CN111681851A - 高速差分信号输入输出电路和集成电路芯片 - Google Patents

高速差分信号输入输出电路和集成电路芯片 Download PDF

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Abstract

高速差分信号输入输出电路和集成电路芯片，涉及集成电路技术。本发明的高速差分信号输入输出电路包括两个桥式T型线圈电路，其中的线圈构成至少一组共模电感，并且同一组共模电感的两个线圈分别设置于两个桥式T型线圈电路中。本发明能够降低芯片的辐射噪声，提高带宽，改善信号的眼图质量。

Description

高速差分信号输入输出电路和集成电路芯片
技术领域
本发明涉及集成电路技术。
背景技术
随着频率的提升，高速信号受到传输路径中寄生电阻、寄生电容等的影响越来越严重。芯片焊盘(PAD)占用较大芯片面积，因此寄生电容较大，而信号的输入输出又必须通过芯片焊盘与封装外部通信。为了解决此问题，高速信号常常采用桥式T型线圈来扩展电路的工作频率。
高速信号常常采用差分信号的形式传输。但是，高速差分信号受到噪声的影响越来越严重，自身对外部的干扰也越来越严重。为解决此问题，常常在印制电路板(PCB)上增加共模扼流圈来抑制外部电磁对高速差分信号的干扰和抑制自身产生的电磁干扰(EMI)。
差分传输是一种信号传输的技术，区别于传统的一根信号线一根地线的做法，差分传输在这两根线上都传输信号，这两个信号的振幅相同，相位相反。在这两根线上的传输的信号就是差分信号，也称为差模信号。
共模扼流圈，也叫共模电感(Common mode Choke)，共模电感实质上是一个双向滤波器：一方面要滤除信号线上共模电磁干扰，另一方面又能抑制本身不向外发出电磁干扰，避免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。
共模扼流圈可以传输差模信号，直流和一定频率范围内的差模信号都可以通过，而对于共模噪声则呈现很大的阻抗，所以可用来抑制共模信号干扰。
桥式T型线圈(T-coil)电路一般简称为T-coil电路，它是一种电路拓扑结构，能够极大的提升电路的工作带宽。
当前普遍的应用方式是芯片中集成T-coil电感，靠近芯片管脚放置，与芯片焊盘(PAD)寄生电容共同构成T-coil电路。
当前普遍的应用方式是一般一个信号独立使用该信号的T-coil电路，如图1所示。
X点连接芯片焊盘。A点和X点之间的电感，X点与B点之间的电感与芯片焊盘的寄生电容构成一个T-coil电路。
共模扼流圈一般作为分立器件焊接在印制电路板(PCB)上，没有集成到芯片内部。
传统的共模扼流圈器件等效电路如图2所示。差分信号S1P和S1N连接到共模扼流圈器件201的输入管脚，差分信号S2P和S2N连接到共模扼流圈器件201的输出管脚。
S1P与S2P之间的电感和S1N与S2N之间的电感，有铁质导磁体耦合，所以两个电感之间有横线标识这种耦合关系，是表示电感之间有铁质导磁体耦合的通用电路符号。
2个黑点在2个电感的同侧，表示共模磁通量相互强化，差动模式磁通量相互削弱。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种占用芯片面积较小，集成度较高、可以同时扩展差分信号工作频率范围和对差分信号进行共模扼流的的高速差分信号输入输出电路。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，高速差分信号输入输出电路，其特征在于，包括两个桥式T型线圈电路，其中的线圈构成至少一组共模电感，并且同一组共模电感的两个线圈分别设置于两个桥式T型线圈电路中。
两个桥式T型线圈电路的结构相同，每一个桥式T型线圈电路皆包括两个电感和一个电容，电容与两个电感的连接点连接，所述电容为芯片焊盘的寄生电容。
或者，两个桥式T型线圈电路的结构相同，每一个桥式T型线圈电路皆包括两个电感、一个ESD钳位二极管和一个电容，ESD钳位二极管的正极接地，负极与两个电感的连接点连接，电容连接到一个电感的开放端，所述电容为芯片焊盘的寄生电容。
同一组共模电感的两个线圈的磁通量相互强化。
本发明中，对于构成桥式T型线圈电路的两个线圈，其中任一线圈与其他线圈形成导电连接的连接端称为公共端，对应的，另一个连接端称为开放端。
本发明还提供一种集成电路芯片，芯片内部集成有高速差分信号输入输出电路，所述高速差分信号输入输出电路，包括两个桥式T型线圈电路，其中的线圈构成至少一组共模电感，并且同一组共模电感的两个线圈分别设置于两个桥式T型线圈电路中。
本发明的有益效果是，能够降低芯片的辐射噪声，提高带宽，改善信号的眼图质量。
附图说明
图1是一种现有技术的T-coil电路示意图。
图2是现有技术的共模扼流圈的等效电路图。
图3是本发明实施例1的电路图。
图4是本发明实施例2的电路图。
图5是本发明的一种版图实现方式。
图6是使用共模扼流圈前后的辐射噪声对比图。
图7是使用共模扼流圈前后的信号眼图对比图。其中a为不使用共模扼流圈，b为使用共模扼流圈。
图8是使用T-coil前后的带宽对比图。
具体实施方式
实施例1
如图3所示，本发明电路包括两组T-coil电路，同时，构成两组T-coil电路之间的电感，由于存在电磁感应的关联，以耦合因子表示，构成共模扼流圈的功能。
耦合因子(或称为耦合系数)为k1的电感301和电感302，与芯片焊盘303的寄生电容构成第一组T-coil电路。
耦合因子为k2的电感304和电感306，与芯片焊盘305的寄生电容构成第二组T-coil电路。
第一组T-coil电路和第二组T-coil电路是构成本发明的必要因素。
耦合因子为k3的电感301和电感304构成第一组共模扼流圈，耦合因子为k4的电感302和电感306构成第二组共模扼流圈。共模扼流圈也称为共模电感滤波电路。
第一组共模扼流圈和第二组共模扼流圈同时存在，是一种优化解。但是也可以只有其中一组，可以得到不同的滤波效果。
S1P和S1N是一组差分信号，S2P和S2N也是一组差分信号。
当差分信号S1P和S1N作为输入信号时，差分信号S2P和S2N分别对应差分信号S1P和S1N的输出信号。
电感302的另一端A和电感306的另一端，通常连接电阻后接到电源VDD。
当差分信号S2P和S2N作为输入信号时，差分信号S1P和S1N分别对应差分信号S2P和S2N的输出信号。
也就是说，本电路是双向工作的，可以用于差分信号输出电路，也可以用于差分信号输入电路。
实施例2
参见图4。本实施例适用于不同位置的芯片焊盘。
耦合因子为k1的电感401和电感402，ESD钳位二极管407与芯片焊盘403的寄生电容构成第一组T-coil电路。
耦合因子为k2的电感404和电感406，ESD钳位二极管408与芯片焊盘405的寄生电容构成第二组T-coil电路。
耦合因子为k3的电感401和电感404构成第一组共模扼流圈，耦合因子为k4的电感402和电感406构成第二组共模扼流圈。
第一组共模扼流圈和第二组共模扼流圈同时存在，是一种优化解。但是也可以只有其中一组，可以得到不同的滤波效果。
当差分信号S1P和S1N作为输入信号时，差分信号S2P和S2N分别对应差分信号S1P和S1N的输出信号。
当差分信号S2P和S2N作为输入信号时，差分信号S1P和S1N分别对应差分信号S2P和S2N的输出信号。
也就是说，本电路是双向工作的，可以用于差分信号输出电路，也可以用于差分信号输入电路。
图5示出了本发明的一种版图实现方式。
差分信号S1P和S1N接入的电感线圈完全一致，仅仅是金属层次不同，所以图5只以信号S1P为例。
信号S1P接入电感501的一端，电感501在503处经过不同的金属层次换层，信号S2P是电感501的另一端。
信号S1N接入电感502的一端，电感502在504处经过不同的金属层次换层，信号S2N是电感502的另一端。
不同金属层次的S1P和S1N构成一组差分信号，不同金属层次的S2P和S2N构成一组差分信号。
信号S2P与信号A是电感505的两端。
信号S2N与信号B是电感506的两端。
由于电感线圈之间的电磁感应，同金属层次的电感501与505之间耦合因子为k1，同金属层次的电感502与506之间耦合因子为k2，不同金属层次的电感501与502之间耦合因子为k3，不同金属层次的电感505与506之间耦合因子为k4。
本发明电路非常适用于支持通用串行总线(Universal Serial Bus，简称为USB)，高清多媒体接口(High Definition Multimedia Interface，简称HDMI)，控制器局域网络(Controller Area Network，简称CAN)等高速差分信号传输的芯片设计。
本发明电路的T-coil功能能够大幅度扩展差分信号的工作带宽。
本发明电路的共模扼流功能一方面能够滤除信号传输线上的共模电磁干扰，另一方面又能抑制本身不向外发出电磁干扰。
不使用共模扼流圈(K3、K4)功能的辐射噪声(601)和使用共模扼流圈(K3、K4)功能的辐射噪声(602)对比如图6所示。
不使用共模扼流圈(K3、K4)功能的信号眼图和使用共模扼流圈(K3、K4)功能的信号眼图对比如图7所示。
可见，使用了共模扼流圈(K3、K4)功能，降低了芯片的辐射噪声，并且改善了信号的眼图质量。
不使用T-coil(K1、K2)功能的电路带宽(801)和使用T-coil(K1、K2)功能的电路带宽(802)对比如图8所示。
可见，使用T-coil(K1、K2)功能，电路带宽从1GHz增加到了2.83GHz左右，电路带宽扩展到2.83倍。

