具有可编程输入阻抗的基于反馈的跨阻放大器的制造方法
【专利摘要】在至少一些示例中，通信装置包括用于将光信号转换为电流的光电二极管，和用于放大电流的基于反馈的跨阻放大器。该通信装置还包括位于光电二极管和基于反馈的跨阻放大器之间的传输线。该基于反馈的跨阻放大器包括已经与传输线的阻抗匹配的可编程输入阻抗。
【专利说明】具有可编程输入阻抗的基于反馈的跨阻放大器
【背景技术】
[0001]对于光通信，来自光纤的输入光脉冲被接收并通过光电二极管被转换为电流。然后可以使用跨阻放大器(TIA)以将输入电流转换为电压输出。由于光电二极管输出的电流非常小(例如大约20 μ A)，因此TIA邻近光电二极管放置。
【专利附图】
【附图说明】
[0002]对于本公开的所示示例的详细描述，现在参考所附附图，其中:
[0003]图1示出了根据本公开的示例的通信装置；
[0004]图2示出了根据本公开的示例的通信装置元件的布置；
[0005]图3示出了根据本公开的示例的可编程跨阻放大器(PTIA)结构；
[0006]图4示出了根据本公开的示例的基于反馈的PTIA的输出信号；
[0007]图5示出了根据本公开的示例的相应于图4的输出信号的眼图；
[0008]图6不出了根据本公开的不例的图5的眼图的分析；
[0009]图7示出了根据本公开的示例的计算机系统；以及
[0010]图8示出了根据本公开的示例的方法。
[0011]符号和命名
[0012]在下面的整个说明书和权利要求书中使用某些术语以涉及特定的系统元件。如本领域技术人员所理解的，计算机组可以涉及由不同名字表示的元件。本文献不旨在在名字而不是功能不同的元件之间进行区分。在下述讨论以及权利要求中，术语“包括”和“包含”以开放形式使用，从而应当解释为“包括，但是不限制为……”。同样，术语“耦合”旨在意味着间接、直接、光学或无线电连接。从而，如果第一装置耦合到第二装置，那么该连接可以是通过直接的电连接，通过经由其它装置和连接点的间接电连接，通过光学电连接，或通过无线电连接。
【具体实施方式】
[0013]由于不完善的集成电路制造工艺，无论对于特定输入阻抗怎样努力设计，跨阻放大器(TIA)的输入阻抗都会变化。同样，由于传输线的材料/设计的变化和不足，传输线阻抗可能发生变化。如果TIA输入阻抗不匹配传输线阻抗，那么输入信号将由于反射噪音而引起失真。在光通信应用中，来自光电二极管的输出电流非常小(例如20μΑ至ΙΟΟμΑ)，任何信号失真使得重获数据很困难或者不可能。代替接近光电二极管放置TIA以避免来自光电二极管的非常小电流的信号失真，所公开的示例使用具有可编程输入阻抗的ΤΙΑ，该输入阻抗被调节以匹配传输线阻抗。进一步，在一些示例中，可以使用MOSFET晶体管，而不使用双极型器件。
[0014]具有可编程输入阻抗的TIA在此被称为可编程TIA(PTIA)。在至少一些公开的示例中，基于反馈的PTIA是用于接收光信号并处理相应电信号的通信装置的一部分。在该通信装置中，光电二极管将光信号转换为电流。来自光电二极管的电流经由传输线由基于反馈的PTIA接收。光电二极管和基于反馈的PTIA之间的传输线是由于例如基于反馈的PTIA位于与光电二极管分离的集成电路(IC)芯片上。在一些示例中，基于反馈的PTIA在具有其它接收器元件的IC芯片上实现，以减小总成本，功率，以及对于该接收器的热溶和等待时间要求。利用通过传输线与光电二极管分离的基于反馈的PTIA，传输线的阻抗和其它噪音耦合问题需要被解决。所提出的基于反馈的PTIA通过调节基于反馈的PTIA输入阻抗以匹配传输线的阻抗，解决了传输线阻抗和基于反馈的PTIA输入阻抗不匹配引起的信号反射问题。基于反馈的PTIA的输入阻抗的调节可以通过后娃(post-silicon)校准(在具有基于反馈的PTIA的芯片安装在用户通信装置中之前)或通过系统编程(在具有基于反馈的PTIA的芯片安装在用户通信装置中之后)来进行。在任一种情况下，调节可以基于对于基于反馈的PTIA的输出信号的分析。所公开的PTIA示例替换了紧接于光电二极管放置TIA的现有技术。
