具有电平移位器的集成电路
阅读说明：本技术 具有电平移位器的集成电路 (Integrated circuit with level shifter ) 是由 S·E·芬恩 于 2019-03-20 设计创作，主要内容包括：半导体管芯包括耦合到正差分输入(202)和负差分输入(203)的电平移位器(254)。电平移位器(254)包括第一运算放大器(240),其被配置为生成耦合到正差分输出(280)和负差分输出(282)的内部共模电压。正交流(AC)耦合前馈路径包括耦合到正差分输入(202)和正差分输出(280)的第一电容器(210)。负AC耦合前馈路径包括耦合到负差分输入(203)和负差分输出(282)的第二电容器(211)。正直流(DC)前馈路径(260)耦合到正差分输入(202)、内部共模电压感测节点(242)和正差分输出(280)。负DC前馈路径(262)耦合到负差分输入(203)、内部共模电压感测节点(242)和负差分输出(282)。(The semiconductor die includes a level shifter (254) coupled to the positive differential input (202) and the negative differential input (203). The level shifter (254) includes a first operational amplifier (240) configured to generate an internal common mode voltage coupled to a positive differential output (280) and a negative differential output (282). A positive Alternating Current (AC) coupled feedforward path includes a first capacitor (210) coupled to a positive differential input (202) and a positive differential output (280). The negative AC coupled feed forward path includes a second capacitor (211) coupled to the negative differential input (203) and the negative differential output (282). A positive Direct Current (DC) feed-forward path (260) is coupled to the positive differential input (202), the internal common mode voltage sense node (242), and the positive differential output (280). A negative DC feed-forward path (262) is coupled to the negative differential input (203), the internal common mode voltage sense node (242), and the negative differential output (282).)
技术领域
本公开总体涉及通过导线的宽带数据传输。
背景技术
当宽带发射器与宽带接收器分开时，接收器期望地调节从发射器接收的输入信号。另外，接收器期望地向发射器呈现接口，该接口符合发射器的期望或可适应发射器的期望范围。
发明内容
根据至少一个示例，一种半导体管芯包括耦合到正差分输入并且耦合到负差分输入的电平移位器，该电平移位器包括第一运算放大器，其中第一运算放大器被配置为在内部共模电压感测节点处生成与正差分输入和负差分输入的输入共模电压无关的内部共模电压，并且其中内部共模电压感测节点耦合到正差分输出并且耦合到负差分输出。该半导体管芯包括：正交流(AC)耦合前馈路径，其包括耦合到正差分输入并且耦合到正差分输出的第一电容器；负AC耦合前馈路径，其包括耦合到负差分输入并且耦合到负差分输出的第二电容器；正直流(DC)前馈路径，其耦合到差分输入，耦合到内部共模电压感测节点，并且耦合到正差分输出；以及负DC前馈路径，其耦合到差分输入，耦合到内部共模电压感测节点，并且耦合到负差分输出。
