专利名称：前端集成的无源式均衡器及其方法
技术领域：
本发明有关一种无源式均衡器，尤指一种集成于集成电路接收器前端中 的无源式均衡器。
背景技术：
许多信号接口标准皆为高速串行数据传输，如PCIExpress、 HDMI…等。 典型的串行数据传输系统包含有位于信号源端的传送器(Transmitter)。该传 送器产生信号(如电压、电流)来表示依据二阶信号机制的串行数据，其中， 高位阶以逻辑1来表示，而低位阶以逻辑0来表示。串行数据传输系统亦包 含有传输线，该传输线将信号由信号源端传输至目的端或接收器，其中，该 接收器接收被传送过来的信号外，亦检测嵌于被传送过来的信号中的串行数 据。该传输线可为电缆(cable)、印刷电路板(PCB)走线，或上述两者的结合。 一般而言，该传输线就如同一低通滤波器的效果，将使得信号中的高频部分 衰减地较低频部分多。因此，使得在信号传送的目的端的信号变形(失真)， 此外，除非在该接收器具有合适的均衡处理机制，不然，要对于串行数据进 行更正检测是十分困难的。对于信号中不同频率的部分，均衡处理机制会试 图均衡全部传输路径的增益。由于该传输路径与低通滤波器十分相似，因此， 接收器通常被用来作为高通滤波器以进行均衡处理。
近来的趋势显示，多数接收器的功能是被集成进一集成电路中。尤其是， 接收器电路通常包含有晶载(on-chip)均衡电路。已知晶载均衡电路通常使用 具有电感性负载的放大器或RC衰减(RC-degenerated)放大器。因为使用有源 电路的缘故，所以这样的均衡机制通常有相当大的功率消耗。有鉴于此，亟 需具有无源式均衡机制的接收器来应用于集成电路中。
发明内容
本发明目的之一，在于解决上述已知技术所遭遇的问题。 本发明目的之一，提供一种无源式均衡器，藉以减少功率消耗。本发明目的之一，提供一种无源式均衡器，利用集成电路(IC)中已存在 有IC接合垫及/或打线IC,以及考虑该IC接合垫为具有电容特性的构件及/
或打线的电感效应以设计出一个无源式均衡器。
本发明目的之一，提供一种无源式均衡器，该无源式均衡器除了具有均
衡信号的功能，尚具有其它功能。例如具有阻抗匹配的功能、或是移除信 号的直流成分、…等。本发明目的之一，提供一种无源式均衡器，该无源式 均衡器的部分元件是非实体元件(例如寄生电容)以达到节省元件，以及考 虑实际电路的功效。
本领域技术人员观看过本说明书内容或/及图式，可轻易理解出本发明的 其它的目的、特征、或功效。
本发明的一实施例揭露了一种无源式均衡器。该无源式均衡器包含第一 无源电路，包含有第一电阻，其中该第一电阻串联耦接于第一传输线与IC封 装(IC package)的第一接脚间，且该第一接脚经由第一打线耦接于IC晶粒(IC die)的第一接合垫；以及分流电路(shunt circui t)，耦接于该第一接合垫与 该接收器芯片的第一输入端；其中，该第一无源电路设置于该IC封装外，而 该分流电路设置于该IC晶粒上，该接收器芯片位于该IC晶粒内。
本发明的一实施例揭露了一种均衡方法，包含有下列步骤将源自第一 传输线的第一输入信号经由第一串联电阻电容电路传送至第一 IC封装接脚， 其中，该第一串联电阻电容电路位于一印刷电路板上，而该印刷电路板位于 一 IC封装外，其中，该第一 IC封装接脚经由第一打线耦接于第一 IC接合垫， 其中该第一 IC接合垫位于一 IC晶粒上；以及提供串联电阻电感网络，该串 联电阻电感网络耦接于该第一 IC接合垫，且耦接于该接收器芯片的第一接收 端，其中，该串联电阻电感网络形成于该接收器芯片上，该接收器芯片位于 该IC晶粒上；利用该第一串联电阻电容电路与该串联电阻电感网络以提供阻 抗匹配以及产生已均衡信号以输出至该接收器芯片的该第 一输入端。
