DE102014108391A1

DE102014108391A1 - Ein integrierter Schaltkreis (IC) mit Fotodetektor, aufweisend einen darauf integrierten Sensor zum Messen von elektromagnetischer Interferenz (EMI)

Info

Publication number: DE102014108391A1
Application number: DE102014108391.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Lichtenegger; Robert Swoboda; Martin Weigert
Original assignee: Avago Technologies General IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2013-06-14
Filing date: 2014-06-13
Publication date: 2014-12-18
Also published as: US9385667B2; US20140367556A1

Abstract

Ein integrierter Schaltkreis (IC) mit Fotodetektor, aufweisend einen darin integrierten elektromagnetischen Interferenz (EMI) Sensor, wird zum Messen von EMI an dem Fotodetektor bereitgestellt. Das Integrieren des EMI Sensors in dem Fotodetektor-IC stellt sicher, dass der EMI Sensor in der Nähe des Fotodetektors ist, so dass irgendein EMI, das gemessen wird, tatsächlich EMI ist, der der Fotodetektor ausgesetzt ist. Die gemessene EMI kann dann aus einer Anzahl von Gründen verwendet werden, wie etwa das Bestimmen der Wurzelursache von Schaden in Schaltkreisen des Systems, um den Zeitpunkt zu bestimmen, bei dem ein EMI Event aufgetreten ist, oder eine Warnung einzuleiten, wenn eine Bestimmung ausgeführt wird, dass ein EMI Grenzwert erreicht worden ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf integrierte Schaltkreise (ICs) mit Fotodetektor, und insbesondere auf Fotodetektor-ICs, die in industriellen Verwendungen eingesetzt werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ein Fotodetektor ist eine optoelektronische Einrichtung, die Licht misst und das gemessene Licht in ein elektrisches Signal umwandelt. Am Markt sind viele verschiedene Arten von Fotodetektoren verfügbar. Fotodetektoren sind gut geeignet zur Verwendung als optische Empfänger zum Empfangen von optischen Signalen und zum Umwandeln derselben in elektrische Signale. Aus diesem Grund werden Fotodetektoren häufig in optischen Kommunikationsnetzwerken verwendet zum Empfangen von optischen Datensignalen, die über eine Lichtleitfaser übertragen worden sind, und zum Umwandeln des optischen Datensignals in elektrische Datensignale.
Fotodetektoren werden gelegentlich als optische Isolatoren verwendet, um verschiedene Teile eines Systems voneinander elektrisch zu isolieren, während es diesen Teilen des Systems ermöglicht ist, über eine optische Kopplung miteinander in Kommunikation zu sein. Ein optischer Isolator ist eine Einrichtung, die es ermöglicht, dass Signale zwischen Schaltkreisen oder Systemen optisch übertragen werden, während diese Schaltkreise oder Systeme voneinander elektrisch isoliert gehalten werden. Optische Isolatoren werden in einer breiten Vielfalt von Kommunikationssystemen, Steuerungssystemen und Überwachungssystemen verwendet. In einem typischen optischen Isolator wird ein optischer Sender des optischen Isolators dazu verwendet, ein elektrisches Signal in ein optisches Signal umzuwandeln, das dann optisch durch die Luft oder über einen optischen Wellenleiter zu einem Fotodetektor übertragen wird. Der Fotodetektor wandelt das optische Signal zurück in ein elektrisches Signal. Der optische Sender ist typischerweise eine Laserdiode oder eine lichtemittierende Diode (LED). Der Fotodetektor ist typischerweise eine Fotodiode, wie etwa eine p-intrinsisch-n (P-I-N)-Diode oder eine P-N-Diode.
Optische Isolatoren und andere Arten von optischen Systemen werden gelegentlich in industriellen Anwendungen verwendet, wie beispielsweise etwa automatisierten Fabrikationssystemen und Transportsystemen. In diesen Arten von industriellen Anwendungen werden normalerweise sehr hohe elektrische Ströme verwendet. Beispielsweise werden in einigen Fahranwendungen sehr hohe elektrische Ströme mit hoher Frequenz an- und ausgeschaltet, um große Motoren anzutreiben. Das Schalten dieser hohen elektrischen Ströme kann EMI erzeugen, die die Leistungsfähigkeit von anderen elektrischen Schaltkreisen oder Komponenten des Systems nachteilig beeinflussen kann.
