一种具有带宽扩展和阻抗匹配功能的模拟前端终端电路

1.本发明涉及模拟集成电路中模拟前端电路中带宽扩展和阻抗匹配的设计，尤其涉及高工程应用性小面积开销的模拟前端电路结构，具体公开一种具有带宽扩展和阻抗匹配功能的模拟前端终端电路，属于基本电子电路的技术领域。


背景技术：

2.随着器件尺寸的减小和半导体ic工作速度的提高，ic上的器件/晶体管变得越来越容易受到静电防护(electro-static discharge，esd)的影响，高速i/o接口的速率已经达到几十甚至上百ghz，高速电路对esd防护网络的要求越来越严格。接口电容主要是由esd防护网络贡献，较大的电压防护裕度导致esd寄生电容不宜设计得太小。然而，较高等级的esd防护网络就会有大数量级的esd寄生电容，这对接口带宽非常不利。另外，焊盘、金属互连线和前端电路寄生电容都对电路的带宽产生不利影响。此外，当信道与接收机的输入连接时，模拟前端不再保持理想的匹配状态，来自信道的信号还会因为i/o接口焊盘电容、静电放电esd二极管和serdes接收器前端电路的输入电容阻抗不匹配产生反射，导致信号衰减。即使芯片封装被设计为具有理想的50ω传输线，几百ff的片内电容也可能导致gb/s范围内无法满足回波损耗的要求。使用t-coil电路可以为这些器件/晶体管提供esd保护，还可以利用t-coil两侧的两个耦合电感的电感峰值来减少由于esd二极管电容负载造成的高频信号损失。同理，t-coil可以对其它电容进行带宽的补偿，从而保证模拟前端连续时间线性均衡器(continuous time linear equalization,ctle)能够在奈奎斯特频率进行很好的频率补偿，但是单级t-coil电路无法改善多个电容对带宽的影响，因此需要多级非对称t-coil结构，然而，多级非对称t-coil结构以增加电感数量为代价实现对多电容进行带宽补偿的目的。此外，阻抗匹配网络可以以最大增益将信号传递给后端电路，在传递的过程中，阻抗间的合理匹配是保证顺利传输的重要条件。因此，阻抗匹配也显得尤为重要。
3.综上，本发明旨在提出一种具有带宽扩展和阻抗匹配功能的模拟前端终端电路以克服上述缺陷。


技术实现要素：

4.本发明的发明目的是针对i/o接口焊盘电容c
pad
、静电放电esd二极管的电容c
esd
和serdes接收器ctle电路的负载电容c
l
对模拟前端电路带宽和阻抗匹配的影响，提出一种具有带宽扩展和阻抗匹配功能的模拟前端终端电路，通过化简的三级非对称t-coil技术和较少数量的电容电感实现带宽扩展和阻抗匹配的发明目的，解决现有模拟前端因为多电容导致带宽衰减以及阻抗不匹配的技术问题。
5.本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
6.一种具有带宽扩展和阻抗匹配功能的模拟前端终端电路，包含：第一焊盘电容、第二焊盘电容、第一阻抗匹配模块、第二阻抗匹配模块、第一带宽扩展模块、第二带宽扩展模块、第一终端电阻、第二终端电阻和负载电路。第一焊盘电容的正极板和第二焊盘电容的正
极板作为模拟前端终端电路的输入端分别接负极性输入信号、正极性输入信号。第一阻抗匹配模块的输入端接第一焊盘电容的正极板，第二阻抗匹配模块的输入端接第二焊盘电容的正极板，第一阻抗匹配模块的输出端接第一带宽扩展模块的第一输入端，第二阻抗匹配模块的输出端接第二带宽扩展模块的第一输入端。第一带宽扩展模块输出端和第二带宽扩展模块的输出端接负载电路的输入端。第一终端电阻的第一端接第一带宽扩展模块的第二输入端，第二终端电阻的第一端接第二带宽扩展模块的第二输入端，第一终端电阻的第二端接第二终端电阻的第二端。负载电路的输入端接带宽扩展电路的输出端，负载电阻的输出端接地，同时向第一终端电阻和第二终端电阻的连接点输出共模反馈电压信号。
7.进一步地，第一焊盘电容和第二焊盘电容相同，均是同一容值的电容。其中，焊盘电容的正极板与输入信号连接，焊盘电容的负极板接地。