根据至少一个示例，一种半导体管芯包括差分输入调节级和数据通信处理电路。差分输入调节级包括：差分输入，其被配置为提供预定输入阻抗并且提供预定输入共模电压；电平移位器，其耦合到差分输入并且被配置为在内部共模电压感测节点处生成与预定输入共模电压无关的内部共模电压；正交流(AC)耦合前馈路径，其具有耦合到差分输入并且耦合到差分输入调节级的正差分输出的第一电容器；负AC耦合前馈路径，其具有耦合到差分输入并且耦合到差分输入调节级的负差分输出的第二电容器；正直流(DC)前馈路径，其耦合到差分输入，耦合到内部共模电压感测节点，并且耦合到差分输入调节级的正差分输出；以及负DC前馈路径，其耦合到差分输入，耦合到内部共模电压感测节点，并且耦合到差分输入调节级的负差分输出。数据通信处理电路耦合到正差分输出，耦合到差分输入调节级的负差分输出，被配置为输出数据通信信号。
根据至少一个示例，一种通信接口集成电路包括：多个输入引脚、多个输出引脚以及连接到输入引脚和输出引脚的半导体管芯。半导体管芯包括输入调节电路，该输入调节电路包括：差分输入，其耦合到多个输入引脚并且被配置为提供预定输入阻抗并且提供预定输入共模电压；电平移位器，其耦合到差分输入并且被配置为在内部共模电压感测节点处生成与预定输入共模电压无关的内部共模电压；正交流(AC)耦合前馈路径，其具有耦合到差分输入的正差分输入并且耦合到输入调节电路的正差分输出的第一电容器；负AC耦合前馈路径，其具有耦合到差分输入的负差分输入并且耦合到输入调节电路的负差分输出的第二电容器；正直流(DC)前馈路径，其耦合到差分输入的正差分输入，耦合到内部共模电压感测节点，并且耦合到输入调节电路的正差分输出，以及负DC前馈路径，其耦合到差分输入的负差分输入，耦合到内部共模电压感测节点，并且耦合到输入调节电路的负差分输出。半导体管芯还包括信号处理电路，该信号处理电路耦合到多个输出引脚，耦合到输入调节电路，并且被配置为接收输入调节电路的正差分输出和负差分输出，处理输入调节电路的正差分输出和负差分输出，并且在多个输出引脚上输出数据通信信号。
附图说明
图1示出了根据各种示例的集成电路。
图2示出了根据各种示例的通信节点。
图3示出了根据各种示例的宽带差分调节电路。
图4示出了根据各种示例的另一宽带差分调节电路。
图5示出了根据各种示例的又一宽带差分调节电路。
具体实施方式
在过去，当将有线通信路径连接到印刷电路板(PCB)上的集成电路时，习惯上是在集成电路外部的PCB上提供交流(AC)耦合。在示例中，这种AC耦合支持连接具有不同共模电压要求的发射器和接收器。例如，输入信号通过定位为靠近PCB上的集成电路的AC耦合电容器馈送。由于PCB布局的限制和PCB密度的增加，在某些集成电路(IC)设计中期望：(a)在IC内进行设置，以将IC外部的发射器与具有不同共模电压要求的芯片内接收器互连，而不是依靠位于IC外部的PCB上的AC耦合电容器，以及(b)提供具有高速数据吞吐量的DC信号路径。这些设计目标在某种程度上构成了对立的要求，并且因此提出了重大的设计挑战。
本说明书提供了解决上述设计目标的系统的示例。根据公开的示例，系统包括半导体管芯、连接到半导体管芯的一组输入和输出引脚，以及包封半导体管芯的封装。该系统提供宽带数据处理。在示例中，系统提供数据信道重定时器、数据传输缓冲器、数据传输中继器、数据高速接口或数据路径接口。该系统适用于长距离串行有线通信，其中“长距离”是指从2厘米至200米的距离内的通信。然而，该系统不限于长距离，并且在示例中，该系统用在两个管芯之间的短距离封装上或用于跨大管芯的链接。在示例中，该系统提供至少每秒1千兆比特(Gbps)吞吐量的数据吞吐量。在示例中，该系统提供至少10Gbps的数据吞吐量。在示例中，该系统提供至少25Gbps的数据吞吐量。在示例中，该系统提供至少50Gbps的数据吞吐量。在示例中，该系统提供至少100Gbps的数据吞吐量。本说明书的教导适用于提供不同的高速数据吞吐量的系统。
