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1、10申请公布号CN104205626A43申请公布日20141210CN104205626A21申请号201280071871122申请日20120425H03F1/08200601H03F3/0820060171申请人惠普发展公司，有限责任合伙企业地址美国德克萨斯州72发明人周大成丹尼尔A贝尔克拉姆74专利代理机构北京德琦知识产权代理有限公司11018代理人于会玲康泉54发明名称具有可编程输入阻抗的开路增益互阻抗放大器57摘要在至少一些示例中，通信设备包括将光信号转换为电流的光电二极管和放大电流的开路增益互阻抗放大器。通信设备还包括在光电二极管和开路增益互阻抗放大器之间的传输线。开路增益互阻。
2、抗放大器包含已经匹配至传输线的阻抗的可编程输入阻抗。85PCT国际申请进入国家阶段日2014092686PCT国际申请的申请数据PCT/US2012/0350092012042587PCT国际申请的公布数据WO2013/162552EN2013103151INTCL权利要求书2页说明书6页附图6页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书6页附图6页10申请公布号CN104205626ACN104205626A1/2页21一种通信设备，包括光电二极管，用于将光信号转换为电流；开路增益互阻抗放大器，用于将所述电流转换为电压；以及传输线，位于所述光电二极管和所述开路增益互。
3、阻抗放大器之间，其中所述开路增益互阻抗放大器包含已经匹配至所述传输线的阻抗的可编程输入阻抗。2根据权利要求1所述的通信设备，其中所述可编程输入阻抗基于至可变电阻器的控制信号而被调节，并且其中所述控制信号基于所述开路增益互阻抗放大器的输出信号的分析。3根据权利要求1所述的通信设备，其中所述开路增益互阻抗放大器包含四个放大级。4根据权利要求1所述的通信设备，其中所述开路增益互阻抗放大器包含跟随有两个共源放大级的共栅放大级。5根据权利要求1所述的通信设备，其中所述开路增益互阻抗放大器的末级提供针对所述开路增益互阻抗放大器的共模信号和输出信号的电平位移。6根据权利要求5所述的通信设备，其中所述开路增益。
4、互阻抗放大器包含低通滤波器，用于将所述共模信号馈送至所述开路增益互阻抗放大器的第一放大级，并且其中针对所述开路增益互阻抗放大器的输出信号而省略低通滤波。7根据权利要求1所述的通信设备，其中所述开路增益互阻抗放大器是与所述光电二极管和所述传输线分隔开的集成电路的一部分。8一种用于开路增益互阻抗放大器的方法，包含经由传输线从光电二极管接收电流；以及基于所述开路增益互阻抗放大器的可编程输入阻抗而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，其中所述开路增益互阻抗放大器是与所述光电二极管和所述传输线分隔开的集成电路的一部分。9根据权利要求8所述的方法，进一步包含基于至可变电。
5、阻器的控制信号来调节所述可编程输入阻抗，其中所述控制信号根据所述开路增益互阻抗放大器的输出信号的信号质量分析而被设定。10根据权利要求8所述的方法，其中将所述电流转换为电压包含操作跟随有两个共源放大级的共栅放大级。11根据权利要求8所述的方法，其中将所述电流转换为电压包含针对所述开路增益互阻抗放大器的共模信号和输出信号在放大的末级进行电平位移。12根据权利要求11所述的方法，其中将所述电流转换为电压包含对反馈至共栅放大级的偏置电压的所述共模信号进行低通滤波，并省略用于所述开路增益互阻抗放大器的输出信号的低通滤波。13一种集成电路芯片，包含开路增益互阻抗放大器，具有已经被调节为匹配所述集成电路芯。