Optische Systeme sind naturgemäß für EMI nicht sehr empfindlich. Aus diesem Grunde sind sie zur Verwendung in derartigen industriellen Systemen gut geeignet, obwohl sie bisher in industriellen Systemen noch nicht umfangreich eingesetzt worden sind. Optische Systeme umfassen typischerweise elektronische oder optoelektronische Komponenten, die durch EMI möglicherweise nachteilig beeinflusst werden können. Um diese Komponenten vor den möglicherweise nachteiligen Beeinflussungen von EMI zu schützen, ist es erforderlich, EMI Ereignisse zu messen oder zu überwachen, um zu bestimmen, wann Schutzmaßnahmen getroffen werden müssen, oder um Veränderungen zu bestimmen, die ausgeführt werden müssen, um zu verhindern, das zukünftige EMI Ereignisse die Leistungsfähigkeit des Systems nachteilig beeinflusst. Dementsprechend besteht ein Bedarf für einen EMI Sensor und ein Verfahren zur Verwendung in optischen Systemen, die in industriellen Anwendungen eingesetzt werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung ist auf einen IC-Chip mit Fotodetektor, der einen EMI Sensor darauf integriert hat, und auf ein Verfahren zum Messen von EMI in einem IC mit Fotodetektor gerichtet. Der IC-Chip mit Fotodetektor umfasst mindestens einen ersten Fotodetektor, einen ersten Verstärkungsschaltkreis, der mit dem ersten Fotodetektor elektrisch verbunden ist, einen EMI Sensor und einen zweiten Verstärkungsschaltkreis, der mit dem EMI Sensor elektrisch gekoppelt ist. Der Fotodetektor ist dazu ausgelegt, ein optisches Signal in ein elektrisches Signal umzuwandeln und das elektrische Signal auszugeben. Der erste Verstärkungsschaltkreis verstärkt das elektrische Signal, das von dem Fotodetektor ausgegeben worden ist. Der EMI Sensor misst (senses) EMI und erzeugt ein elektrisches Messsignal (sense signal). Der zweite Verstärkungsschaltkreis verstärkt das elektrische Messsignal, um ein verstärktes elektrisches Messsignal zu erzeugen.
Das Verfahren umfasst das Folgende: mit einem Fotodetektor auf dem IC-Chip Umwandeln eines optischen Signals in ein elektrisches Signal und Ausgeben des elektrischen Signals, mit einem elektrisch mit dem Fotodetektor verbundenen, ersten Verstärkungsschaltkreis des IC-Chips Verstärken des ausgegebenen elektrischen Signals, mit einem EMI Sensor auf dem IC-Chip, Messen von EMI und Ausgeben eines elektrischen Messsignals, und mit einem mit dem EMI Sensor verbundenen, zweiten Verstärkungsschaltkreis Verstärken des elektrischen Messsignals, um ein verstärktes elektrisches Messsignal zu erzeugen.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines Teils eines Fotodioden-IC, der eine erste und eine zweite Fotodiode, einen Transimpedanz-Verstärker (TIA, transimpedance amplifier), eine Verstärkerkette, einen elektrischen Leiter, einen Ladungsverstärker, eine zweite Verstärkerkette und einen Detektor umfasst.
2 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines Teils eines Fotodioden-IC gemäß einer anderen veranschaulichenden Ausführungsform, die den Ladungsverstärker, die Verstärkerkette und den Detektor, die in 1 gezeigt sind, umfasst und außerdem ein elektrisch leitfähiges Pad und einen elektrischen Leiter umfasst.