图1示出了根据各种示例的集成电路(IC)10或芯片的图示。IC 10包括封装12、包封在封装12内的半导体管芯14、连接到管芯14的多个输入16，以及连接到管芯14的多个输出18。在示例中，封装12包括塑料或陶瓷材料。IC 10具有任意数量的输入16和任意数量的输出18。输入16和输出18以任意期望的图案和物理布局连接到管芯14。尽管在图1中被示为导线或引线，但是在示例中，输入16和输出18是焊点或接触点。在示例中，IC 10是多信道重定时器、多信道缓冲器、多信道中继器或多信道接口。在示例中，IC 10是通信接口集成电路。在示例中，IC 10是多信道通信接口集成电路。用各种已知的半导体制造工艺中的任何一种来制造管芯14。在一些示例中，IC 10包括通信系统的至少一部分，下面描述该通信系统的示例。
图2示出了通信系统100。在示例中，系统100实施在有线数据通信路径中，并且可以部分地由上述IC 10实现。在示例中，系统100包括通信地耦合到通信节点103的数据发射器101。在示例中，通信节点103包括IC 10。通信节点103包括：第一差分输入102，其耦合到第一差分输入调节级104，该第一差分输入调节级104耦合到第一数据通信处理电路106，该第一数据通信处理电路106耦合到第一信号输出108；第二差分输入112，其耦合到第二差分输入调节级114，该第二差分输入调节级114耦合到第二数据通信处理电路116，该第二数据通信处理电路116耦合到第二信号输出118；以及第三差分输入122，其耦合到第三差分输入调节级124，该第三差分输入调节级124耦合到第三数据通信处理电路126，该第三数据通信处理电路126耦合到第三信号输出128。在使用中，信号输出108、118、128输出数据通信信号。在示例中，通信节点103中包括附加部件，诸如附加信号输入、附加差分输入调节级，附加数据通信处理电路和/或附加输出。
差分信号由两个单独的信号之间的差组成，例如两个不同的电压信号之间的电压差。差分信号的一个分量被称为差分信号的正分量，并且差分信号的另一分量被称为差分信号的负分量，尽管两个分量在不同时间都具有正值和负值。在示例中，在噪声有可能扰动信号的值的情况下使用差分信号，因为噪声通常以相同的意义扰动差分信号的每个分量，这不会影响差分信号的两个分量之间的差，即信号内容。换句话说，在示例中，差分信号与单端信号相比提供增强的抗扰性。
第一差分输入102、部件104和106以及信号输出108包括节点103的第一信道；第二差分输入112、部件114和116以及信号输出118包括节点103的第二信道；并且差分输入122、部件124和126以及信号输出128包括节点103的第三信道。在示例中，节点103包括任何期望数量的信道。在示例中，节点103包括16个信道。在示例中，节点103包括24个信道。在示例中，节点103包括32个信道。在示例中，发射器101在长距离宽带有线通信路径上经由差分输入102、112、122通信地耦合到节点103。为了便于描述，“长距离”的范围是从1厘米至200米。然而，节点103不限于涉及长距离的应用，并且在示例中，节点103用在两个管芯之间的短距离封装上或用于跨大管芯的链接。为了便于描述，“宽带”包括高达1Gbps或高达10Gbps或高达25Gbps或更高的数据通信速率的数据通信。数据通信行业的趋势是扩展数据吞吐量的上限，从而扩展了术语“宽带”的范围。
在示例中，数据通信处理电路106、116、126是连续时间线性均衡器、判决反馈均衡器或其他差分接收器。数据通信处理电路106、116、126有时被称为信号处理电路。数据通信处理电路106、116、126有时被称为接收器或替代地包括接收器。
差分输入102、112和122中的每一个包括正差分输入和负差分输入。差分输入102、112、122上的信号内容包含在正差分输入和对应的负差分输入的电压之间的差中。例如，差分输入102是对应于差分输入102的正差分输入和负差分输入之间的差。正差分输入及其对应的负差分输入之间的平均电压称为该差分输入102、112、122的共模电压。发射器101提供或输出差分输入102、112、122。发射器101被配置为输出具有预定共模电压的差分输入102、112、122。期望差分输入调节级104、114、124被配置为与发射器101输出的预定共模电压电平兼容地接口连接。数据通信处理电路106、116、126中的每一个具有预定内部共模电压，在示例中，该内部共模电压不同于与发射器101相关联的预定共模电压。
