一种集成了直流隔离的IC及其应用
阅读：644发布：2023-12-29
专利汇可以提供一种集成了直流隔离的IC及其应用专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种集成了直流隔离的集成 电路 IC及其应用，能够将小电容集成到用于光通信的宽带IC内部的输入端并简化阻抗匹配。该IC内部的输入端集成了输入阻抗、集成式直流隔离电容、有源器件、以及偏置 电阻 ；其中，所述输入阻抗的一端接地，另一端与IC外部的直流输入和集成式直流隔离电容的前端连接；所述集成式直流隔离电容的的后端与有源器件的栅极连接；所述偏置电阻一端接地，另一端连接在集成式直流隔离电容的后端与有源器件之间；所述有源器件作为IC的第一级输入与IC内部的输入端之外的电路其他部分连接。，下面是一种集成了直流隔离的IC及其应用专利的具体信息内容。
1.一种集成了直流隔离的集成电路IC，其特征在于，所述IC 内部的输入端集成了输入阻抗、集成式直流隔离电容、有源器件、以及偏置电阻；
其中，所述有源器件为高阻抗有源器件；所述输入阻抗的一端接地，另一端与IC 外部的直流输入和集成式直流隔离电容的前端连接；所述集成式直流隔离电容的后端与有源器件的栅极连接；所述偏置电阻一端接地，另一端连接在集成式直流隔离电容的后端与有源器件之间；所述有源器件作为IC 的第一级输入与IC 内部的输入端之外的电路其他部分连接；
所述有源器件包括场效应晶体管；所述偏置电阻的值为千欧姆至兆欧姆级别；所述集成式直流隔离电容的值为皮法级别；
所述输入阻抗的直流值通过所述IC外部的直流输入来设定，且所述输入阻抗不为所述IC 提供直流偏置，也不与任何直流电压绑定。
2.根据权利要求1所述的IC，其特征在于，所述IC 工作在KHz到GHz的范围。
3.一种100G、200G、或400G 的调制驱动器芯片，包括根据权利要求1至2中任一项所述的IC。
4.一种CFP、CFP2、CFP4、QSFP28、QSFPDD、或OSFP 封装形式的光通信模块，包括根据权利要求3 所述的调制驱动器芯片。
5.一种100Gbs 的时钟数据恢复芯片，包括根据权利要求1至2中任一项所述的IC。
6.一种CFP、CFP2、CFP4、或QSFP28 封装形式的光通信模块，包括根据权利要求5所述的时钟数据恢复芯片。
一种集成了直流隔离的IC及其应用
技术领域
背景技术
[0002] 一个集成电路IC的输出端生成的直流电压通常与另一个IC输入的直流电平不匹配，并且当IC级联时需要使用宽带直流隔离。连接在一起的两个IC(参见图1中的IC1和IC2)之间具有独立的直流电压。两个IC的直流电压的解耦合通常通过使用宽带电容(取决于应用，这些电容的典型值从10nF到1uF)来实现。所述电容值越高，由于该电容引入的截止频率越低。这些电容增加了该种实现的尺寸和成本。并且，它们还增加了两个IC之间互连的损耗(插入损耗以及反射损耗)。
[0003] 光系统中的许多应用使用差分输入并具有4个或更多通道(例如，通过4 个25Gb/s通道来获取100Gb/s)。这意味着需要在电路板上使用8个(相对于4 个差分通道)或更多直流隔离电容器来将这些IC连接在一起，其增加了成本并占用电路板的空间。此问题在工作频率高达GHz级别时会被进一步放大，因为在这些频率下电容的插入损耗会变得显著。
[0004] 在现今的多数宽带应用中，尤其是光通信相关的应用中，需要匹配阻抗(通常单端为50欧姆，或差分为100欧姆)来减少反射损耗，值为10nF或更大的宽带电容被用于覆盖工作频率范围。通常，工作频率的下限截止频率要求在kHz 级别而上限截止频率取决于应用可能高达50GHz。取决于电容值，用于直流隔离的宽带电容的尺寸约为1×0.5mm或更大。这些电容通常设置在印刷电路板 PCB上来连接两个IC并增加了该种实施的尺寸和成本。
[0005] 随着光通信市场中产品封装的物理尺寸和形状的不断缩小(例如，用于 100Gbs应用的封装由CFP变为了QSFP28)，将IC的尺寸以及将IC相互连接在一起所需要的组件的尺寸缩小的需求更大。然而，上述现有技术中的连接方式无法满足这样的要求。
发明内容
[0006] 本发明的目的之一至少在于，针对如何克服上述现有技术存在的问题，提供一种集成了直流隔离的IC及其应用，能够将小电容集成到用于光通信的宽带 IC内部的输入端并简化阻抗匹配，这些IC通常工作在KHz到GHz的范围。用于实现本发明的电路包括以下各方面。
