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Block Layout. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120
Circuit Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121
Measurement Setup for Time-Domain Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Eye Diagram Measurements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Magnetic Coupling Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
The Cherry–Hooper Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Active Feedback Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .108
Transistor Dimensioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
7.9.4
7.10
CHAPTER 8
8.1
8.1.1
8.1.2
8.1.3
8.2
8.2.1
8.2.2
8.2.3
8.2.4
8.2.5
8.2.6
8.3
8.4
8.5
8.5.1
8.5.2
8.5.3
8.6
8.6.1
8.6.2
8.6.3
8.6.4
8.6.5
8.7
8.7.1
8.7.2
8.7.3
8.8
8.8.1
8.8.2
8.8.3
8.9
8.9.1
8.9.2
8.10
CHAPTER 9
xii
CMOS Multichannel Single-Chip Receivers for Multi-Gigabit Optical Data Communications
Measurement Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125
Discussion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
Clock and Data Recovery Circuit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Clock Recovery Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
Binary Phase Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133
CDR Topologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
PLL-Based Topologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .136
DLL-Based Topologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137
Oversampling Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .138
Phase Interpolation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139
Gated Oscillator Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142
Topology Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
The Gated Oscillator Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
The Clock Recovery Core . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145
CDR Top-Down Design Methodology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .149
Statistical Modeling of the Gated Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
Jitter Statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .151
Random Jitter Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152
Deterministic Jitter Components. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153
Sinusoidal Jitter Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .154
Bathtub Curves and BER Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .158
Time-Domain Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
CDR Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .161
Input Data Source with Extended Jitter Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163
Duration of Edge Detection Pulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169
Transistor-Level Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
Current-Mode Logic Cells. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .170
Low-Power CDR Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .172
Scaling Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .174
CDR Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
Eye Diagram Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .176
Bit Error Ratio Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .177
Discussion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
NRZ Data Phase Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130
Linear Phase Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131
Injection Locking. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .141
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

CMOS Multichannel Single-Chip Receivers for Multi-Gigabit Optical Data Communications.part1
共2个部分

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CMOS Multichannel Single-Chip Receivers for Multi-Gigabit Optical Data Communications.part2
共2个部分

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