在示例中，差分输入调节级104、114、124中的每一个向发射器101提供期望输入阻抗(由发射器101看向差分输入102、112、124看到的输入阻抗)并且提供符合发射器101期望的共模电压的输入共模电压。在示例中，由差分输入调节级104、114、124中的每一个提供的输入阻抗为约50欧姆。如本文所使用的，表述“约50欧姆”是指在45欧姆与55欧姆之间。在其他示例中，差分输入调节级104、114、124提供不同的预定输入阻抗。在示例中，差分输入调节级104、114、124向数据通信处理电路106、116、126提供与输入共模电压不同的内部共模电压。在某些情况下，内部共模电压被认为与输入共模电压无关。在示例中，差分输入调节级104、114、124提供正差分AC耦合信号路径和负差分AC耦合信号路径以及正真实DC信号路径和负真实DC信号路径，以将从发射器101接收的差分数据馈送到数据通信处理电路106、116、126。由差分输入调节级104、114、124实施的这些组合的AC耦合信号路径和真实DC信号路径促进了改善的带宽和对基线漂移的更大抵抗力。
在示例中，信号输出108、118、128是差分输出。在示例中，信号输出108、118、128不是差分输出，而是单端信号输出。在示例中，信号输出108、118、128的内容是数据或数据通信内容。
图3示出了根据各种示例的差分输入调节电路200。在示例中，以上参考图2描述的差分输入调节级104、114、124中的每一个至少部分地被实施为图3所示的电路200。在某些情况下，差分输入调节电路200被称为差分调节级。电路200提供各种功能，这些功能归入“差分输入调节”的标题下。如发射器101所看到的，电路200提供期望输入阻抗和输入共模电压电平。电路200为内部信号处理电路(例如数据通信处理电路106、116、126)提供期望的内部共模电压电平，其中内部共模电压可以与由发射器101看到的输入共模电压不同。换句话说，电路200提供与输入共模电压无关的内部共模电压。在操作中，电路200将AC耦合差分信号提供到内部处理电路，例如数据通信处理电路106、116、126。此外，电路200将真实DC信号路径提供到内部处理电路，例如数据通信处理电路106、116、126。真实DC信号路径也是电平移位的真实DC信号路径。虽然在以上描述中电路200的所有部件共同提供了属于电路200的全部功能，但是某些部件比其他部件更负责某些功能。
电路200包括正差分输入202和负差分输入203。在某些情况下，正差分输入202和负差分输入203统称为电路200的差分输入。差分输入被称为提供预定输入阻抗并且提供预定输入共模电压。
在示例中，电路200包括第一电阻器204，其在第一引线处耦合到正差分输入202，并且在第二引线处耦合到第一电容器206的第一引线。第一电容器206的第二引线耦合到地。电路200还包括第二电阻器205，其在第一引线处耦合到负差分输入203，并且在第二引线处耦合到电容器206的第一引线和第一电阻器204的第二引线。在示例中，电路200进一步包括开关207和输入共模电压基准208。在示例中，输入共模电压基准208被提供作为从分布在电路200内的DC电压源得到的电压源，例如从接入分压器得到，该分压器将DC电压源逐步降低至期望电压值。当开关207被控制为闭合时，输入共模电压基准208被耦合到电路200中并且设置电路200的输入共模电压。例如，通过调整输入共模电压基准208的电平或值，例如通过在一对电阻器(未示出)上对标准电源电压电平进行分压或使用电位计(未示出)，将电路200的相同设计用于适应不同发射器101期望的不同输入共模电压。当开关207被控制为断开时，如图3所示，电路200的输入共模电压由第一电容器206浮动，并且在该示例中，输入共模电压由耦合到差分输入202、203的发射器(例如，发射器101)确定。第一电阻器204和第二电阻器205的值建立了由发射器101看到的电路200的输入阻抗。在示例中，第一电阻器204和第二电阻器205的电阻为约50欧姆，但是在其他示例中，第一电阻器204和第二电阻器205的电阻不同于50欧姆。
电路200还包括第二电容器210和第三电容器211。第二电容器210将正差分输入202AC耦合到正差分输出280，并且第三电容器211将负差分输入203AC耦合到负差分输出282。第二电容器210的第一引线耦合到正差分输入202，并且第二电容器210的第二引线耦合到正差分输出280。第三电容器211的第一引线耦合到负差分输入203，并且第三电容器的第二引线耦合到负差分输出282。在示例中，第二电容器210和第三电容器211建立由发射器101看到的接口电容，并且建立电路200的最大数据吞吐量或最大速度。在示例中，第二电容器210和第三电容器211具有约1皮法(pF)的电容值。在示例中，第二电容器210和第三电容器211具有小于约2.5pF的电容值。在其他示例中，第二电容器210和第三电容器211具有不同于1pF的电容值。第二电容器210提供正差分AC信号路径，并且第三电容器211提供负差分AC信号路径。正差分AC信号路径有时被称为正AC耦合前馈路径，并且负差分AC信号路径有时被称为负AC耦合前馈路径。第二电容器210阻挡正差分输入202的低频分量，并且第三电容器211阻挡负差分输入203的低频分量。第二电容器210将正差分输入202的高频分量传递到正差分输出280，并且第三电容器211将负差分输入203的高频分量传递到负差分输出282。