8.进一步地，第一阻抗匹配模块和第二阻抗匹配模块相同，均是由匹配电感和匹配电容构成；其中，匹配电感的第一端与信号输入端连接，匹配电感的第二端与带宽扩展电路第一输入端连接；匹配电容的正极板与匹配电感的第二端连接，匹配电容的负极板接地。
9.进一步地，第一带宽扩展模块和第二带宽扩展模块相同，均包括三个级联的非对称t-coil结构，三个级联的非对称t-coil结构均可等价为由第一耦合电感、第二耦合电感、第一二极管、第二二极管和第一扩展电感构成的等效电路；其中，第一耦合电感的第一端与阻抗匹配电路的输出端连接，第一耦合电感的第二端与第二耦合电感的第一端连接；第二耦合电感的第二端与第一扩展电感第一端连接；第一二极管的阴极与信号电源端连接，第一二极管的阳极接第一耦合电感的第二端；第二二极管的阴极与第一耦合电感的第二端连接，第二二极管的阳极接地；第一扩展电感的第一端与第二耦合电感的第二端连接，第一扩展电感的第二端与终端电阻第一端连接。
10.进一步地，第一终端电阻和第二终端电阻相同，均是同一阻值的电阻。其中，终端电阻的第一端与扩展电感的第二输入端连接，终端电阻的第二端接来自负载电路的共模反馈电压信号。
11.进一步地，负载电路与扩展电感的第二端连接。
12.本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明采用简化的三级非对称t-coil结构设计带宽扩展模块，并在i/o接口焊盘电容c
pad
与带宽扩展模块之间引入阻抗匹配模块，在对多电容带宽进行补偿的同时实现模拟前端的阻抗匹配，相对于多级非对称t-coil结构模拟前端电路而言，本发明所提终端电路大大减少电感和电容的数量，具有带宽扩展好、阻抗匹配良好、减少模拟前端面积开销的技术优势。同时，该发明具有很高的工程应用性，适用于工程产品设计，可广泛用于serdes模拟前端的设计，能够大大提高模拟前端的性能指标，同时减小综合开销。
附图说明
13.图1是本发明提出的模拟前端带宽扩展和阻抗匹配的电路结构图。
14.图2是常规的t-coil的电路结构图。
15.图3是三级非对称t-coil的电路结构图。
16.图4是本发明中化简的三级非对称t-coil的电路结构图。
17.图5是本发明的带宽扩展和阻抗匹配的电路结构图。
18.图中标号说明：c
pad1
为第一焊盘电容，c
pad2
为第二焊盘电容，im1为第一阻抗匹配模块，im2为第二阻抗匹配模块，be1为第一带宽扩展模块，be2为第二带宽扩展模块，r
d1
为第一终端电阻，r
d2
为第二终端电阻，ctle为负载电路，l
r1
、l
r2
为第一、第二匹配电感，c
r1
、c
r2
为第一、第二匹配电容，l1为第一耦合电感，l2为第二耦合电感，dp1为第一二极管、dn1为第二二极管，l
t1
为第一扩展电感，l3为第三耦合电感，l4为第四耦合电感，dp2为第三二极管，dn2为第四二极管，l
t2
为第二扩展电感。
具体实施方式
19.下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。
20.本发明公开的一种具有带宽扩展和阻抗匹配功能的模拟前端终端电路如图1所示，包含：第一焊盘电容c
pad1
、第二焊盘电容c
pad2
、第一阻抗匹配模块im1、第二阻抗匹配模块im2、第一带宽扩展模块be1、第二带宽扩展模块be2、第一终端电阻r
d1
、第二终端电阻r
d2
和负载电路ctle。
21.第一焊盘电容c
pad1
和第二焊盘电容c
pad2
的输入端作为模拟前端终端电路的差分输入端分别接负极性输入信号rxn、正极性输入信号rxp。第一阻抗匹配模块im1和第二阻抗匹配模块im2的输入端分别接第一焊盘电容c
pad1
和第二焊盘电容c
pad2
的正极板，第一焊盘电容c
pad1
和第二焊盘电容c
pad2
的负极板接地，第一阻抗匹配模块im1的输出端接第一带宽扩展模块be1的第一输入端，第二阻抗匹配模块im2的输出端分别接第二带宽扩展模块be2的第一输入端。第一带宽扩展模块be1的第一输入端接第一阻抗匹配模块im1的输出端，第二带宽扩展模块be2的第一输入端接第二阻抗匹配模块im2的输出端，第一带宽扩展电路be1的第二输入端接第一终端电阻r