3 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines Teils eines Fotodioden-IC gemäß einer anderen veranschaulichenden Ausführungsform, die den Ladungsverstärker, die Verstärkerkette, den Detektor, das Pad, den Leiter und die Testschaltkreise, die in 2 gezeigt sind, und außerdem einen elektrisch leitfähigen Bonddraht umfasst.
4 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines Teils eines Fotodioden-IC gemäß einer anderen veranschaulichenden Ausführungsform, die die Verstärkerkette und den Detektor, die in den 1 bis 3 gezeigt sind, umfasst und außerdem eine elektrisch leitfähige Spule und einen Strom-Spannungs (I-V)-Verstärker umfasst.
5 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines Teils eines Fotodioden-IC gemäß einer anderen veranschaulichenden Ausführungsform, die den Ladungsverstärker, die Verstärkerkette und den Detektor, die in den 1 bis 3 gezeigt sind, umfasst und außerdem einen Wechselstrom (AC)-Koppelkondensator umfasst.
6 veranschaulicht eine Draufsicht eines Fotodioden-IC gemäß einer anderen veranschaulichenden Ausführungsform, die eine oder mehrere der in den 1 bis 5 gezeigten Konfigurationen umfasst.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER VERANSCHAULICHENDEN AUSFÜHRUNGSFORM
Rein optische Elemente von optischen Systemen, die in industriellen Anwendungen eingesetzt werden, sind allgemein immun gegenüber EMI. In Übereinstimmung mit der Erfindung ist jedoch festgestellt worden, dass einige der elektronischen und optoelektronischen Komponenten von derartigen optischen Systemen empfindlich auf EMI sein kann. Beispielsweise sind Fotodioden möglicherweise empfindlich gegenüber EMI. Das elektrische Signal, das von einer Fotodiode erzeugt wird, das ein Stromsignal oder ein Spannungssignal sein kann, ist in seiner Amplitude typischerweise sehr klein. Aus diesem Grunde wird die Fotodiode typischerweise nachgefolgt von einer Form eines Verstärkungsschaltkreises, der das elektrische Signal verstärkt, um ein Signal zu erzeugen, das eine Amplitude hat, die ausreichend hoch ist, um zu ermöglichen, dass das Signal von anderen elektrischen Schaltkreisen stromabwärts des Verstärkungsschaltkreises, wie etwa Takt- und Daten-Rückgewinnungs (CDR, clock and data recovery)-Schaltkreisen verarbeitet wird. Die kleine Amplitude des Ausgangssignals der Fotodiode kann nahe der Amplitude von EMI zuordenbarem Rauschen am Ausgang der Fotodiode sein. Daher kann es für die die Ausgabe der Fotodiode verarbeitenden Schaltkreise in manchen Fällen schwierig oder unmöglich sein, zwischen dem interessierenden Signal und dem Rauschen zu unterscheiden, was zu Problemen mit der Leistungsfähigkeit in dem optischen System und in dem industriellen System, in dem dieses eingesetzt wird, führen kann.
Aus diesem Grunde ist in Übereinstimmung mit der Erfindung festgestellt worden, dass es nützlich wäre, EMI an einer oder mehreren Stellen auf einem Fotodetektor-IC in der Nähe des Fotodetektors zu messen. Gemäß den hierin beschriebenen veranschaulichenden, oder beispielhaften, Ausführungsformen ist ein EMI Sensor in einem Fotodetektor-IC integriert. Das Integrieren des EMI Sensors in dem Fotodetektor-IC stellt sicher, dass der EMI Sensor in der Nähe des Fotodetektors ist, so dass jedwede EMI, die gemessen wird, tatsächlich EMI ist, der der Fotodetektor ausgesetzt ist. Die gemessene EMI kann dann für eine Anzahl von Verwendungszwecken verwendet werden, wie etwa um den Ursprungsgrund von Schäden in Schaltkreisen des Systems zu bestimmen, um den Zeitpunkt zu bestimmen, an dem ein EMI Ereignis aufgetreten ist, oder um eine Warnung auszulösen, wenn eine Feststellung getroffen wird, dass ein EMI Grenzwert erreicht worden ist. Verschiedene veranschaulichende Ausführungsformen werden nun mit Verweis auf die 1 bis 6 beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten, Merkmale oder Elemente darstellen.