6、片外部的光电二极管权利要求书CN104205626A2/2页3输出传输线的阻抗的可编程输入阻抗。14根据权利要求13所述的集成电路芯片，其中所述可编程输入阻抗具有范围覆盖传输线阻抗的变化的预定的最小值和预定的最大值。15根据权利要求13所述的集成电路芯片，其中所述开路增益互阻抗放大器包含跟随有两个共源放大级的共栅放大级，并且其中所述开路增益互阻抗放大器的末级提供针对所述开路增益互阻抗放大器的共模信号和输出信号的电平位移，并且其中所述开路增益互阻抗放大器包含将所述共模信号馈送至所述开路增益互阻抗放大器的第一放大级的偏置电压的低通滤波器，并且其中针对所述开路增益互阻抗放大器的输出信号而省略低通滤波。
7、。权利要求书CN104205626A1/6页4具有可编程输入阻抗的开路增益互阻抗放大器背景技术0001对于光通信，来自光纤的输入光脉冲通过光电二极管被接收并转换为电流。然后，可以采用互阻抗放大器TIA将输入电流转换为电压输出。因为由光电二极管输出的电流非常小例如，大约20A，所以TIA被放置在光电二极管旁边。附图说明0002为了详细描述说明性的公开的示例，现在将参考附图，其中0003图1示出根据本公开的示例的通信设备；0004图2示出根据本公开的示例的通信设备部件的布置；0005图3示出根据本公开的示例的可编程互阻抗放大器PTIA的结构；0006图4示出根据本公开的示例的开路增益PTIA的输出。
8、信号；0007图5示出对应于根据本公开的示例的图4的输出信号的眼图；0008图6示出根据本公开的示例的图5的眼图的分析；0009图7示出根据本公开的示例的计算机系统；以及0010图8示出根据本公开的示例的方法。具体实施方式0011符号和术语0012贯穿以下描述和权利要求而使用的某些术语表示特定的系统部件。本领域技术人员会意识到，计算机公司可以用不同名字来指部件。本文件不致力于区分名字不同但功能相同的部件。在以下的讨论和权利要求中，以开放的形式使用词语“包括”和“包含”，并且因此“包含”和“包括”应当被解释为“包括，但不限于”。同样，词语“联接”或“连接”意在指间接、直接、光学或无线电连接。因此。
9、，如果第一设备联接至第二设备，那么该连接可以是通过直接电连接、通过经由其他设备和连接的间接电连接、通过光学电连接或通过无线电连接。0013由于不完善的集成电路制造工艺，所以不管多么努力设计针对特定的输入阻抗，互阻抗放大器TIA的输入阻抗还是会变化。同样，由于传输线的材料/设计的变化和不完善，传输线阻抗可能变化。如果TIA输入阻抗不匹配传输线阻抗，则输入信号会由于反射噪声而失真。在光通信应用中，来自光电二极管的输出电流非常小例如，20A至70A，并且任意的信号失真使得难于或不可能重新捕获数据。公开的示例没有将TIA放置为接近于光电二极管以避免来自光电二极管的非常小的电流输出的信号失真，而是使用具。
10、有被调节为匹配传输线阻抗的可编程输入阻抗的TIA。另外，在一些示例中，可以使用MOSFET晶体管，而不使用双极设备。0014这里，具有可编程输入阻抗的TIA被称作可编程TIAPTIA。在至少一些公开的示例中，开路增益PTIA是接收光信号并处理对应的电信号的通信设备的一部分。在通信设备中，光电二极管将光信号转换为电流。来自光电二极管的电流由开路增益PTIA经由传输线说明书CN104205626A2/6页5而接收。光电二极管和开路增益PTIA之间的传输线起因于例如与光电二极管分隔开的集成电流IC芯片上的开路增益PTIA。在一些示例中，开路增益PTIA被实施在具有其他接收器部件的IC芯片上以减少接收。
11、器的总成本、功率和延迟要求。使用由传输线而与光电二极管分隔开的开路增益PTIA，传输线的阻抗和其他噪声耦合问题需要被解决。提出的开路增益PTIA通过调节开路增益PTIA输入阻抗以匹配传输线的阻抗而解决了由于不匹配的传输线阻抗和开路增益PTIA输入阻抗所产生的信号反射问题。调节开路增益PTIA的输入阻抗可以通过后硅校准在具有开路增益PTIA的芯片被安装在客户通信设备中之前或通过系统编程在具有开路增益PTIA的芯片被安装在客户通信设备中之后而发生。在任何情况下，调节可以基于开路增益PTIA的输出信号的分析。公开的PTIA示例取代将TIA放置于光电二极管旁边的现有技术，以避免来自光电二极管的非常小的。