d1
的一端，第二带宽扩展电路be2的第二输入端接第二终端电阻r
d2
的一端，第一带宽扩展模块be1的输出端和第二带宽扩展模块be2的输出端接负载电路ctle的输入端。第一终端电阻r
d1
的另一端和第二终端电阻r
d2
的另一端相连。负载电路ctle的输入端接第一带宽扩展电路be1和第二带宽扩展电路be2的输出端，负载电路ctle的输出端接地。
22.第一焊盘电容c
pad1
和第二焊盘电容c
pad2
相同，均是同一参数值的电容。其中，第一焊盘电容c
pad1
的正极板与负极性输入信号rxn连接，第一焊盘电容c
pad1
的负极板接地。第一阻抗匹配模块im1和第二阻抗匹配模块im2相同，均是由匹配电感和匹配电容构成；其中，第一匹配电感l
r1
的第一端与负极性信号输入端rxn连接，第一匹配电感l
r1
的第二端与第一带宽扩展模块be1的输入端连接；第一匹配电容c
r1
的正极板与第一匹配电感l
r1
的第二端连接，第一匹配电容c
r1
的负极板接地。第一带宽扩展模块be1和第二带宽扩展模块be2相同，第一带宽扩展模块be1由第一耦合电感l1、第二耦合电感l2、第一二极管dp1、第二二极管dn1和第一扩展电感l
t1
构成；其中，第一耦合电感l1的第一端与第一阻抗匹配模块im1的输出端连接，第一耦合电感l1的第二端与第二耦合电感l2的第一端连接；第二耦合电感l2的第一端与第一耦合电感l1的第二端连接，第二耦合电感l2的第二端与第一扩展电感l
t1
的第一端连接，第一耦合电感l1的第一端与第二耦合电感l2的第一端为同名端；第一二极管dp1的阴极与信号电源端连接，第一二极管dp1的阳极接第一耦合电感l1的第二端；第二二极管dn1的阴极与第一耦合电感l1的第二端连接，第二二极管dn1的阳极接地；第一扩展电感l
t1
的第一端与第二耦合电感l2的第二端连接，第一扩展电感l
t1
的第二端与第一终端电阻r
d1
的第一端
连接。第一终端电阻r
d1
和第二终端电阻r
d2
相同，均是同一阻值的电阻。其中，第一终端电阻r
d1
的第一端与第一扩展电感l
t1
的第二端连接，第一终端电阻r
d1
的第二端接收来自负载电路的共模反馈电压。负载电路ctle的输入端与第一扩展电感l
t1
的第一端连接。接入正极性差分信号rxp的第二阻抗匹配模块im2的电路包括第二匹配电感l
r2
，第二匹配电容c
r2
，其连接方式与第一阻抗匹配模块im1相同；第二带宽扩展模块be2包括：第三耦合电感l3、第四耦合电感l4、第三二极管dp2、第四二极管dn2，第二扩展电感l
t2
，其连接方式与第一带宽扩展电路be1相同，这里不作赘述。
23.为解决上述技术问题，在基本的三级t-coil结构情况下，采用非对称t-coil结构，并且对三级t-coil进行化简优化，减少电路开销面积。此外针对阻抗匹配部分，使用串并联电容电感方式实现，尽可能的使用最小的面积实现良好的性能。
24.模拟前端带宽扩展和阻抗匹配电路，具体包括步骤s1至步骤s6。
25.步骤s1：根据实际电路，确定基本电路参数。模拟前端带宽扩展和阻抗匹配电路主要由i/o接口焊盘电容c
pad
、静电放电esd二极管的电容c
esd
和serdes接收器前端电路的负载电容c
l
组成并扩展的，首先需要确定这三个电容的取值以及终端电阻的设置。
26.步骤s2：架构选取。通过对上述各个电容参数的确定，分析单级的t-coil结构无法实现，根据电容的数量调整t-coil的级数，最终确定使用三级t-coil结构。根据实际电路的带宽扩展的要求，选择非对称t-coil结构。
27.步骤s3：计算参数。根据步骤s1中i/o接口焊盘电容c
pad
参数的确定，参考非对称t-coil结构的公式，计算确定非对称t-coil中的电感、耦合系数和桥式电容的参数。根据步骤s1中所述静电放电esd二极管的电容c