[0015]图1示出了根据本公开的示例的通信装置100。通信装置100相应于光通信网络的端节点(数据接收器)或路径选择(routing)装置。如图所示，通信装置100包括光电二极管102，其接收光信号并输出相应的电流。电流经由有损传输线104(阻抗=Z0)传播到基于反馈的PTIA 106。基于反馈的PTIA 106将经由有损传输线104从光电二极管102接收的电流转换为电压。如在此所公开的，基于反馈的PTIA 106的输入阻抗被调节为匹配传输线的阻抗。
[0016]在一些实施例中，基于施加到可变电阻器的控制信号调节基于反馈的PTIA106的输入阻抗。无论在基于反馈的PTIA 106安装在通信装置100中之前还是之后，控制信号均以基于反馈的PTIA 106的输出信号的分析为基础。
[0017]在一些示例中，基于反馈的PTIA 106包括四个共源放大级。此外，基于反馈的PTIA 106的最后一个放大级可以对于基于反馈的PTIA 106的输出信号和共模信号提供电压电平偏移。此外，基于反馈的PTIA 106可以包括低通滤波器，以允许来自基于反馈的PTIA 106的差动输出(输出信号和共模参考信号)。更明确地，低通滤波器可以用于共模参考信号，而对于基于反馈的PTIA 106的输出信号被省略。在一些不例中，基于反馈的PTIA106是与光电二极管102和传输线104分离的集成电路的一部分。例如，光电二极管102可以是光模块的一部分。同时，传输线104可以相应于具有基于反馈的PTIA 106的集成电路和光电二极管102之间的半导体封装和/或导电迹线。
[0018]概括而言，对于基于反馈的PTIA 106，可编程反馈电阻器用于将来自第三放大级的输出反馈到具有DC和负AC增益的输入放大级。可编程反馈电阻器将基于反馈的PTIA106的输入阻抗减小为R_fb/(A+1)，其中R_fb是反馈电阻值，A是前三个放大级的开环增益。R_fb的值可以例如在存在零电流和注入到TIA输入端中的小电流时测量PTIA输入电压的晶片测试期间被确定。电压差与目标电压(V = Ι*Ζ0)相比，其中ZO是将被匹配的传输线阻抗。如果测量的电压值高于目标电压，那么R_fb应当被减小。可替换地，如果测量的电压低于目标电压，那么R_fb应当被增大。确定R_fb值的另一种方式是分析相应于基于反馈的PTIA 106的输出的眼图张开度，并且扫描R_fb的可利用的值(例如从低至高)，直到最优设置被确定。通过调节R_fb以便基于反馈的PTIA 106的输入阻抗在输入时匹配传输线的阻抗，如在此所公开，反射减小。此外，所公开的基于反馈的PTIA 106的一些示例具有共模电压反馈结构，其能够容忍高处理和电压变化以及漂移控制。通过省略电感器和级联结构，基于反馈的PTIA 106的所公开的一些示例非常小并且适合于低电压操作。此外，基于反馈的PTIA 106的所公开示例的一些示例具有低固有热噪声的优点。
[0019]图2示出了根据本公开的示例的通信装置元件的布置200。不作为对其它示例的限制，布置200可以用于图1的通信装置100。在布置200中，多个元件被示出为是光模块202、封装210和接收器芯片220的一部分。更明确地，光模块202包括电容器204和如前对于图1的通信装置100描述的光电二极管102。此外，封装210包括参考接地214和如前对于图1的通信装置100描述的有损传输线104。此外，接收器芯片220包括多个元件以及如前对于图1的通信装置100描述的基于反馈的PTIA 106。