12、电流输出的信号失真。0015图1示出根据本公开的示例的通信设备100。通信设备100对应于光通信网络的端节点数据接收器或路由设备。如图所示，通信设备100包括光电二极管102，其接收光信号并输出对应的电流。电流经由有损传输线104具有阻抗Z0传播至开路增益PTIA106。开路增益PTIA106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。如这里所公开，开路增益PTIA106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，开路增益PTIA106的输入阻抗基于至可变电阻器的控制信号而被调节。控制信号基于开路增益PTIA106的输出信号在开路增益PTIA106被安装在通信。
13、设备100中之前或之后的分析。0017在一些示例中，开路增益PTIA106包含四个放大级，包括被两个共用源放大级跟随的共用栅放大级。另外，开路增益PTIA106可以包含低通滤波器以馈送共模信号作为开路增益PTIA106的共用栅放大器的偏置控制。此外，这个共模信号可以产生PTIA输出的共模参考电压。因此，针对开路增益PTIA106的输出信号，可以省略低通滤波。在一些示例中，开路增益PTIA106是与光电二极管102和传输线104分隔开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可以对应于具有开路增益PTIA106的集成电路和光电二极管102之间的半导体封装和。
14、/或导电线路。0018简而言之，对于开路增益PTIA106，第一放大级提供增益级和电平位移，同时第二和第三放大级提供进一步的增益级。第四放大级提供输出信号和共模信号的电平位移。低通滤波器被用于将共模信号反馈至共栅级和输出共模参考级。可编程输入阻抗基于并联的R_TERM和1/GM1的等效电阻，其中R_TERM是可变电阻值，并且GM1是第一放大级的晶体管的跨导。R_TERM的值可以在例如晶圆测试期间确定，在晶圆测试期间，PTIA输入电压通过施加的零位电流测量，并且也通过施加至TIA输入的小电流测量。电压差与目标电压VIZ0相比较，其中Z0是要匹配的传输线阻抗。如果测量的电压值高于目标电压，则R_T。
15、ERM应当被减小。可替代地，如果测量的电压低于目标电压，则R_TERM应当被增大。确定R_TERM的值的另一个方法是分析对应于开路增益PTIA106的输出的眼开EYEOPENING，并扫描R_TERM的可用值例如，从低到高直到确定优化设定。0019图2示出根据本公开的示例的通信设备部件的布置200。在不限于其他示例的情况下，布置200可以被用于图1的通信设备100。在布置200中，各个部件被示为光模块202、封装210和接收器芯片220中的一部分。具体来说，光模块202包含电容器204和如针对说明书CN104205626A3/6页6图1的通信设备100所描述的光电二极管102。另外，封装210。
16、包含参考地214和如针对图1的通信设备100所描述的有损传输线104。另外，接收器芯片220包含各个部件以及针对图1的通信设备100所描述的开路增益PTIA106。0020如图所示，开路增益PTIA106从有损传输线104接收其输入，并且还经由封装210接收参考地214。接收芯片220还包含电压参考230、电压调节器226和电容器228，以提供电流返回路径至开路增益PTIA106。开路增益PTIA106的输入阻抗可以通过阻抗控制器224调节，阻抗控制器224提供控制信号至开路增益PTIA106。来自阻抗控制器224的控制信号基于对应于分析开路增益PTIA106的输出信号的结果的指令或信息。如图。