esd
参数的确定，参考非对称t-coil结构的公式，计算确定非对称t-coil中的电感、耦合系数和桥式电容的参数。根据步骤s1中所述serdes接收器前端电路的负载电容c
l
参数的确定，参考非对称t-coil结构的公式，计算确定非对称t-coil中的电感、耦合系数和桥式电容的参数。
28.步骤s4：将上述三级非对称t-coil结构进行级联，由i/o接口焊盘电容c
pad
形成的非对称t-coil结构放在第一级，由静电放电(esd)二极管的电容c
esd
形成的非对称t-coil结构放在第二级，由serdes接收器前端电路的负载电容c
l
形成的非对称t-coil结构放在第三级，第一级的非对称t-coil结构的第一端与输入信号相连，第一级非对称t-coil结构的第二端与第二级的非对称t-coil结构的第一端相连，第二级的非对称t-coil结构的第二端与第三级的非对称t-coil结构的第一端相连，第三级的非对称t-coil结构的第二端与终端电阻rd第一端相连，终端电阻rd第二端接地。完整三级t-coil结构如图3所示，之后再进行电感、电容共享来化简电路。对于第一级t-coil结构，忽略桥式电容c
b1
，可以忽略由于封装/走线存在的电感l
1a
。对于第二级t-coil结构，由于电感l
2a
和电感l
1b
之间没有电容，就不存在消除电容的影响，可以忽略一个电感，而使用一个电感进行共享。同理，对于第三级t-coil结构，电感l
3a
和电感l
2b
可以忽略一个电感而使用一个电感进行共享。桥式电容c
b2
和c
b3
化简合并为单桥电容cb，最终桥式电容cb直接舍弃。至此，可以带宽扩展部分化简结束。依据实际电路的要求，根据仿真结果值，通过适当调整化简后的电感值来提高带宽。最终，带宽扩展电路作为整个电路的核心，l1和l2作为非对称t-coil的两个耦合电感，二极管dp和dn作为esd网络，提供esd保护，二极管dp和二极管dn所组成的esd网络的容值与静电放电esd二极管的容值c
esd
等价；电感l
t
用于补偿负载电路的带宽。
29.步骤s5：阻抗匹配。阻抗匹配电路是使用lc网络进行匹配并添加在带宽扩展电路中。上述化简的多级非对称的t-coil结构通过串联电感lr和并联电容cr进行带宽和阻抗匹配的优化。通过仿真结果s11不断调整电感和电容的参数。最终带宽扩展和阻抗匹配的完整电路设计完毕。
30.步骤s6：级联各个电路，包括带宽扩展电路和阻抗匹配电路，并且扩展成差分结构，从而形成最终完整电路。
31.请参考图1，本发明提供一种具有带宽扩展和阻抗匹配功能的模拟前端终端电路。首先，针对背景技术中i/o接口焊盘电容c
pad
、静电放电esd二极管的电容c
esd
和serdes接收器ctle电路的负载电容c
l
三种电容对模拟前端电路带宽和阻抗匹配的影响，获取实际设计电路的各个电容参数。如图2所示，带宽扩展的方法主要是基于t-coil实现。以往的t-coil都是由于对称结构计算简便、设计简单的优点被广泛使用，但是t-coil的非对称结构，是基于对称结构的一种改进技术，由于l1＝l，l2＝bl，m＝ml，相对于对称t-coil结构，多了一个变量b，使得以更高的设计复杂度为代价，利用更大的设计自由度来扩展带宽，其中l表示非对称t-coil结构的电感：
[0032][0033]
桥式电容cb可以表示为：
[0034][0035]
耦合系数k表示为：
[0036][0037]
阻尼系数ζ表示为：
[0038][0039][0040]
由于非对称t-coil结构多了一个变量b，各参数无法确定。因此通过引入变量β，令β＝b/m，由于则可以获得互感系数m和β的另一种关系：
[0041][0042]
这里需要注意，β，m，b都是正数。根据上述公式分析，由已知条件可以求出非对称t-coil结构的各个参数。对于i/o接口焊盘电容c
pad
、静电放电esd二极管的电容c
esd
和serdes接收器前端电路的负载电容c
l