Aus beispielhaften Gründen zeigen die hierin beschriebenen Ausführungsformen den Fotodetektor als eine Fotodiode. Es sollte jedoch angemerkt werden, dass der Fotodetektor nicht darauf beschränkt ist, eine Fotodiode zu sein. Der Fotodetektor kann irgendeine Art eines optischen Detektors sein, der Photonen in Elektrizität umwandelt. Der Fotodetektor wird hierin aufgrund der oben beschriebenen Empfindlichkeit der Fotodiode gegenüber EMI als eine Fotodiode beschrieben. Fachleute werden jedoch verstehen, dass die hierin beschriebenen Prinzipien und Konzepte auf jegliche Art eines Fotodetektors anwendbar sind, einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf, Fotodioden.
1 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines Teils eines Fotodioden-IC 1 in Übereinstimmung mit einer veranschaulichenden Ausführungsform, die eine erste und eine zweite Fotodiode 3 und 4, respektive, einen Transimpedanzverstärker (TIA, transimpedance amplifier) 5, eine Verstärkerkette 6, einen elektrischen Leiter 7, einen Ladungsverstärker 8, eine zweite Verstärkerkette 9 und einen Detektor 10 umfasst. Die zweite Fotodiode 4 ist mit einer Metallabschirmung 11 abgedeckt. Der elektrische Leiter 7 ist entweder ein elektrisch leitfähiger Bonddraht oder eine elektrische leitfähige Spur. Der Leiter 7 hat ein erstes Ende 7a, das mit der Metallabschirmung 11 verbunden ist, und ein zweites Ende 7b, das mit einem Eingangsanschluss 8a des Ladungsverstärkers 8 verbunden ist. Die Metallabschirmung 11 wirkt als eine Antenne für ein elektrisches Feld (E-Feld) dadurch, dass das E-Feld von jeglicher EMI, der die Metallabschirmung 11 ausgesetzt ist, bewirkt, dass sich auf der Metallabschirmung 11 elektrische Ladung ansammelt. Die angesammelte elektrische Ladung propagiert entlang des Leiters 7 von dem ersten Ende 7a des Leiters 7 zu dem zweiten Ende 7b des Leiters 7. Der Ladungsverstärker 8 erzeugt dann an seinen Ausgangsanschlüssen 8b eine differentielle Ausgangsspannung, die proportional zu der elektrischen Ladung an seinem Eingangsanschluss 8a ist.
Die zweite Verstärkerkette 9 besteht aus einem oder mehreren Differenzialverstärkern, die die differentielle Spannung an den Ausgangsanschlüssen 8b des Ladungsverstärkers 8 verstärken. Die Verstärkung der zweiten Verstärkerkette 9 ist größer als Eins. Aus beispielhaften Gründen wird die zweite Verstärkerkette 9 so gezeigt, dass sie aus einem ersten und einem zweiten Differenzialverstärker 9a und 9b, respektive, besteht, obwohl die Kette 9 irgendeine Anzahl von Differenzialverstärkern umfassen könnte oder im Ganzen ausgelassen werden könnte, wenn der Ladungsverstärker 8 eine differentielle Ausgangsspannung erzeugt, die einen ausreichenden Grad von Verstärkung aufweist. Der erste Differenzialverstärker 9a verstärkt das von dem Ladungsverstärker 8 ausgegebene, differentielle Spannungssignal und erzeugt eine erste verstärkte Ausgangsdifferenzialspannung, die dem zweiten Differenzialverstärker 9b zugeführt wird. Der zweite Differenzialverstärker 9b verstärkt die erste verstärkte Ausgangsdifferenzialspannung, um eine zweite verstärkte Ausgangsdifferenzialspannung zu erzeugen, die dann dem Detektor 10 zugeführt wird. Der Detektor 10 ist optional.