本发明的一实施例揭露了一种无源均衡器。该无源均衡器包含串联电阻 电容电路对，电耦接于传输线对，且位于接收器芯片外的一集成电路封装(IC package),其中，该传输线对耦接于一集成电路封装的一接脚对；打线对， 耦接于该集成电路封装接脚对与位于集成电路晶粒(IC die)上的接合垫对， 其中，该集成电路晶粒位于该集成电路封装内；以及串联电阻电感网络，耦 接于该接合垫对间；其中，该串联电阻电感网络及该接收器芯片位于该集成电路晶粒上。
图1为高速通讯系统的一实施利的示意图。
图2为本发明的无源式均衡器的一实施例的架构示意图。
图3为图2的无源式均衡器的一实施例的转移特性曲线示意图。 图4为图2的无源式均衡器的一实施例的回波损耗曲线示意图。 图5为本发明用以均衡单端信号的无源式均衡器的一实施例的架构示意
100无源式均衡器
101接收器芯片
102接收器
103、 103a、 103b传输线
104马区动电3各
105接收器
110印刷电路板
111、 112串联电阻电容电路
120IC封装
121、 124接脚
122、 123打线
130IC晶粒
131、 132IC接合垫
133、 143并联电路
300、 302转移特性曲线
400、 402回波损耗曲线
d、 Cla、 Clb、电容
电感
Rl、 R2、 Rla、 Rlb、 R2a、 R2b电阻
VDD固定电位
VIN、 VIN+、 VIN—、 VOUT+、 VOUT-差动信号
7VE、 VE+、 VE- 均4軒差动信号 Z0 阻抗
具体实施例方式
说明书中所例示本发明的多个实施例，皆为本发明的较佳实施例，其目 的用于说明本发明可以许多方式来加以实施以及非用来限定本发明实施的范 围。换言之，本领域技术人员当可通过此些实施例的描述而得知本发明的细 节，故在此不再赘述。
图1为高速通讯系统的一实施例的示意图，该高速通讯系统包括有传送 装置(transmitter) 105与接收装置(receiver) 102,其中，该接收装置102 包^"无源式均:衡器(passive equalizer) 100以及才妄收器芯片(IC receiver chip) 101中。驱动电路104于信号源端(如传送装置105)输出差动信号 (VOUT+, VOUT-),其中该信号源端使用传输线103来与目的端(如接收装置 102)进行传输。传输线103可为电缆、PCB走线、电缆与PCB走线的结合或 其它任何媒介，其中，传输线103于需求频率范围内以非均等的均衡方式来 衰减该差动信号，如该差动信号高频部分有较高的损耗。无源式均衡器100, 位于目的端(如接收装置102),由传输线103接收经衰减后的该差动信号 (VIN+， VIN-)，并对传输线103的非均等衰减(或频率失真)进行补偿，以产 生均衡差动信号(VE+， VE-)给接收器芯片101。
于一配置中，一 IC晶粒(die)中包含有接收器芯片101，无源式均衡器 100包括有集成于该IC晶粒中的无源元件(如分布网络(distributed network)元件)及置于一印刷电路板PCB上而非置于接收器芯片101内的其它 无源元件(如 一些单独的无源元件(discrete parts))来建构接收装置102。 接收器芯片101外的其它无源元件通过IC封装接脚(IC package pins)、打 线(bondwire)及IC接合垫(pad)连接该IC晶粒(die)中的该些无源元件。一 实施例中，IC接合垫为具有电容特性的构件(如0. 2pF~lpF)，会使得高频 效能受到强烈地抑制。打线为具有电感特性的构件(如lnH 10nH)，能改善 高频效能。于此配置中，无源式均衡器IOO通过IC接合垫的电容效应以及打 线的电感效应以达到改善了高频性能。此外，无源式均衡器100同时对传输 线103提供交流耦合(AC co叩ling)及阻抗匹配的功效。