[0020]如图所示，基于反馈的PTIA 106从有损传输线104接收其输入，并且经由封装210接收参考接地214。接收器芯片220还包括参考电压230，电压调节器226和电容器228，以给基于反馈的PTIA 106提供参考电压。基于反馈的PTIA 106的输入阻抗通过阻抗控制器224可调节，该阻抗控制器224提供控制信号给基于反馈的PTIA 106。来自阻抗控制器224的控制信号基于相应于分析基于反馈的PTIA106的输出信号的结果的指令或信息。如图所示，基于反馈的PTIA 106输出共模信号和输出信号。来自基于反馈的PTIA 106的共模信号和输出信号由接收器电路234接收，该接收器电路234可以进行操作以恢复所接收的数据。
[0021]图3示出了根据本公开的示例的基于反馈的PTIA结构300。如图所示，基于反馈的PTIA结构300包括晶体管M1-M4，晶体管M1-M4在高参考电源和晶体管M1-M4之间具有各自的漏级侧电阻器R1-R4。在基于反馈的PTIA结构300中，可变电阻器(R_fb)和电容器C3并联放置在晶体管M3的漏级和晶体管Ml的栅极之间。如图所示，可变电阻器R_fb由在此所述的控制信号(CTRLljb)控制。在基于反馈的PTIA结构300中，电容器Cl放置在高参考电源和低参考电源之间。此外，电容器C2和电阻器R5串联放置在高参考电源和晶体管M4的漏级之间。在M4漏级处的信号相应于输出信号。同时，电容器C2和电阻器R5之间的信号相应于共模参考信号。
[0022]图3的基于反馈的PTIA结构300相应于具有四级共源放大的四级放大器。更明确地，级1_3(相应于晶体管Ml，M2，M3)操作为主增益级，而级4(相应于晶体管M4)提供附加增益以及输出信号的电平偏移。低通滤波器(例如相应于电容器C2和电阻器R5)允许来自基于反馈的PTIA结构300的差动输出(输出信号和共模参考信号)。更明确地，低通滤波可以用于共模参考信号，而对于基于反馈的PTIA 106的输出信号省略。反馈电阻器R_fb用于将来自放大级3的输出信号提供到具有DC和负AC增益的输入级。从而，对于示例性基于反馈的PTIA结构300的输入阻抗是R_fb/ (A+1)，其中A是前三个放大级的开环增益。在一些示例中，可变电阻器R_fb相应于可编程无源电阻器，其被调节以便PTIA输入阻抗匹配传输线输出阻抗。
[0023]利用基于反馈的PTIA结构300，使用可编程输入阻抗调节来匹配传输线阻抗并减小反射。此外，基于反馈的PTIA结构300使用共模电压反馈结构以容忍高处理和电压变化以及漂移控制。此外，基于反馈的PTIA结构300不使用任何电感器或级联结构，从而尺寸减小并且低电压操作成为可能。
[0024]不作为对其它示例的限制，在此提供基于反馈的PTIA结构300的多个值。例如，输入阻抗Rptia = R_fb/ (A+1)，其中A是基于反馈的PTIA 106的开环增益，R_fb是利用控制信号CTRLr fb可调的以便Rptia = ZO (传输线阻抗)。此外，Ml = 5.2 μ /40η, M2 = M3 =M4 = 8.5μ /40η。此外，Rl = 1.6kQ ,R2 = R3 = 1.0kΩ，R4 = 0.5kΩ，以及 R5 = 24kQ。此外，R_fb在大约l.0kQ至3.0kQ之间变化以匹配ZO = 75 Ω。此外，Cl = 200pF，C2 =10pF，以及C3 = 20fF。此外，光电流输入为大约20μΑ至ΙΟΟμΑ。此外，前三个放大级的增益为大约21 X或26db，第四放大级的增益为大约6dB。
[0025]图4不出了根据本公开的不例的基于反馈的PTIA的输出信号400。如图所不，输出信号400的范围在从346Χ1(Γ9至354Χ1(Γ9的时间周期(大约0.1ys)期间在660Χ1(Γ3至 760Χ 1(Γ3 伏之间(0.66 至 0.76 伏)。
[0026]图5示出了相应于图4的输出信号400的眼图500。在眼图500中，输出信号400的质量可以被评价为在100Χ 10_12秒的时间窗口期间(100皮秒)在660Χ 10_3至760Χ 10_3伏之间(0.66至0.76伏)发生的信号跃迁。