在示例中，电路200还包括第三电阻器220、第四电阻器222、第五电阻器230和第六电阻器232。第三电阻器220的第一引线耦合到正差分输入202，并且第三电阻器220的第二引线耦合到第四电阻器222的第一引线。第四电阻器222的第二引线耦合到第六电阻器232的第一引线。第六电阻器232的第二引线耦合到第五电阻器230的第一引线，并且第五电阻器230的第二引线耦合到负差分输入203。第三电阻器220和第四电阻器222彼此串联耦合。第四电阻器222和第六电阻器232彼此串联耦合。第六电阻器232和第五电阻器230彼此串联耦合。第三电阻器220、第四电阻器222、第六电阻器232和第五电阻器230按照给定顺序彼此串联耦合。
电阻器220、222、230、232在节点242处提供内部共模电压，在节点242处，第四电阻器222的第二引线耦合到第六电阻器232的第一引线。在某些情况下，引脚242被称为内部共模电压感测节点。节点242处的电压还向电路200提供反馈，以建立和维持期望的内部共模电压。电阻器220、222、230、232也参与电路200的内部共模电压相对于电路200的输入共模电压的电平移位。
在示例中，电路200还包括第一运算放大器(op amp)224和第二运算放大器234。第一运算放大器224的正引线耦合到第三电阻器220的第二引线以及第四电阻器222的第一引线，第一运算放大器224的负引线耦合到第一运算放大器224的输出，并且第一运算放大器224的输出也耦合到第七电阻器226的第一引线。第七电阻器226的第二引线耦合到正差分输出280和第二电容器210的第二引线。第一运算放大器224在连接时用作单位增益放大器或缓冲放大器，从而将电平移位的内部共模电压分量和正差分输入202的低频分量馈送到正差分输出280中，以与通过第二电容器210传递到正差分输出280的正差分输入202的AC耦合高频分量叠加。从正差分输入202通过第三电阻器220、通过第一运算放大器224、通过第七电阻器226到正差分输出280的信号路径被称为正DC前馈路径260。
第二运算放大器234的正引线耦合到第六电阻器232的第二引线和第五电阻器230的第一引线，第二运算放大器234的负引线耦合到第二运算放大器234的输出，并且第二运算放大器234的输出也耦合到第八电阻器236的第一引线。第八电阻器236的第二引线耦合到负差分输出282并且耦合到第三电容器211的第二引线。第二运算放大器234在连接时用作单位增益放大器或缓冲放大器，从而将电平移位的内部共模电压分量和负差分输入203的低频分量馈送到负差分输出282中，以与通过第三电容器211传递到负差分输出282的负差分输入203的AC耦合高频分量叠加。从负差分输入203通过第五电阻器230、通过第二运算放大器234、通过第八电阻器236到负差分输出282的信号路径被称为负DC前馈路径262。
在示例中，电路200还包括第三运算放大器240、第一跨导体243和第二跨导体245。在示例中，跨导体是电压控制的电流源。第三运算放大器240的负输入242耦合到第四电阻器222的第二引线和第六电阻器232的第一引线，第三运算放大器240的正输入耦合到内部共模电压基准244，并且第三运算放大器240的输出246耦合到第一跨导体243的输入和第二跨导体245的输入。内部共模电压基准244被提供作为从分布在电路200内的DC电压源得到的电压源，例如从接入分压器得到，该分压器将DC电压源逐步降低至内部共模电压的预定值。第一跨导体243的输出耦合到第三电阻器220的第二引线。第二跨导体245的输出耦合到第五电阻器230的第一引线。第三运算放大器240控制第一跨导体243以驱动通过第三电阻器220的电流并且控制第二跨导体245以驱动通过第五电阻器230的电流，从而将内部共模电压驱动成与内部共模电压基准244一致(例如244和节点242之间的电压差大约为零)。在某些情况下，第一跨导体243和第二跨导体245被称为电流发生器或电压控制的电流源。内部共模电压被第三运算放大器240用作控制环路中的反馈。