请参阅「图2」，其为本发明的接收装置102的无源式均衡器100的一实施例的架构示意图，无源式均衡器100用以均衡来自该传输线103的输入差 动信号。该无源式均衡器(或称该接收装置102的前端电路)包含有位于印刷 电路板(PCB)llO的一部分、位于一IC封装(IC package) 120的一部分，及位 于IC晶粒(IC die)130的一部分。举一实施例来说(非实施的必要条件)，位 于印刷电路板110的部分包含有两串联电阻电容电路(series RC circuit)lll、 112。其中，该串联电阻电容电路111、 112的电容效应可利用 电路或元件中的寄生电容来实现，故不一定须有一个真实的电容元件。位于 IC封装120的部分包含有两接脚(IC package pin) 121、 124及两打线(bond wire)122、 123。位于IC晶粒130的部分包含有两IC接合垫(IC pad)131、 132及分流电路(shunt circuit) 133。
于一实施例中，串联电阻电容电路lll、 112电耦接于传输线103与两接 脚121、 124间。举例来说，串联电阻电容电路111包含有电容Cla及电阻 Rla串联于传输线103a与接脚124间，而串联电阻电容电路112包含有电容 Clb及电阻Rlb串联于传输线103b与接脚121间。传输线103a、 103b被用 以提供差动电压信号，其中，该差动电压信号包含有正端(VIN+)及负端 (VIN-)。
在本实施例中，电容Cla、 Clb用来阻隔该差动电压信号中的直流(DC) 部分。在本实施例中，此直流部分并不具有可用的信息，因此，此直流部分 是被电容Cla、 Clb移除是可被接受的。原因为该差动电压信号中的直流部分 可能与接收器芯片101中的电压范围不一致(或不兼容)，因此，该差动电压 信号中的直流部分可被移除。电阻Rla、 Rlb与分流电路133—起运作用以提 供一合乎需求的均衡位阶及用以匹配其阻抗。电阻Ma、 Rlb可用以-欽调该接 收装置102的输入阻抗，以匹配传输线103的特性阻抗Z0。于一实施例中， 电阻Rla、 Rlb为可变的，是受到一控制信号的控制而调整的。串联电阻电容
于印刷电路板上的分离的元件。
打线122、 123电耦接于接脚121、 124与IC接合垫131、 132之间。分 流电路133有许多实施态样以及相关工作原理，为本领域技术人员所可轻易 知悉，故省略说明其工作原理。在此，仅以一常见的实施态样为串联电阻电 感网络，是耦接于IC接合垫131、 132间。该均衡差动信号(VE+， VE-)经由 IC接合垫131、 132而传送给接收器芯片101的差动输入端。 一实施方式，该串联电阻电感网络与接收器芯片101被制造在同一颗晶粒130上。
于一实施例中，分流电路133可以是串行电阻电感网络(series R-L network) 133包含有两可调性(tunable)电阻R2a、 R2b及(center-rapped)电 感L。举数个实施态样来说，电感L为(center-rapped)中央抽头的电感或由 二个电感单元组成。举例来说，可调性电阻R2a耦接于IC接合垫131与该电 感L的第一端间，可调性电阻R2b耦接于IC接合垫132与该电感L的第二端 间。该电感L的中央抽头(center-tap)耦接位于晶粒130中的节点(node)， 其中，该节点具有固定电位，如VDD或其它本质上等同于固定电位的供给 电压。