Der Detektor 10 detektiert die zweite verstärkte Ausgangsdifferenzialspannung und gibt ein elektrisches Signal 12 aus, das dem Niveau der EMI, der die Metallabschirmung 11 ausgesetzt war, zugeordnet ist. Das elektrische Signal 12 ist dem Niveau der EMI, dem die Metallabschirmung 11 ausgesetzt ist, über die Antworten der Verstärker 8 und 9 und des Detektors 10 zugeordnet. Weil diese Antworten bekannt sind, kann aus dem elektrischen Signal 12 eine Messung der EMI erlangt werden.
2 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines Teils eines Fotodioden-IC 20 in Übereinstimmung mit einer anderen veranschaulichenden Ausführungsform, die den Ladungsverstärker 8, die Verstärkerkette und den Detektor 10, die in 1 gezeigt sind, umfasst und außerdem ein elektrisch leitfähiges Pad 21 und einen elektrischen Leiter 22, der eine Spur oder ein Bonddraht sein kann, umfasst. Zur Erleichterung der Veranschaulichung sind die Fotodiode und die Schaltkreise zum Verstärken der Ausgabe der Fotodiode in 2 nicht gezeigt, sie wären jedoch in der Nähe der in 2 gezeigten Schaltkreise angeordnet, z.B. neben dem Pad 21 und dem Leiter 22. Die Fotodiode (nicht gezeigt) und die Verstärkungsschaltkreise könnten einen oder beide der in 1 gezeigten Fotodioden 3 und/oder 4 und die Verstärker 5 und/oder 6 umfassen.
Ein erstes Ende 22a des Leiters 22 ist mit dem Pad 21 verbunden und ein zweites Ende 22b des Leiters 22 ist mit dem Eingangsanschluss 8a des Ladungsverstärkers 8 verbunden. Das elektrisch leitfähige Pad 21 kann ein Metallkontakt-Pad des IC 20 sein oder es kann einfach eine Menge eines elektrisch leitfähigen Materials sein, das an einer geeigneten Position auf dem IC 20 für den spezifischen Zweck des Funktionierens als eine EMI Antenne aufgebracht worden ist. Das Pad 21 funktioniert dadurch als eine E-Feld Antenne, dass das E-Feld von jeglicher EMI, der das Pad 21 ausgesetzt ist, bewirkt, dass sich auf dem Pad 21 elektrische Ladung ansammelt. Die angesammelte elektrische Ladung propagiert entlang des Leiters 22 von dem ersten Ende 22a des Leiters 22 zu dem zweiten Ende 22b des Leiters 22. Der Ladungsverstärker 8 erzeugt dann an seinem Ausgangsanschluss 8b eine Ausgangsdifferenzialspannung, die proportional zu der elektrischen Ladung an seinem Eingangsanschluss 8a sind.
Wiederum aus beispielhaften Gründen ist die Verstärkerkette 9 so gezeigt, dass sie einen ersten und einen zweiten Differenzialverstärker 9a und 9b, respektive, umfasst, obwohl sie jegliche Anzahl von Differenzialverstärkern größer als Eins umfassen könnte, oder gänzlich ausgelassen werden könnte, wenn der Ladungsverstärker 8 eine ausreichende Verstärkung bereitstellt. Der erste Differenzialverstärker 9a verstärkt die Differentialspannung, die von dem Ladungsverstärker 8 ausgegeben wird, und erzeugt eine erste verstärkte Ausgangsdifferenzialspannung, die dem zweiten Differenzialverstärker 9b zugeführt wird. Der zweite Differenzialverstärker 9b verstärkt die erste verstärkte Ausgangsdifferenzialspannung, um eine zweite verstärkte Ausgangsdifferenzialspannung zu erzeugen, die dann dem Detektor 10 zugeführt wird. Der Detektor 10 detektiert die zweite verstärkte Ausgangsdifferenzialspannung und gibt ein elektrisches Signal aus, das dem Niveau der EMI zugeordnet ist, der das Pad 21 ausgesetzt war. Weil, wie oben angedeutet, die Antworten der Verstärker 8 bis 9b und des Detektors 10 bekannt sind, kann aus dem elektrischen Signal 12 eine Messung des Niveaus der EMI erlangt werden.