Claims (5)

1.高速差分信号输入输出电路，其特征在于，包括两个桥式T型线圈电路，其中的线圈构成至少一组共模电感，并且同一组共模电感的两个线圈分别设置于两个桥式T型线圈电路中。
2.如权利要求1所述的高速差分信号输入输出电路，其特征在于，两个桥式T型线圈电路的结构相同，每一个桥式T型线圈电路皆包括两个电感和一个电容，电容与两个电感的连接点连接，所述电容为芯片焊盘的寄生电容。
3.如权利要求1所述的高速差分信号输入输出电路，其特征在于，两个桥式T型线圈电路的结构相同，每一个桥式T型线圈电路皆包括两个电感、一个ESD钳位二极管和一个电容，ESD钳位二极管的正极接地，负极与两个电感的连接点连接，电容连接到一个电感的开放端，所述电容为芯片焊盘的寄生电容。
4.如权利要求1所述的高速差分信号输入输出电路，其特征在于，同一组共模电感的两个线圈的磁通量相互强化。
5.集成电路芯片，其特征在于，芯片内部集成有高速差分信号输入输出电路，所述高速差分信号输入输出电路，包括两个桥式T型线圈电路，其中的线圈构成至少一组共模电感，并且同一组共模电感的两个线圈分别设置于两个桥式T型线圈电路中。
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