该均衡差动信号(VE+， VE-)流经该IC接合垫131、 132会看到分流阻抗， 其中，该分流阻抗包含有可调性电阻R2a、 R2b及电感L。最后，该均衡差动 信号(VE+， VE-)被传送至芯片上的接收器芯片101 (on-chip receiver)的差 动输入端。接收器芯片101的差动输入端具有大于该分流阻抗的输入阻抗。 因此，串行电阻电感网络133具有高通响应并施行均衡处理，其中该均衡处 理的均衡级数(equalization degree)主要由串行电阻电感网络133的时间常 数(time constant)所控制。于一实施例中，可调性电阻R2a、 R2b的电阻值 本质上皆等于电阻值Re。若电感L的电感值为Le，则串行电阻电感网络133 的时间常数t约为Le/ (2Re)。
较大的时间常数t将使得该均衡差动信号(VE+, VE-)中的高频成分有较 高的相对促进(relative boost)。因此，均4軒级数可通过时间常数t的调整 来控制。举例来说，可增大时间常数t以增加均衡级数以应因该高频部分在 该传输线103或IC封装中的至少其一的衰减增加，。于是，可通过调整可调 性电阻R2a、R2b或电感L中的至少其一来调整时间常数t 。 一较佳实施例(非 实施的必要条件)，电感L的电感值大于或等于打线122、 123的电感值，如 3-5倍大。于一实施例中(非实施的必要条件)，当可调性电阻R2a、 Mb被 调整以改变无源式均衡器100的均衡级数时，电感L的电感值就维持不变， 此外，可调性电阻R2a、 R2b的调整方式为本领域技术人员所悉知，故于此不 再另述。
如上所述，无源式均衡器100可使得接收装置102的输入阻抗与传输线 103的特性阻抗相匹配。于一实施例中，可调整该电阻Rla的电阻值以^使得 电阻Rla与可调性电阻R2a组合后的电阻值约为传输线103a的单端特性阻
10抗。同样地，可调整该电阻Rib的电阻值以使得电阻Rib与可调性电阻R2b 组合后的电阻值约为传输线103b的单端特性阻抗。因此，无源式均衡器IOO 利用外部电阻(如电阻Rla、 Rlb)与晶载电阻(on-chip resistor)(如可 调性电阻R2a、 R2b)组合后的电阻来提供各个不同均衡位阶的阻抗匹配。
一实施例中，应用本发明的高速通讯系统的串行数据传输率可高达每秒 十亿万至每秒百4乙万^f立之间(1-10 Giga Bits Per Second)。
请参阅「图3」，其为r图2」的无源式均衡器100的转移特性示意图(波 形图)，用以显示无源式均#]^器100中的两组不同电阻的不同位阶。而「图4 j 为r图2」的无源式均衡器100的回波损耗(return loss)曲线示意图，其具 有与「图3」中相同的阻抗匹配。于此电路仿真中，传输线103的单端特性 阻抗Z0约为50欧姆，打线电感约为2， 5nH，接合垫的电容约为0. 25pF,而 电感L约为20nH。
请再参阅「图3j，其中线条300表示无源式均衡器100相对于第一组电 阻值(如Rla=Rlb=0Q， R2a=R2b=50n)的转移特性曲线，而线条302表示无 源式均衡器100相对于第二组电阻值(如Rla=Rlb=10Q， R2a=R2b=40Q)的 转移特性曲线。由于第二组电阻值的时间常数为较大，故其均衡阶层数量亦 会来得较多。举例来说，于有兴趣的高频(即2GHz)的直流部分时，第二组电 阻值提供约6dB的提高(boost),第一组电阻值则提供约4dB的提高(boost)。
请再参阅「图4」，其中线条400表示无源式均衡器100相对于第一组电 阻值的回波损耗，而线条402表示无源式均衡器100相对于第二组电阻值的 回波损耗。对于绝大部分的频率而言(包含2GHz)，回波损耗大致都相同。因 此，无源式均衡器100中的第一组电阻与二组电阻，其阻抗匹配大致相同。 换言之，对于不同均衡位阶上的阻抗匹配，外部电阻(如Rla、 Rlb)可用以 协助维持无源式均衡器100的效能。
