عنوان

آنالیز و طراحی تقویت کننده امپدانس انتقالی باند وسیع برای ارتباطات فیبر نوری

Number

پ۲۵۸۸۰

.Language of Text, Soundtrack etc

per

Title Proper

آنالیز و طراحی تقویت کننده امپدانس انتقالی باند وسیع برای ارتباطات فیبر نوری

First Statement of Responsibility

المیرا سمسار پراپری

Name of Publisher, Distributor, etc.

مهندسی برق و کامپیوتر

Date of Publication, Distribution, etc.

۱۴۰۰

Specific Material Designation and Extent of Item

۱۵۸ص.

Accompanying Material

سی دی

Dissertation or thesis details and type of degree

دکتری

Discipline of degree

برق-الکترونیک-گرایش طراحی مدارات مجتمع آنالوگ

Date of degree

۱۴۰۰/۰۶/۲۹

Text of Note

امروزه ظهور کامپیوترهای شخصی ارزانتر و قدرتمندتر و افزایش تقاضا برای برقراری ارتباط از طریق اینترنت، نه تنها تعداد کاربر را افزایش داده است بلکه باعث افزایش تقاضا برای ظرفیت بالاتر انتقال داده با نرخ بالا شده است. بنابراین محققان در تلاشند سیستم¬هایی را طراحی کنند که بتوانند داده¬های حجیم با سرعت بالا را انتقال دهند. در حال حاضر بهترین، سریع¬ترین و اقتصادی¬ترین سیستم ارتباطی برای این منظور، سیستم ارتباطات فیبر نوری می¬باشد. در ارتباطات فیبر نوری، اطلاعات با ارسال امواج نوری بصورت پالس¬های مادون قرمز در محیط فیبر نوری از یک مکان به مکان دیگر منتقل می¬شوند. امواج نوری که متشکل از امواج حامل الکترومغناطیسی است برای حمل اطلاعات مدوله می¬شوند. این نوع ارتباطات نسبت به تکنولوژی¬های مرسوم دارای سرعت بیشتر و مصرف انرژی کمتر، هزینه پایین¬تر و امنیت بیشتر می‌باشد. این نوع ارتباطات می¬تواند صدا، ویدئو و یا هر نوع داده دیگری را از طریق شبکه¬های محلی و شبکه های کامپیوتری در مسافت¬های طولانی، انتقال دهند. در این سیستم¬ها، ابتدا یک سیگنال الکتریکی با استفاده دیود لیزری در فرستنده به سیگنال نوری تبدیل شده و سپس این سیگنال نوری از طریق فیبر نوری انتقال می¬یابد. موج تابشی که از طریق فیبر منتقل می¬شود معمولاً قبل از رسیدن به گیرنده، تضعیف می¬شود.در گیرنده¬ها¬ی¬ نوری، داده¬های نوری توسط فتودیود دریافت و به سیگنال الکتریکی تبدیل می¬شوند. فتودیود می¬تواند به¬وسیله¬ی یک منبع جریان موازی با خازن پیوندی مدل¬سازی شود. این خازن پیوندی که در ورودی بلوک بعدی قرار می¬گیرد، دارای مقدار بسیار بزرگی است. کیفیت و توان سیگنال جریان الکتریکی تولیدی از فتودیود با میزان پاسخ¬دهی آن رابطه¬ی مستقیم دارد. با افزایش میزان پاسخ¬دهی فتودیود، خازن پیوندی آن افزایش می¬یابد. گیرنده¬های نوری نقش مهمی در تعیین عملکرد کلی این سیستم¬ها مخصوصاً تعیین سرعت آن ایفا می¬کنند. در این گیرنده¬ها، برای دستیابی به نرخ داده¬ی بالا باید تمام تقویت¬کننده¬های موجود در مسیر سیگنال، باند¬وسیع بوده و همچنین دارای حداقل تغییرات بهره در باندگذر باشند. بعد از فتودیود، تقویت¬کننده¬ای لازم می¬باشد که سیگنال را با نرخ خطای بیت قابل قبول تشخیص داده و تقویت کند که این کار توسط بلوک تقویت¬کننده امپدانس انتقالی انجام می¬شود. اولین بلوک آنالوگ بعد از