的影响，需要考虑使用三级非对称t-coil结构，如图3所示。因此，分别求出各个电容所对应的非对称t-coil结构的电感、耦合系数和桥式电容的参数，由i/o接口焊盘电容c
pad
形成的非对称t-coil结构放在第一级，由静电放电esd二极管
的电容c
esd
形成的非对称t-coil结构放在第二级，由serdes接收器前端电路的负载电容c
l
形成的非对称t-coil结构放在第三级。第一级的非对称t-coil结构的第一端与输入信号相连，第一级非对称t-coil结构的第二端与第二级的非对称t-coil结构的第一端相连，第二级的非对称t-coil结构的第二端与第三级的非对称t-coil结构的第一端相连，第三级的非对称t-coil结构的第二端与终端电阻rd第一端相连，终端电阻rd第二端接地。从而形成完整的三级非对称t-coil结构。
[0043]
三级非对称t-coil结构可以有效解决上述多个电容带来的带宽衰减和阻抗不匹配问题。首先根据图2的结构设计的三个非对称t-coil电路依次级联起来，终端电阻rd放在最后第三级非对称t-coil的第二端的完整电路如图3所示。对于第一级t-coil结构，因为两个线圈之间的寄生电容通常满足要求cb＝c
l
/8，桥式电容c
b1
可以忽略不计，由于封装/走线电感的存在，可以忽略电感l
1a
。对于第二级t-coil结构，由于电感l
2a
和电感l
1b
之间没有电容，就不存在消除电容的影响，可以使用一个电感进行共享。同理，对于第三级t-coil结构，电感l
3a
和电感l
2b
使用一个电感进行共享。桥式电容c
b2
和c
b3
化简合并为单桥电容cb，因为t-coil结构的桥式电容的容值本身就很小，并且充分考虑到实际电感有寄生电容的存在，因此，桥式电容cb直接舍弃。最终化简的三级非对称t-coil结构如图4所示。
[0044]
阻抗匹配的方法主要通过电容、电感与负载的串并联调整负载阻抗值，以达到源阻抗和负载阻抗匹配。源阻抗为zs，负载阻抗z
l
，当两者阻抗共轭时，电路从信号源吸收的功率达到最大值，从而达到输入阻抗匹配条件。首先将zs，z
l
进行归一化，在smith圆图上画出通过zs和z
l
共轭点的阻抗圆和导纳圆，那么可以得到所画圆的交点，交点的个数表示匹配结构的数量。从zs到za的轨迹是沿着通过zs的导纳圆逆时针方向运动，说明源阻抗zs应与电感la并联；而从za到的轨迹是沿着通过的阻抗圆顺时针方向运动，说明源阻抗zs与电感la并联后，还应与另一电感lb串联，其中：
[0045][0046][0047]
其中z0为特征阻抗。因此，在阻抗圆中，顺时针方向移动，需要串联电感：
[0048][0049]
逆时针方向移动，需要串联电容：
[0050][0051]
在导纳圆中，顺时针方向移动，需要并联电容：
[0052][0053]
逆时针方向移动，需要并联电感：
[0054]
[0055]
根据上述的阻抗匹配方法，可以将简化的非对称的t-coil结构通过串联匹配电感lr和并联匹配电容cr进行带宽和阻抗匹配的优化，所述匹配电感lr的第一端与所述信号输入端连接，所述匹配电感lr的第二端与带宽扩展电路连接，所述匹配电容cr的第一端与所述信号输入端连接，所述电容cr的第二端接地。终端电阻rd作为电路末端模块，使得信号到达传输线末端后不反射，避免信号的衰减。最终结构简化图如图5所示。
[0056]
综上，本发明所提出的一种具有带宽扩展和阻抗匹配功能的模拟前端终端电路能够大大增强带宽扩展能力并实现良好的阻抗匹配效果。
[0057]
本领域技术人员可以理解的是,除非另外定义,这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
[0058]
以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，应当指出，凡在本发明的技术原理和原则之内，所做的任何修改、改进和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。