在不脱离本发明精神的情况下，可以许多方式来实现本发明，例如，无 源式均衡器100并不仅限于差动信号机制。请参阅r图5」，其为本发明用以 均衡一单端信号(VIN)的无源式均衡器100的一实施例的架构示意图。与r图 2j雷同，「图5」中所示的无源式均衡器100分布于印刷电路板110、 IC封 装120及IC晶粒130上。举例来说，外部无源电路lll包含串联耦接于电阻 R1的直流阻隔(DC blocking)电容Cl,其中，外部无源电路111位于印刷电 路板110中。此外，传输线103经由外部无源电路111连接位于IC封装内的IC接脚124，而IC接脚124经由打线122连接位于IC晶粒130内的IC接合 垫131。分流电路143与接收器芯片101并联耦接，且其皆被制造在IC晶粒 130中。
于一实施例中，分流电路143包含有电感L，其中，可变电阻R2耦接于 IC接合垫131,电感L耦接于与一定电压(如VDD或AC接地)与可变电阻R2。 而且，电阻R1与可变电阻R2被用来提供阻抗匹配。电感L与可变电阻R2构 成分流电路143的时间常数。于一频率范围内(亦即均衡级数)，可通过调整 可变电阻R2来改变无源式均衡器100的增益差(gain difference)。对于不 同的均衡级数，电阻R1可被调整以提供所需的阻抗匹配。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均 等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围，例如在电路的性能已符合要求 下，该些可调式的元件，可直接由固定式的元件取代。
权利要求
1. 一种无源式均衡器，应用于接收器芯片，包含有第一无源电路，包含有第一电阻，其中该第一电阻串联耦接于第一传输线与IC封装的第一接脚间，且该第一接脚经由第一打线耦接于IC晶粒的第一接合垫；以及分流电路，耦接于该第一接合垫与该接收器芯片的第一输入端；其中，该第一无源电路设置于该IC封装外，而该分流电路设置于该IC晶粒上，该接收器芯片位于该IC晶粒内。
2. 根据权利要求1所述的无源式均衡器，还包含有 第二无源电路，包含有第二电阻，其中该第二电阻串联耦接于第二传输线与该IC封装的第二接脚间，且该第二接脚经由第二打线耦接于该IC晶粒 的第二接合垫，而该第二接合垫耦接于该接收器芯片的第二输入端；其中， 该第二无源电路设置于该IC封装外，且该分流电路耦接于该第一接合垫与该 第二接合垫间。
3. 根据权利要求1或2所述的无源式均衡器，其中该第一传输线用以传 送信号，且该信号包括串行数据，该串行数据的传输率介于每秒十亿万至每 秒百亿万位。
4. 根据权利要求1或2所述的无源式均衡器，其中该第一无源电路还包 含第一电容，且该第一电容耦接于该第一传输线与该第一电阻间。
5. 根据权利要求1或2所述的无源式均衡器，其中该接收器芯片的该第 一输入端具有输入阻抗，且该输入阻抗为该分流电路的分流阻抗的至少三倍 大。
6. 根据权利要求1或2所述的无源式均衡器，其中，该分流电路包含有 串联电阻电感网络。
7. 根据权利要求6所述的无源式均衡器，其中该串联电阻电感网络的可 变电阻与该第 一 电阻的阻抗和与该传输线的特性阻抗相匹配。
8. 根据权利要求2所述的无源式均衡器，其中，当输入差动信号经由该 第一传输线传送时，均衡差动信号则被传送至该接收器芯片中的该第一与该 第二输入端。
9. 根据权利要求6所述的无源式均衡器，其中该串联电阻电感网络包含有电感以及第三电阻。其中该第三电阻为可变的，用以调整该无源式均衡器 的增益差值。