17、所示，开路增益PTIA106输出共模信号和输出信号至接收器芯片220的接收器电路234。接收器电路234可以执行例如各种数据恢复操作。0021图3示出根据本公开的示例的开路增益PTIA结构300。如图所示，开路增益PTIA结构300包含晶体管M1M5以及在高供给参考HIGHSUPPLYREFERENCE和晶体管M1M5之间的相应的漏侧电阻R1R5。在开路增益PTIA结构300中，可变电阻器R_TERM被放置在低供给参考LOWSUPPLYREFERENCE和晶体管M1的源极之间。可变电阻器R_TERM通过如这里所描述的控制信号CTRLR_TERM来控制。在开路增益PTIA结构300中，反馈电阻器。
18、R_FB和电容器C3被放置在晶体管M3的漏极和低供给参考之间。反馈晶体管R_FB和电容器C3之间的信号被供给至M1和M5的栅极。在开路增益PTIA结构300中，电容器C1被放置在M4的源极和高供给参考之间。0022图3的开路增益PTIA结构300对应于四级放大器。具体来说，M1操作为共栅放大器并提供增益级和电平位移。同时，M2和M3操作为共源放大器，以提供另外的增益级。另外，M4和M5操作为末级共源放大器，以分别提供输出信号和共模信号的电平位移。反馈电阻器R_FB和电容器C3操作为低通滤波器，以将共模信号提供回M1的栅极内。通过这种方式，晶体管M1M5被放置在它们的最优操作点。另外，电压和输入。
19、摆动变化被防止，而M1操作在其饱和区域以具有高1/GM值。0023在开路增益PTIA结构300中，可变电阻器R_TERM对应于被调节以使PTIA输入阻抗匹配传输线输出阻抗的可编程无源电阻器。该匹配可以通过直接调节电阻器R_TERM来实现，同时将1/GM保持为很大，以很小地影响输入阻抗。另外，通过匹配R4R5和M4M5，共模电平被位移至合适的电平，以使其匹配输出。因此，输出不需要额外的低通滤波。0024使用开路增益PTIA结构300，可编程输入阻抗调节被用于匹配传输线阻抗并减少反射。另外，开路增益PTIA结构300利用共模电压反馈结构以容许高处理和电压变化以及摆动控制。另外，开路增益PTIA结构。
20、300不使用任何电感器或者级联结构，并因此减小了尺寸，并且低压操作成为可能。0025在不限于其他示例的情况下，这里提供了开路增益PTIA结构300的各个值。例如，输入阻抗RPTIAR_TERM/1/GM1。另外，1/GM120R_TERM，以使RPTIAR_TERM，其可以乘以RTRIM_CNTL以使RPTIAZ0传输线阻抗。另外，M4M5并且R4R5，以提供电平位移和共模输出。另外，M16/80N，M226/40N，并且M3M4M542/40N。另外，R132K，R216K，并且R3R4R51K。另外，R_TERM在大约40至100之间变化以匹配Z075。另外，R_FB25K，C312PF，。
21、并且C1200PF。另外，光电流输入大约为20A至100A。说明书CN104205626A4/6页70026图4示出根据本公开的示例的开路增益PTIA的输出信号400。如图所示，在从346109至354109的时间段大约01S期间，输出信号400在660103至760103伏特066至076伏特之间的范围中。0027图5示出对应于图4的输出信号400的眼图500。在眼图500中，在1001012秒100皮秒的时间窗期间，输出信号400的质量可以被评价为发生在660103至760103伏特066至076伏特之间的信号跃迁。0028图6示出根据本公开的示例的图5的眼图500的分析600。在分析60。
22、0中，如针对图5的眼图500所描述的，示出在1001012秒100皮秒的时间窗期间的660103至760103伏特066至076伏特之间的信号跃迁。此外，分析600示出具有VREF0725V的偏移采样和具有VREF071V的数据采样。输出信号400中的误差可以由异或偏移采样和数据采样而确定。此后，可以通过调节如这里所述的开路增益PTIA106的输入阻抗来减少误差。0029图7示出根据本公开的示例的计算机系统700。计算机系统700可以对应于光通信网络的端节点数据接收器或路由设备的一部分。换句话说，计算机系统700示出的部件可以是如图1所描述的通信设备100的一部分。在从光通信网络接收数据之后，。