[0007] 一种集成了直流隔离的集成电路IC，其内部的输入端集成了输入阻抗、集成式直流隔离电容、有源器件、以及偏置电阻；
[0008] 其中，所述输入阻抗的一端接地，另一端与IC外部的直流输入和集成式直流隔离电容的前端连接；所述集成式直流隔离电容的的后端与有源器件的栅极连接；所述偏置电阻一端接地，另一端连接在集成式直流隔离电容的后端与有源器件之间；所述有源器件作为IC的第一级输入与IC内部的输入端之外的电路其他部分连接。
[0009] 优选的，所述输入阻抗的直流值通过所述IC外部的直流输入来设定，且所述输入阻抗不为所述IC提供直流偏置，也不与任何直流电压绑定。
[0010] 优选的，所述偏置电阻的值为千欧姆至兆欧姆级别。
[0011] 优选的，所述集成式直流隔离电容的值为皮法级别。
[0012] 优选的，所述有源器件为场效应晶体管。
[0013] 优选的，所述IC工作在KHz到GHz的范围。
[0015] 一种CFP、CFP2、CFP4、QSFP28、QSFPDD、或OSFP封装形式的光通信模块，包括上述的调制驱动器芯片。
[0016] 一种100Gbs的时钟数据恢复芯片，包括上述的IC。
[0017] 一种CFP、CFP2、CFP4、或QSFP28封装形式的光通信模块，包括上述的时钟数据恢复芯片。
[0018] 综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：
[0019] 本发明通过将可以容易地集成到IC中的皮法级的小电容集成到宽带IC中的输入端，并使用阻抗非常高的电阻来设置直流偏置。所设计的宽带IC能够应用在如光通信这样工作带宽从kHz至数十GHz的宽带应用中，同时将期望的阻抗匹配维持在kHz至GHz的范围内。本发明消除了对设置在PCB上的外部宽带电容的需求，并将直流隔离功能集成在了IC中。并且，其通过IC中的产生的实际直流偏置的一部分将阻抗匹配解耦合。本发明允许IC之间的阻抗为任何期望的值(通常使用的为差分100欧姆或者单端50欧姆)，并且使得阻抗匹配相对简单，因为宽带匹配电阻没有绑定在IC的偏置产生或者直流电路中。附图说明
[0021] 图2A和2B分别是图1中IC2的单端和差分输入端细节示意图。
[0022] 图3A和3B分别是根据本发明实施例的集成了直流隔离的IC应用于单端和差分连接的示意图。
具体实施方式
[0023] 下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，以使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0024] 图1示出了典型的两个宽带IC之间的接口，其保持阻抗匹配并允许所述IC 具有不同的直流电平(示出为DC1和DC2)。R22代表IC1输出端的宽带阻抗， R11为IC2输入端的宽带阻抗。Z1为连接这两个IC的传输线的阻抗。为了使反射最小，R11、Z1和R22应尽可能紧密地匹配。Cblock为这两个IC之间的直流隔离电容。Cblock的值决定了下限截至频率。在100Gbs光应用中，期望的截至频率通常为100-500Khz且此电容Cblock的值为10nF或更高。
[0025] 现有技术中连接两个IC的直流隔离电容没有集成在IC内部的主要原因在于需要大数值的电容(>10nF)，将这样的大的电容集成到IC内部并不现实。根据本发明实施例的IC将宽带阻抗匹配集成在IC中的输入端，并在IC内实施的宽带直流隔离。
[0026] 其中，宽带阻抗匹配是指一个IC的输入(差分或单端)与前一IC的输出匹配。
[0027] 在毫米波频率下，此种阻抗通常为差分100欧姆或者单端50欧姆，但是阻抗可以为要求的任何值并且本发明允许该值被非常容易地选取。此参数通常使用S参数(散射参数)来衡量。为了避免连接两个IC导致的反射损失和性能下降，需要进行阻抗匹配。
[0028] 现今使用的多数宽带IC中，输入阻抗是输入端的直流的一部分或者偏置产生电路。如图2所示，这通常使宽带匹配更为困难，因为偏置产生电路增加了寄生阻抗，尤其是在高频率下。图2更详细地示出了图1中IC2的输入端。通过增加产生用于输入有源器件(例如，场效应晶体管)的直流偏置，R11的宽带阻抗匹配通常很复杂。偏置产生电路BIAS增加了输入端的寄生电容或电感，并会降低阻抗匹配(S11或Sd11)。
[0029] 图3示出了根据本发明实施例的集成了直流隔离的IC2的输入端部分电路示意图。