10. —种均衡方法，用来均衡信号，该方法包含有下列步骤将源自第 一 传输线的第 一 输入信号经由第 一 串联电阻电容电路传送至第 一IC封装接脚，其中，该第一串联电阻电容电路位于印刷电路板上，而该印 刷电路板位于IC封装外，其中，该第一 IC封装接脚经由第一打线耦接于第 一IC接合垫，其中该第一 IC接合垫位于IC晶粒上；以及提供串联电阻电感网络，该串联电阻电感网络耦接于该第一 IC接合垫， 且耦接于该接收器芯片的第一接收端，其中，该串联电阻电感网络形成于该 接收器芯片上，该接收器芯片位于该IC晶粒上；利用该第一串联电阻电容电路与该串联电阻电感网络以提供阻抗匹配以 及产生已均衡信号以输出至该接收器芯片的该第 一输入端。
11. 根据权利要求IO所述的方法，其中该第一串联电阻电容电路包含有 串联耦接于微调阻抗匹配电阻的交流耦合电容。
12. 根据权利要求IO所述的方法，其中该串联电阻电感网络包含有可调 电阻及电感。
13. 根据权利要求IO所述的方法，还包含有经由第二串联电阻电容电路来将源自第二传输线的第二输入输入信号传 送至第二 IC封装接脚，其中该第二串联电阻电容电路位于该印刷电路板上；经由第二打线耦接该第二 IC封装接脚至第二 IC接合垫，其中该第二 IC 接合垫位于该IC晶粒上，其中，该第一 IC接合垫与该第二 IC接合垫耦接该 串联电阻电感网络，其中，该第二 IC接合垫耦接于该接收器芯片的第二输入 端。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中该串联电阻电感网络包含有电感、 第 一可调电阻及第二可调电阻。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中，该电感的电感值为打线电感的 3至5倍大。
16. 根据权利要求14所述的方法，其中，该串联电阻电感网络包含有电 感以及第三电阻。其中该第三电阻为可变的，用以调整该无源式均衡器的增 益差值。
17. —种无源均衡器，包含有串联电阻电容电路对，电耦接于传输线对，且位于接收器芯片外的一集成电路封装，其中，该传输线对耦接于一集成电路封装的一接脚对；打线对，耦接于该集成电路封装接脚对与位于集成电路晶粒上的接合垫对，其中，该集成电路晶粒位于该集成电路封装内；以及 串联电阻电感网络，耦接于该接合垫对间；其中，该串联电阻电感网络及该接收器芯片位于该集成电路晶粒上。
18. 根据权利要求17所述的无源均衡器，其中该串联电阻电容电路对中 的每一串联电阻电容电路包含有具有电容值大小为lnF luF的电容，其中， 该电容串联耦接该传输线对中的其一与该集成电路封装接脚对中的其一之 间。
19. 根据权利要求17所述的无源均衡器，其中该串联电阻电感网络包含 有电感及可调电阻对，而该可调电阻用以控制该接收器芯片的均衡级数。
20. 根据权利要求19所述的无源均衡器，其中该电感具有等于或大于该 打线对中的其一所具有的电感值。
全文摘要
一种无源式均衡电路，位于接收器电路的前端，采用多个无源元件，其中，该些无源元件分散于集成电路(IC)封装的内外。该无源式均衡电路具有位于芯片外的元件及位于芯片上的元件，其中，位于芯片外的元件是位于印刷电路板上，而位于芯片上的元件是位于集成电路晶粒上。位于芯片上的元件包含有至少一可变电阻及至少一电阻。该至少一可变电阻用以控制均衡级数，而该至少一电阻用以调整该接收器电路的输入阻抗匹配。
文档编号H04L25/03GK101510544SQ20091000637
公开日2009年8月19日 申请日期2009年2月16日 优先权日2008年2月15日
发明者周格至, 林嘉亮 申请人:瑞昱半导体股份有限公司