23、计算机系统700可以存储、处理并执行接收的数据。0030如图所示，计算机系统700包括与存储设备通信的处理器720其可以被称为是中央处理单元或CPU，该存储设备包括二级存储器704、只读存储器ROM706、随机存取存储器RAM708、输入/输出I/O设备710和网络连接设备712。处理器702可以被实施为一个或多个CPU芯片。0031可以理解的是，通过编程和/或下载可执行指令到计算机系统700上，CPU702、RAM708和ROM706中的至少一个可以被改变，将计算机系统700部分地转换为具有本公开教导的新功能的特定机器或装置。对于电气工程和软件工程领域来说基本的是，可以通过下载可执行软件到计。
24、算机内来实施的功能可以通过熟知的设计规则而转换为硬件实施方式。决定实施软件的概念还是硬件的概念，通常考虑要制造的单元的设计和数量的稳定性，而不是考虑任何在从软件领域转换到硬件领域的过程中包括的问题。通常，仍旧受制于频繁改变的设计可以被优选在软件中实施，因为返工硬件实施方式要比返工软件设计更贵。通常，以大体积制造的、稳定的设计可以被优选为在硬件中实施，例如在专用集成电路ASIC中，因为对于大批量生产来说，硬件实施方式可能比软件实施方式便宜一点。通常，设计可以以软件的形式开发并测试，并且随后通过熟知的设计规则转换为在硬接软件的指令的专用集成电路中的等效硬件实施方式。在与由新的ASIC控制的机器是特。
25、定的机器或装置相同的方式中，同样地，编程和/或下载有可执行指令的计算机可以被视作特定机器或装置。0032二级存储器704通常由一个或多个硬盘驱动器或磁带驱动器组成，并且被用于数据的非易失性存储器，并且如果RAM708不足以保存全部工作数据，则二级存储器704可以被用作溢出数据存储设备。在程序被选中用于执行时，二级存储器704可以被用于存储下载到RAM708内的这种程序。ROM706被用于存储指令和可能在程序执行期间读取的数据。相对于二级存储器704的较大存储容量来说，ROM706是通常具有很小的存储容量的非易失性存储设备。RAM708被用于存储易失性数据并且可能被用于存储指令。ROM706和R。
26、AM708的说明书CN104205626A5/6页8访问通常比二级存储器704更快。在一些情况下，二级存储器704、RAM708、和/或ROM706可以指计算机可读存储媒介和/或非瞬态计算机可读媒介。0033I/O设备710可以包括打印机、视频监控器、液晶显示器LCD、触摸屏显示器、键盘、小键盘、开关、拨号盘、鼠标、轨迹球、语音识别器、读卡器、纸带读取器或其他熟知的输入设备。0034网络连接设备712可以采用调制解调器、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、诸如码分多址CDMA、全球移动通信系统GSM，长期演进。
27、LTE、全球微波接入互操作性WIMAX、和/或其它空中接口协议无线电收发器卡的无线电收发器卡，以及知名网络设备。如这里所描述，计算机系统700可以是光通信网络的一部分。在这种情况下，网络连接设备712支持光通信技术。这些网络连接设备712可以使得处理器702与因特网或者一个或多个局域网通信。使用这种网络连接，可以预见的是处理器702可以在执行上面描述的方法步骤时从网络接收信息或输出信息至网络。这种信息，经常被表示为要使用处理器702执行的指令序列，可以从网络接收和输出至网络，例如，以嵌入在载波中的计算机数据信号的形式。如图所示，网络连接设备712中的至少一个可以包含接收器芯片220和/或这里所。
28、描述的开路增益PTIA106。0035这种信息，其可以包括要使用处理器702执行的数据或指令，例如，可以从网络接收和输出至网络，例如以计算机数据基带信号或嵌入在载波中的信号的形式。基带信号或嵌入在载波中的信号，或者当前使用或此后开发的其他类型的信号，可以根据对本领域技术人员来说熟知的几个方法而产生。在一些情况下，基带信号和/或嵌入在载波中的信号可以被认为是瞬时信号。0036处理器702执行从硬盘、软盘、光盘这些基于磁盘的各种系统可以全部被认为是二级存储器704、ROM706、RAM708或网络连接设备712访问的指令、代码、计算机程序、文字。虽然仅示出一个处理器702，但是可以存在多个处理器。。