فتودیود، تقویت¬کننده امپدانس انتقالی است که خازن فتودیود در ورودی آن قرار می¬گیرد. پهنای باند این تقویت¬کننده به وسیله ثابت زمانی گره ورودی آن تعیین می¬شود و برای افزایش پهنای¬باند، باید با استفاده از تکنیک¬هایی این ثابت زمانی را کاهش داد. پهنای باند گیرنده نیز توسط پهنای باند این تقویت¬کننده تعیین می¬شود. بنابراین تقویت¬کننده امپدانس انتقالی و طراحی آن تعیین¬کننده¬ترین عامل در پهنای¬باند و سرعت این نوع گیرنده¬ها می¬باشد.از آنجا که سرعت انتقال داده در گیرنده نوری بالا است، برای جلوگیری از وقوع تداخل بین سمبل¬ها باید تقویت¬کننده امپدانس انتقالی از پهنای¬باند بالایی برخوردار باشد. همچنین با توجه به جریان ورودی کوچک، برای دستیابی به نسبت سیگنال به نویز بالا و تأمین حساسیت ورودی بالا برای دریافت سیگنال¬های نوری تضعیف شده توسط فرستنده و یا فاصله طولانی انتقال، باید نویز تقویت¬کننده امپدانس انتقالی به کمترین مقدار، کاهش یابد. از طرف دیگر، این تقویت-کننده برای جلوگیری از خطاهای بیت ناشی از اعوجاج در حضور سیگنال¬های نوری قوی، باید بتواند اضافه بار بالا را تحمل کند. علاوه بر این، برای اطمینان از عملکرد پایدار و پهنای باند مورد ¬نیاز، می¬توان بهره تقویت¬کننده امپدانس انتقالی را فقط در یک محدوده¬ی باریک بهینه کرد. این محدودیت گاهی باعث می¬شود ولتاژ خروجی ناشی از سیگنال های نوری با توان پایین، برای پردازش، کافی نباشد. بنابراین از یک تقویت¬کننده بعدی برای تقویت ولتاژهای خروجی کوچک استفاده می¬شود.در تقویت¬کننده امپدانس انتقالی که یک تقویت¬کننده جریان به ولتاژ می¬باشد، درجه شایستگی به صورت حاصلضرب امپدانس انتقالی در پهنای¬باند تعریف می¬شود. بنابراین، تقویت¬کننده امپدانس انتقالی باید یک تقویت کننده با باند وسیع، بهره¬ی بالا، نویز پایین، توان مصرفی کم و ولتاژ تغذیه پایین باشد. در نتیجه، طراحی تقویت¬کننده امپدانس انتقالی یک چالش بزرگی برای طراحان مدار آنالوگ می¬باشد.در این پژوهش، هدف آنالیز تکنیک¬های مختلف افزایش پهنای¬باند در طراحی بلوک تقویت¬کننده امپدانس انتقالی برای کاربردهای ارتباطات فیبر نوری و سپس ارائه¬ی تکنیک جدیدی برای افزایش پهنای¬باند تقویت¬کننده امپدانس انتقالی(TIA) می¬باشد.لذا در راستای نیل به این هدف، ابتدا ساختارهای معمول برای TIA مورد بررسی قرار گرفت و سپس عوامل مؤثر بر پهنای¬باند TIA آنالیز و بررسی شدند. بعد از آن تکنیک¬های بهبود پهنای¬باند TIA مورد مطالعه قرار گرفتند. این تکنیک¬ها به دو دسته مبتنی بر سلف و بدون سلف تقسیم می¬شوند. با مطالعه این تکنیک¬ها و همچنین مطالعه تعدادی از کارهای انجام شده، تکنیک¬های بدون سلف برای بررسی بیشتر انتخاب شدند. سپس چگونگی ترکیب تکنیک¬های مختلف بررسی شدند. در نهایت روش¬های جدید برای بهبود پهنای¬باند پیشنهاد شده است. سپس با کمک تکنیک¬های پیشنهادی، سعی شده است تقویت¬کننده امپدانس انتقالی با پهنای¬باند حتی الامکان بزرگ و همچنین با بهره¬ی بالا، نویز پایین و توان مصرفی کم طراحی و شبیه¬سازی شود. سرانجام با آنالیز نتایج بدست آمده و مقایسه آنها با نتایج کارهای قبلی، کارایی تکنیک¬های پیشنهادی بررسی شده است