[0030] 在图3A 的单端示例和图3B 的差分示例中，IC2内部的输入端集成了输入阻抗R11、集成式直流隔离电容Cintegrated、有源器件(例如，场效应晶体管T1)、以及偏置电阻RDC；其中，输入阻抗R11的一端接地，另一端与IC2外部的直流输入DC1和集成式直流隔离电容Cintegrated的前端连接；电容Cintegrated的后端与晶体管T1的栅极连接；偏置电阻RDC一端接地，另一端连接在集成式直流隔离电容Cintegrated的后端与晶体管T1的栅极之间；晶体管T1的其他端子与IC2的其他功能电路连接。
[0031] 由于输入阻抗R11不提供任何直流偏置到IC2且不与任何直流电压绑定，R11的直流值将通过IC1的直流输出DC1来确定。集成式直流隔离电容Cintegrated集成在IC2中并且此电容Cintegrated的值取决于由晶体管T1提供的输入阻抗Zin。在低频工作下的Zin越高，Cintegrated的值能够越低。
[0032] 将此电容集成的关键是将Zin保持为高阻抗节点，并通过非常大(千欧姆至兆欧姆级别)的偏置电阻RDC来提供偏置。如果R11(通常在50欧姆级别)没有解耦合并产生了部分直流偏置，下限截至频率将会非常高，因为RDC将会接近50欧姆。由于本发明将直流隔离电容设置输入阻抗R11之后，实现了R11与 IC2中直流的解耦合，因此可以通过较大偏置电阻RDC和有源器件来提供较大的输入阻抗阻抗Zin，从而降低直流隔离电容的值(例如皮法级别)，使得能够容易地将直流隔离电容集成在IC中而不需要额外地增加IC的体积。
[0033] 如图3所示，本发明将直流隔离电容集成在IC2内部，能够在IC内实施的宽带直流隔离。关键挑战在于维持IC的性能，即维持阻抗匹配和频率增益响应 (通常使用S参数来衡量)，因为直流隔离电容会同时影响设备频率响应的上限截至频率和下限截至频率。
[0034] 图1所示的电容Cblock任一边的阻抗通常为50欧姆(属于非常低的阻抗)，该电容在最低的期望频率下需要具有非常低的阻抗(阻抗＝1/(2π*fl*C))，其中， C为电容值，fl为在阻抗测量处的最低频率。用于100Gbs光通信电路的下工作频率通常约为100kHz，所使用的电容值通常为10nF至100nF。在IC中实现如此大的电容并不现实并且不具有成本效益。本发明通过解耦合阻抗匹配并在电路中生成直流偏置解决了此问题。如图3所示，阻抗匹配设置在了IC2内部电路的输入端，且不施加直流电压到电路的输入端。较小值的直流隔离电容Cintegrated设置在与IC2外部输入匹配的阻抗R11之后。电容Cintegrated需要设置为足够小以免从尺寸的角度增加IC的成本。这意味着该电容值需要在pF级别以便实施在 IC中而不增加额外的区域。所设置的电容的值取决于IC的第一级输入(图3所示为将T1作为IC2的第一级输入的输入端)提供的输入阻抗(图3中示为Zin)。在最低的期望工作频率下，所输入的阻抗越高，Cintegrated的值越低。最高的输入阻抗可以通过场效应晶体管(FET)设备提供，因为其输入端通常具有极低或没有直流电流。任何能够提供高阻抗的设备均可以被应用，且本发明并不局限于仅使用FET。
[0035] 为了维持高输入阻抗，此输入晶体管的偏置可以通过使用非常大的偏置电阻RDC(k欧姆至M欧姆范围)来提供。此电阻的值越低，最低截至频率也越低，因为此晶体管的阻抗平行于Zin(该晶体管的输入阻抗)。
[0036] 上述根据本发明实施例的集成了直流隔离的IC可以通过小外形封装SOP、插针网格阵列封装PGA、球栅阵列封装BGA、双列直插式封装DIP等形式封装应用在100G、200G、或400G的调制驱动器芯片中，并应用在CFP、CFP2、CFP4、 QSFP28、QSFPDD、或OSFP封装形式的光通信模块中。所述调制驱动芯片包括直接调制驱动、电吸收调制驱动、马赫-曾德尔调制(Mach-Zehnder Modulator) 驱动等调制驱动芯片。
[0037] 上述根据本发明实施例的集成了直流隔离的IC还可以应用在100Gbs的时钟数据恢复芯片中，并用于CFP、CFP2、CFP4、或QSFP28封装形式的光通信模块中。
[0038] 以上所述，仅为本发明具体实施方式的详细说明，而非对本发明的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。
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