电阻器220、222、232和230；第三运算放大器240；和跨导体243、245建立电平移位器254。在某些情况下，电平移位器254被称为内部共模电压级，并且耦合到差分输入并且被配置为生成与预定输入共模电压无关的内部共模电压。第三运算放大器240和跨导体243、245维持差分输出280、282的内部共模电压，并且提供相对于电路200的输入共模电压的电平移位。第三运算放大器240感测电路200在其负输入242(连接第四电阻器222的第二引线和第六电阻器232的第一引线的节点)上的实际内部共模电压，并且将此反馈值与内部共模电压基准244进行比较。当负输入242上的内部共模电压的感测值与内部共模电压基准244不同时，第三运算放大器240的输出246控制跨导体243、245使电流流经电阻器220、222、230、232以将实际内部共模电压适应性调整为等于内部共模电压基准244。实际内部共模电压的感测值存在于由第四电阻器222的第二引线、第六电阻器232的第一引线形成的节点处。
在示例中，电路200的大多数部件在电路200的正差分部分与电路200的负差分部分之间在拓扑结构和部件值方面表现出对称性。第一电阻器204的电阻值约等于第二电阻器205的电阻值。第二电容器210的电容约等于第三电容器211的电容。第三电阻器220的电阻值约等于第五电阻器230的电阻值。第四电阻器222的电阻值约等于第六电阻器232的电阻值。第七电阻器226的电阻值约等于第八电阻器236的电阻值。
在示例中，第一电阻器204为约50欧姆，第二电阻器205为约50欧姆，第三电阻器220为约10千欧姆，第五电阻器230为约10千欧姆，第四电阻器222为约200千欧姆，第六电阻器232为约200千欧姆，第七电阻器226为约20千欧姆，第八电阻器236为约20千欧姆。在其他示例中，电阻器204、205、220、222、230、232、226、236的电阻值不同于上面列出的电阻值。在示例中，第三电阻器220的电阻与第四电阻器222的电阻之和的电阻远大于第一电阻器204的电阻；第四电阻器222的电阻远大于第三电阻器220的电阻；第五电阻器230的电阻与第六电阻器232的电阻之和的电阻远大于第二电阻器205的电阻；第六电阻器232的电阻远大于第五电阻器230的电阻。如本文所用，在“电阻器X的电阻远大于电阻器Y的电阻”的上下文中，“远大于”是指至少为其10倍大。在示例中，第一电容器206为约50pF，第二电容器210为约1pF，并且第三电容器211为约1pF。在其他示例中，电容器206、210、211的电容值不同于上面列出的电容值。
图4示出了根据各种示例的差分输入调节电路300。电路300与上述电路200基本相似，其中电路200的第一跨导体243被第一NMOSFET 247代替，电路200的第二跨导体245被第二NMOSFET 248代替，并且运算放大器240的输入的极性如图4所示。MOSFET是金属氧化物半导体(MOS)场效应晶体管(FET)。第一NMOSFET 247的源极引线和第二NMOSFET 248的源极引线耦合到地。在示例中，跨导体243、245被第一双极结型晶体管(BJT)和第二BJT代替。电阻器220、222、232和230；第三运算放大器240；以及NMOSFET 247、248建立负电平移位器256(例如，内部共模电压电平小于输入共模电压电平)。
图5示出了根据各种示例的差分输入调节电路400。电路400与上述电路200基本相似，其中电路200的第一跨导体243被第一PMOSFET 277代替，电路200的第二跨导体245被第二PMOSFET 278代替，并且运算放大器240的输入的极性如图5所示。第一PMOSFET 277的源极引线耦合到电压源273，并且第二PMOSFET 278的源极引线耦合到电压源275。在示例中，电压源273、275由同一电压源供电。电阻器220、222、232和230；第三运算放大器240；以及PMOSFET 277、278建立正电平移位器276(例如，内部共模电压电平大于输入共模电压电平)。
在本说明书中，术语“耦合”或“耦接”是指间接或直接连接。因此，如果第一设备耦合到第二设备，则该连接可以是通过直接连接或通过经由其他设备和连接的间接连接。
在权利要求的范围内，在所描述的实施例中可以进行修改，并且其他实施例也是可能的。