In Übereinstimmung mit dieser veranschaulichenden Ausführungsform ist das Pad 21 ein Test-Pad des IC 20 und der IC 20 umfasst Testschaltkreise 25 zum Ausführen von einem oder mehreren auf dem Chip ausgeführten (on-chip)-Tests auf dem Chip- oder Wafer-Niveau. Die Ausgangsanschlüsse 8b des Ladungsverstärkers 8 sind mit den Testschaltkreisen 25 verbunden. Somit verwenden die Testschaltkreise 25 das von dem Ladungsverstärker 8 ausgebene, differentielle Ausgangsspannungssignal, um das Testen auszuführen. Diese Ausführungsform ermöglicht, dass ein Test-Pad, das auf dem IC 20 zum Ausführen von Tests bereits ist, auch als eine E-Feld EMI Antenne verwendet werden kann, was hilft, auf dem IC 20 Platz zu sparen. Die Erfindung ist im Hinblick auf die Art der von den Testschaltkreisen 25 ausgeführten Tests nicht begrenzt. Es ist für integrierte Testschaltkreise und Testkontakt-Pads auf ICs bekannt, zu ermöglichen, dass Tests auf Chip-Niveau oder Wafer-Niveau ausgeführt werden, wie etwa für den Verwendungszweck des Bestimmens, ob der Chip oder der Wafer defekt ist.
Die Testschaltkreise 25 sind nicht darauf begrenzt, eine differentielle Ausgabe zu erzeugen, selbst wenn sie differentielle Eingänge haben. Die Ausgabe der Testschaltkreise 25 kann ein unsymmetrisches (single-ended) Ausgangssignal sein und das Ausgangssignal kann ein digitales oder ein analoges Signal sein. Die differentiellen Eingaben stimulieren lediglich die Testschaltkreise 25. Die Testschaltkreise 25 haben interne Logikschaltkreise zum Erzeugen von Testsignalen. Die Arten der Testsignale, die erzeugt werden, hängen von der Funktionalität des IC ab. Die Testschaltkreise 25 werden typischerweise durch ein erzwungenes Gleichstrom (DC)-Signal an dem Test-Pad 21 aktiviert, weil ein derartiges Ereignis der EMI nicht zugeordnet werden kann. Außerdem kann ein moduliertes Wechselstrom (AC)-Signal verwendet werden, um andere Testsignale zu erzeugen, z.B. mit einem Decoder, der an mehreren Ausgängen unterschiedliche Testsequenzen erzeugt.
3 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines Teils eines Fotodioden-IC 30 gemäß einer anderen veranschaulichenden Ausführungsform, die den Ladungsverstärker 8, die Verstärkerkette 9, den Detektor 10, das Pad 21, den Leiter 22 und die Testschaltkreise 25, die in 2 gezeigt sind, umfasst und außerdem einen elektrisch leitfähigen Bonddraht 31 umfasst. Zur Erleichterung der Veranschaulichung sind die Fotodiode und der Schaltkreis zum Verstärken der Ausgabe der Fotodiode in 3 nicht gezeigt, sie wären jedoch in der Nähe der in 3 gezeigten Schaltkreise angeordnet, z.B. neben dem Pad 21 und dem Bonddraht 31. Ein erstes Ende 31a des Bonddrahtes 31 ist mit dem Pad 21 verbunden und ein zweites Ende 31b des Bonddrahtes 31 ist mit einer elektrischen Masse 32 verbunden. Der Bonddraht 31 fungiert dadurch als eine Antenne für ein Magnetfeld (H-Feld), dass das H-Feld von jeglicher EMI, der der Bonddraht 31 ausgesetzt ist, in dem Bonddraht 31 einen elektrischen Strom induzieren wird. Der elektrische Strom bewirkt, dass sich an dem Eingangsanschluss 8a des Ladungsverstärkers 8 elektrische Ladung ansammelt. Der Ladungsverstärker 8 erzeugt dann an seinen Ausgangsanschlüssen 8b eine differentielle Ausgangsspannung, die proportional zu der elektrischen Ladung an seinem Eingangsanschluss 8a ist.