Text of Note

Abstract: Today, the advent of cheaper and more powerful personal computers and the increasing demand for Internet communication have not only increased the number of users but also increased the demand for higher data transfer capacity at high rates. Researchers are therefore trying to design systems that can transmit large amounts of data at high speeds. Currently, the best, fastest and most economical communication system for this purpose is fiber optic communication system. In fiber optic communications, information is transmitted from one location to another by sending light waves in the form of infrared pulses in a fiber optic environment. Optical waves, which consist of electromagnetic carrier waves, are modulated to carry information. This method is much faster and has lower energy consumption, more security and less cost than conventional technologies. This type of communication can transmit audio, video or any other type of data over local area networks and computer networks over long distances. In these systems, an electrical signal is first converted to an optical signal using a laser diode in the transmitter, and then this optical signal is transmitted via optical fiber. The wave of radiation transmitted through the fiber is usually attenuated before it reaches the receiver.In optical receivers, optical data is received by a photodiode and converted into an electrical signal. The photodiode can be modeled by a current source parallel to the coupling capacitor. This capacitor, which is located at the input of the next block, has a very large value. The quality and power of the electric current signal generated by the photodiode is directly related to its response rate. As the photodiode responds, the capacitance of the photodiode increases. Optical receivers play an important role in determining the overall performance of these systems, especially in determining their speed. In these receivers, in order to achieve high data rates, all amplifiers in the signal path must be broadband and also have minimal gain changes in the bandwidth. After the photodiode, amplifiers are needed to detect and amplify the signal at an acceptable bit error rate, which is done by the transmit impedance amplifier block. The first analog block after the photodiode is the transient impedance amplifier at which the photodiode capacitor is placed. The bandwidth of this amplifier is determined by the time constant of its input node, and to increase the bandwidth, this time constant must be reduced using techniques. The bandwidth of the receiver is also determined by the bandwidth of this amplifier. Therefore, the transmission impedance amplifier and its design is the most determining factor in the bandwidth and speed of these types of receivers.Because the data transfer speed of the optical receiver is high, the transmission impedance amplifier must have a high bandwidth to prevent interference between the symbols. Also, due to the small input current, in order to achieve a high signal-to-noise ratio and to provide high input sensitivity to receive optical signals attenuated by the transmitter or long transmission distance, the transmit impedance amplifier noise must be reduced to a minimum. . On the other hand, this amplifier must be able to withstand high overload to prevent bit errors due to distortion in the presence of strong optical signals. In addition, to ensure stable performance and the required bandwidth, you can useThe amplifier optimized the transmission impedance only in a narrow range. This limitation sometimes causes the output voltage from low power optical signals to be insufficient for processing. Therefore, a subsequent amplifier is used to amplify small output voltages.In a transient impedance amplifier, which is a current-to-voltage amplifier, the degree of competence is defined as the product of the transient impedance multiplied by the bandwidth. Therefore, the transmission impedance amplifier should be a broadband amplifier, high gain, low noise, low power consumption and low supply voltage. As a result, the design of transient impedance amplifiers is a major challenge for analog circuit designers.In this study, the purpose of analyzing different bandwidth enhancement techniques in the design of transmission impedance amplifier blocks for fiber optic communication applications and then to present a new technique to increase the bandwidth of transmission impedance amplifier (TIA) Therefore, in order to achieve this goal, first the usual structures for TIA were examined and then the factors affecting TIA bandwidth were analyzed and investigated. TIA bandwidth improvement techniques were then studied. These techniques are divided into two categories based on inductor and without inductor. By studying these techniques as well as studying a number of works performed, inductor-free techniques were selected for further study. Then, the combination of different techniques was examined. Finally, new methods have been proposed to improve bandwidth. Then, with the help of the proposed techniques, an attempt has been made to design and simulate a transmission impedance amplifier with as large a bandwidth as possible, as well as with high gain, low noise and low power consumption. Finally, by analyzing the obtained results and comparing them with the results of previous works, the efficiency of the proposed techniques has been investigated

Variant Title

Analysis and Design of the wideband Transimpedance Amplifier for Fiber Optic Communication

Entry Element

‏سمسار پراپری،

Part of Name Other than Entry Element

‏‏المیرا

Relator Code

تهيه کننده

Entry Element

‏ دائی کوزه کنانی،

Entry Element

‏طوفان،

Part of Name Other than Entry Element

‏‏ضیاءالدین

Part of Name Other than Entry Element

سیروس

Dates

استاد راهنما

Dates

استاد مشاور

Entry Element

‏ تبریز