[0027]图6不出了根据本公开的不例的图5的眼图500的分析600。在分析600中，在100Χ 1(Γ12秒的时间窗口期间(100皮秒)在660 X 1-3至760Χ 1(Γ3伏之间(0.66至0.76伏)的信号跃迁被示出，如对于图5的眼图500所描述。此外，分析600示出了偏移取样Vref = 0.725V和数据取样Vref = 0.71V。输出信号400中的错误可以通过异运算(XOR)偏移取样和数据取样来确定。其后，错误可以通过调节如在此所述的基于反馈的PTIA 106的输入阻抗而减小。
[0028]图7示出了根据本公开的示例的计算机系统700。计算机系统700可以相应于光通信网络的端节点(数据接收器)或路径选择(routing)装置。换句话说，对于计算机系统700所示出的元件可以是如图1所示的通信装置100的一部分。在从光通信网络接收数据后，计算机系统700可以存储，处理和执行所接收的数据。
[0029]如图所示，计算机系统700包括处理器702 (其可以被称为中央处理器单元或CPU)，其与存储装置通信，该存储装置包括二级存储器704、只读存储器(ROM) 706、随机存取存储器(RAM) 708、输入/输出(1/0)装置710和网络连通装置712。处理器702可以实现为一个或多个CPU芯片。
[0030]可以理解，通过在计算机系统700上编程和/或加载可执行指令，CPU 702、RAM708,ROM 706的至少之一改变，将计算机系统700部分地变换为特定的机器或设备，其具有本公开教导的新颖功能性。对于电机工程和软件工程学科而言基本的是，可以通过将可执行软件加载到计算机中而实现的功能性可以通过已知设计规则被转换为硬件实现方式。在以软件还是硬件来实现概念的决定典型地取决于设计稳定性和将产生的单元数量的考虑，而不是取决于从软件领域转化到硬件领域所包含的任何问题的考虑。通常，仍然遇到频繁改变的设计可以优选以软件实现，因为再编造硬件实现方式比再编造软件设计更加昂贵。通常，将大批量产生的稳定设计可以优选以硬件实现方式，例如以专用集成电路(ASIC)，这是因为对于大产量运行而言，硬件实现方式可以比软件实现方式花费更少。通常，设计可以以软件形式研发和测试，并在后期通过已知的设计规则变换为等同的以专用集成电路的硬件实现方式，其硬连线软件的指令。以与新的ASIC控制的机器是特定机器或设备相同的方式，同样地，已经被编程和/或加载了可执行指令的计算机可以被看作特定的机器或设备。
[0031]二级存储器704典型地由一个或多个磁盘驱动器或磁带驱动器构成，并且用于数据的非易失性存储，以及如果RAM 708不足够大以容纳所有的工作数据时作为溢出数据存储装置。二级存储器704可以用于在这些程序被选择为执行时，存储加载到RAM 708中的程序。ROM 706用于存储在程序执行期间被读取的指令，或许数据。ROM 706是非易失性存储装置，其相对于二级存储器704的大存储容量，典型地具有小存储容量。RAM 708用于存储易失性数据，或许也存储指令。对于ROM 706和RAM 708的存取典型地快于对于二级存储器704的存取。二级存储器704，RAM 708，和/或ROM 706在一些环境中可以被称为计算机可读存储介质和/或非瞬时计算机可读介质。
[0032]I/O装置710可以包括打印机，视频监视器，液晶显示器(IXD)，触摸屏显示器，键盘，小键盘，开关，刻度盘，鼠标，跟踪球，声音识别器，卡片阅读机，纸带阅读机，或其它已知的输入装置。