29、因此，虽然指令可以被讨论为由处理器执行，但是指令可以被同步执行、连续执行或另外由一个或多个处理器执行。在一些情况下，可以从二级存储器704例如是硬盘驱动器、软盘、光盘和/或其他设备、ROM706和/或RAM708访问的指令、代码、计算机程序、文字和/或数据可以被认为是非瞬时指令和/或非瞬时信息。0037在实施例中，计算机系统700可以包含互相通信的协同执行任务的两个或多个计算机。例如，但是不通过限制的方法，应用程序可以通过这种关于允许同时和/或并行处理应用程序的指令的方法来分割。可替代地，由应用程序处理的数据可以通过这种关于允许同时和/或并行处理由两个或多个计算机设定的数据的不同部分的方法而分。
30、割。在实施例中，虚拟化软件可以通过计算机系统700而采用，以提供不直接绑定于计算机系统700中计算机的数目的多个服务器的功能。例如，虚拟化软件可以在四个物理计算机上提供二十个虚拟服务器。在实施例中，上面公开的功能可以通过执行应用程序和/或云计算环境中的应用程序而提供。云计算可以包含使用动态可扩展计算资源经由网络连接提供计算服务。云计算可以由虚拟化软件至少部分支持。云计算环境可以由企业建立，和/或从第三方提供者根据需要的基础雇用。一些云计算环境可以包含拥有且由企业操作的云计算资源以及从第三方提供者雇用和/或租用的云计算资源。说明书CN104205626A6/6页90038图8示出根据本公开的示例。
31、的方法800。例如，方法800可以由这里描述的开路增益PTIA执行。如图所示，方法800包含经由传输线从光电二极管接收电流块802。在块804，基于开路增益PTIA的可编程输入阻抗，电流被转换为电压，此处，开路增益PTIA的可编程输入阻抗被调节为匹配传输线的阻抗。作为示例，调节开路增益PTIA的可编程输入阻抗可以基于至可变电阻器的控制信号，此处，控制信号根据开路增益PTIA的输出信号的信号质量分析而设定。0039为了将电流转换为电压，开路增益PTIA可以操作被两个共源放大级跟随的共栅放大级。在一些示例中，将电流转换为电压还可以包含针对开路增益互阻抗放大器的共模信号和输出信号在放大的末级进行电平。
32、位移。将电路转换为电压还可以包含对反馈至开路增益PTIA的第一放大级的共模信号进行低通滤波，并省略PTIA的输出信号的低通滤波。对于方法800，开路增益PTIA是与光电二极管和传输线分隔开的集成电路的一部分。方法800还可以包括执行用于构建或操作经由这里所描述的传输线而与光电二极管分隔开的开路增益PTIA的其他任何操作。0040虽然在本公开中已经提供了几个实施例，但是应当理解的是公开的系统和方法可以以许多其他特定形式体现，而不会偏离本公开的精神和范围。本示例被认为是说明性的而非限制性的，并且本发明不限于这里给出的细节。例如，各个元件或部件可以在另一个系统中组合或集成，或者某些特征可以省略或不实。
33、施。0041同样，在各个实施例中描述和说明为离散或分隔的技术、系统、子系统和方法可以与其他系统、模块、技术或方法组合或集成，而不会偏离本公开的范围。示出或讨论为直接联接或互相通信的其他术语可以是间接联接或通过一些界面、设备或中间部件通信，不论电学、机械或其他的通信。改变、代替和修改的其他示例是可以被本领域技术人员确定的，并且可以在不偏离这里公开的精神和范围的情况下做出。说明书CN104205626A1/6页10图1图2说明书附图CN104205626A102/6页11图3图4说明书附图CN104205626A113/6页12图5说明书附图CN104205626A124/6页13图6说明书附图CN104205626A135/6页14图7说明书附图CN104205626A146/6页15图8说明书附图CN104205626A15。