Wiederum aus beispielhaften Gründen wird die Verstärkerkette 9 so gezeigt, dass sie aus einem ersten und einem zweiten Differenzialverstärker 9a und 9b, respektive, besteht. Der erste Differenzialverstärker 9a verstärkt das von dem Ladungsverstärker 8 ausgegebene Spannungsdifferential und erzeugt eine erste verstärkte Ausgangsdifferenzialspannung, die dem zweiten Differenzialverstärker 9b zugeführt wird. Der zweite Differenzialverstärker 9b verstärkt die erste verstärkte Ausgangsdifferenzialspannung, um eine zweite verstärkte Ausgangsdifferenzialspannung zu erzeugen, die dann dem Detektor 10 zugeführt wird. Der Detektor 10, der optional ist, detektiert die zweite verstärkte Ausgangsdifferenzialspannung und gibt ein elektrisches Signal 12 aus, das dem Niveau der EMI zugeordnet ist, der der Bonddraht 31 ausgesetzt war. Weil, wie oben angedeutet, die Antworten der Verstärker 8 bis 9b und des Detektors 10 bekannt sind, kann aus dem elektrischen Signal 12 eine Messung des Niveaus der EMI erlangt werden.
Wie die in 2 gezeigte veranschaulichende Ausführungsform ist in Übereinstimmung mit dieser veranschaulichenden Ausführungsform das Pad 21 ein Test-Pad des IC 30 und der IC 30 umfasst die Testschaltkreise 25 zum Ausführen von einem oder mehreren auf dem Chip ausgeführten (on-chip) Tests auf dem Chip- oder Wafer-Niveau. Daher ermöglicht diese Ausführungsform, dass ein Test-Pad, das zum Ausführen von Tests bereits auf dem IC 30 ist, auch als eine E-Feld EMI Antenne verwendet werden kann, was hilft, auf dem IC 30 Platz zu sparen.
4 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines Teils eines Fotodioden-IC 40 gemäß einer anderen veranschaulichenden Ausführungsform, die Verstärkerkette 9 und den Detektor 10, die in den 1 bis 3 gezeigt sind, umfasst, und außerdem eine elektrisch leitfähige Spule 41 und einen Verstärker 42, der beispielsweise ein Strom-Spannungs (I-V)-Verstärker, der den in der Spule 41 induzierten Strom verstärkt, oder ein Spannungsverstärker, der die offene Kreisspannung (open circuit voltage) der Spule 41 verstärkt, sein kann. Zur Erleichterung der Veranschaulichung sind die Fotodiode und die Schaltkreise zum Verstärken der Ausgabe der Fotodiode in der 4 nicht gezeigt, sie wären jedoch in der Nähe der in 4 gezeigten Schaltkreise angeordnet, z.B. neben der Spule 41. Ein erstes und ein zweites Ende der Spule 41 sind mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluss, respektive, des Verstärkers 42 verbunden. Die Spule 41, die typischerweise aus Metall hergestellt ist, fungiert dadurch als eine Magnetfeld (H-Feld)-Antenne, dass sie das H-Feld von jeglicher EMI, der die Spule 41 ausgesetzt ist, einen elektrischen Strom in der Spule 41 induziert. Der elektrische Strom bewirkt, dass sich an den Eingangsanschlüssen des Verstärkers 42 eine elektrische Ladung ansammelt. Der Verstärker 42 erzeugt dann an seinen Ausgangsanschlüssen eine differenzielle Ausgangsspannung, die proportional zu dem Strom oder der Spannung an seinen Eingangsanschlüssen ist.