[0033]网络连通装置712可以采取调制解调器，调制解调器组，以太网卡，通用串行总线(USB)接口卡，串行接口，令牌环卡，光纤分布式数据接口(FDDI)卡，无线局域网(WLAN)卡，例如码分多址(CDMA)、全球移动通信系统(GSM)、长期演进(LTE)、全球微波接入互操作性(WiMAX)和/或其它空中通信协议的无线电收发机卡的无线电收发机卡，以及其它已知的网络装置的形式。如在此所述，计算机系统700可以是光通信网络的一部分。在该情况下，网络连通装置712支持光通信技术。这些网络连通装置712可以使得处理器702能够与互联网或一个或多个内联网通信。利用这种网络连接，预期处理器702可以在进行上述方法步骤的过程中从网络接收信息，或者可以输出信息到网络。这种信息可以例如以具体化为载波的计算机数据信号的形式从网络接收和输出到网络，该信息通常表示为利用处理器702执行的指令序列。如图所示，网络连通装置712中的至少之一可以包括接收器芯片220和/或在此所述的基于反馈的PTIA 106。
[0034]这种信息可以例如以计算机数据基带信号或具体化为载波的信号的形式从网络接收和输出到网络，该信息可以包括例如利用处理器702执行的数据或指令。基带信号或具体化为载波的信号，或目前使用或将来研发的其它类型的信号可以根据本领域技术人员已知的多种方法产生。基带信号和/或具体化为载波的信号可以在一些环境中被称为瞬时信号。
[0035]处理器702执行指令，编码，计算机程序和脚本，其从硬盘、软盘、光盘(基于这些多种盘的系统都可以考虑为二级存储器704)、R0M 706,RAM 708或网络连通装置712存取。虽然仅示出了一个处理器702，但是多个处理器可以存在。从而，虽然指令可以被讨论为由处理器执行，但是指令可以通过一个或多个处理器同时、连续或另外执行。从例如硬盘、软盘、光盘和/或其它装置的二级存储器704、ROM 706和/或RAM 708存取的指令、编码、计算机程序、脚本和/或数据在一些环境中可以被称为非瞬时指令和/或非瞬时信息。
[0036]在实施例中，计算机系统700可以包括彼此通信的两个或多个计算机，其合作以执行任务。例如，但是不作为限制，应用程序可以以允许应用指令的同时和/或并行处理的方式被划分。可替换地，由应用程序处理的数据可以以允许由两个或多个计算机设置的数据的不同部分的同时和/或并行处理的方式被划分。在实施例中，计算机系统700可以使用虚拟化软件，以提供多个服务器的功能性，该多个服务器不直接连接到计算机系统700中的多个计算机。例如，虚拟化软件可以在四台实际的计算机上提供二十个虚拟服务器。在实施例中，上述功能性可以通过执行云计算环境中的一个应用程序和/或多个应用程序来提供。云计算可以包括利用动态可升级计算源经由网络连接提供计算服务。云计算可以至少部分地由虚拟化软件来支持。云计算环境可以由企业建立和/或可以基于需求从第三方提供者雇用。一些云计算环境可以包括企业所有并操作的云计算源以及从第三方提供者雇用和/或租用的云计算源。
[0037]图8示出了根据本公开的示例的方法800。方法800例如可以通过在此所述的基于反馈的PTIA来执行。如图所示，方法800包括经由传输线从光电二极管接收电流(块802)。在块804处，以基于反馈的PTIA的可编程输入阻抗为基础，将电流转换为电压，其中基于反馈的PTIA的可编程输入阻抗被调节为匹配传输线的输入阻抗。作为示例，调节基于反馈的PTIA的可编程输入阻抗可以基于施加到可变电阻器的控制信号，其中控制信号根据基于反馈的PTIA的输出信号的信号质量分析来设置。
[0038]为了将电流转换为电压，基于反馈的PTIA可以操作共栅放大级，其紧接着两个共源放大级。在一些示例中，将电流转换为电压也可以包括在放大的最后一级处对于基于反馈的跨阻放大器的输出信号和共模信号的电压电平偏移。将电流转换为电压也可以包括低通滤波被反馈到基于反馈的PTIA的第一放大级的共模信号，并且省略基于反馈的PTIA的输出信号的低通滤波。对于方法800，基于反馈的PTIA是集成电路的一部分，该集成电路与光电二极管和传输线分离。方法800还可以包括执行对于设置或操作在此所述的、经由传输线与光电二极管分离的基于反馈的PTIA的任何其它操作。
[0039]虽然在本公开中已经提供了多个实施例，但是应当理解，所公开的系统和方法可以以许多其它的具体形式具体化，只要不偏离本公开的精神或范围。这些示例被考虑为是说明性而不是限制性的，本发明不限制到在此给出的细节。例如，多个元素或元件可以在另一系统中组合或集成或者某些特征可以省略或不实施。
[0040]同样，在多个实施例中描述和说明的独立或分离的技术、系统、子系统和方法可以组合或与其它系统、模块、技术或方法集成，只要不偏离本公开的范围。示出或讨论为直接耦合或彼此通信的其它内容可以间接耦合或通过一些接口、装置或中间元件通信，无论通过电、机械或其它方式。改变、替代和替换的其它示例是本领域技术人员可得到的并且可以实现，只要不偏离在此公开的精神和范围。
【权利要求】
1.一种通信装置，包括: 光电二极管，用于将光信号转换为电流； 基于反馈的跨阻放大器，用于将所述电流转换为电压；以及 位于所述光电二极管与所述基于反馈的跨阻放大器之间的传输线， 其中所述基于反馈的跨阻放大器包括与所述传输线的阻抗匹配的可编程输入阻抗。
2.根据权利要求1的通信装置，其中所述可编程输入阻抗基于施加到可变电阻器的控制信号被调节，并且其中所述控制信号基于所述基于反馈的跨阻放大器的输出信号的分析。
3.根据权利要求1的通信装置，其中所述基于反馈的跨阻放大器包括四个放大级。
4.根据权利要求1的通信装置，其中所述基于反馈的跨阻放大器包括四个共源放大级。
5.根据权利要求1的通信装置，其中所述基于反馈的跨阻放大器的最后一级针对所述基于反馈的跨阻放大器的输出信号和共模信号提供电压电平偏移。
6.根据权利要求5的通信装置，其中所述基于反馈的跨阻放大器包括低通滤波器以得到所述共模信号，并且其中低通滤波对于所述基于反馈的跨阻放大器的输出信号被省略。
7.根据权利要求1的通信装置，其中所述基于反馈的跨阻放大器是与所述光电二极管和所述传输线分离的集成电路的一部分。
8.一种用于基于反馈的跨阻放大器的方法，包括: 经由传输线从光电二极管接收电流；以及 基于所述基于反馈的跨阻放大器的可编程输入阻抗，将所述电流转换为电压，其中所述可编程输入阻抗被调节为匹配所述传输线的阻抗， 其中所述基于反馈的跨阻放大器是与所述光电二极管和所述传输线分离的集成电路的一部分。
9.根据权利要求8的方法，进一步包括: 基于施加到可变电阻器的控制信号调节所述可编程输入阻抗， 其中所述控制信号根据所述基于反馈的跨阻放大器的输出信号的信号质量分析被设置。
10.根据权利要求8的方法，其中将所述电流转换为电压包括操作四个共源放大级。
11.根据权利要求8的方法，其中将所述电流转换为电压包括在放大的最后一级处对所述基于反馈的跨阻放大器的输出信号和共模信号进行电压电平偏移。
12.根据权利要求11的方法，其中将所述电流转换为电压包括对于所述共模信号的低通滤波，并且对于所述基于反馈的跨阻放大器的输出信号省略低通滤波。
13.一种集成电路芯片，包括: 具有可编程输入阻抗的基于反馈的跨阻放大器，所述可编程输入阻抗已经被调节为与位于所述集成电路芯片的外部的光电二极管输出传输线的阻抗相匹配。
14.根据权利要求13的集成电路芯片，其中所述可编程输入阻抗具有隔开至少20欧姆的最小值和最大值，以与传输线阻抗匹配。
15.根据权利要求13的集成电路芯片，其中所述基于反馈的跨阻放大器包括四个共源放大级，并且其中所述基于反馈的跨阻放大器的最后一级针对所述基于反馈的跨阻放大器的输出信号和共模信号提供电压电平偏移，并且其中低通滤波用于得到所述共模信号，而对于所述基于反馈的跨阻放大器的输出信号被省略。
【文档编号】H03F3/08GK104272586SQ201280072767
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2012年4月30日 优先权日:2012年4月30日
【发明者】周大成, 丹尼尔·A·贝尔克拉姆 申请人:惠普发展公司，有限责任合伙企业