Der erste Differenzialverstärker 9a verstärkt die von dem Verstärker 42 ausgegebene Differenzialspannung und erzeugt eine erste verstärkte Ausgangsdifferenzialspannung, die dem zweiten Differenzialverstärker 9b zugeführt wird. Der zweite Differenzialverstärker 9b verstärkt die erste verstärkte Ausgangsdifferenzialspannung, um eine zweite verstärkte Ausgangsdifferenzialspannung zu erzeugen, die dann dem Detektor 10 zugeführt wird. Der Detektor 10 detektiert die zweite verstärkte Ausgangsdifferenzialspannung und gibt ein elektrisches Signal 12 aus, das dem Niveau der EMI, dem die Spule 41 ausgesetzt war, zugeordnet ist. Weil die Antworten der Verstärker 42, 9a und 9b und des Detektors 10 bekannt sind, kann aus dem elektrischen Signal 10 eine Messung des Niveaus der EMI erlangt werden.
5 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines Teils eines Fotodioden-IC 50 gemäß einer anderen veranschaulichenden Ausführungsform, die den Ladungsverstärker 8, die Verstärkerkette 9 und den Detektor 10, die in den 1 bis 3 gezeigt sind, und außerdem einen Wechselstrom-(AC)-Kopplungskondensator 51 umfasst. Zur Erleichterung der Veranschaulichung sind die Fotodiode und die Schaltkreise zum Verstärken der Ausgabe der Fotodiode in 5 nicht gezeigt, sie wären jedoch in der Nähe des in 5 gezeigten Schaltkreises angeordnet, z.B. neben dem Kondensator 51. Ein erster Anschluss des Kondensators 51 ist mittels eines ersten Leiters 52 mit einer internen Spannungsquelle 53 des IC 50 verbunden. Ein zweiter Anschluss des Kondensators 51 ist mittels eines zweiten Leiters 54 mit dem Eingangsanschluss 8a des Ladungsverstärkers 8 verbunden. Der Kondensator 51 leitet naturgemäß Wechselstrom (AC)-Signale zu dem Eingangsanschluss 8a des Ladungsverstärkers 8, blockiert jedoch Gleichstrom (DC)-Signale. Wenn die Versorgung 53 Niveaus von EMI ausgesetzt ist, die groß genug sind, um zu bewirken, dass wechselstromartige Fluktuationen in der Versorgung 53 auftreten, wird an dem Eingangsanschluss 8a des Ladungsverstärkers 8 elektrische Ladung angesammelt. Der Ladungsverstärker 8 erzeugt dann an seinen Ausgangsanschlüssen 8b eine differenzielle Ausgangsspannung, die proportional zu der elektrischen Ladung an seinem Eingangsanschluss 8a sind.
Der erste Differenzialverstärker 9a verstärkt das von dem Ladungsverstärker 8 ausgegebene Spannungsdifferential und erzeugt eine erste verstärkte Ausgangsdifferenzialspannung, die dem zweiten Differenzialverstärker 9b zugeführt wird. Der zweite Differenzialverstärker 9b verstärkt die erste verstärkte Ausgangsdifferenzialspannung, um eine zweite verstärkte Ausgangsdifferenzialspannung zu erzeugen, die dann dem Detektor 10 zugeführt wird. Der Detektor 10 detektiert die zweite verstärkte Ausgangsdifferenzialspannung und gibt ein elektrisches Signal 12 aus, das dem Niveau der EMI, dem die Versorgung 53 ausgesetzt war, zugeordnet ist. Weil, wie oben angedeutet, die Antworten der Verstärker 8 bis 9b und des Detektors 10 bekannt sind, kann aus dem elektrischen Signal 12 eine Messung des Niveaus der EMI erlangt werden.
6 veranschaulicht eine Draufsicht eines Fotodioden-IC 100 in Übereinstimmung mit einer anderen veranschaulichenden Ausführungsform, die eine oder mehrere der in den 1 bis 5 gezeigten Konfigurationen umfasst. Die in 4 gezeigte Spule 41 ist in 6 an zwei unterschiedlichen Positionen mit zwei unterschiedlichen Größen dargestellt. Eine der in 6 gezeigten Spulen 41a ist um ein elektrisch leitfähiges Kontakt-Pad 41, das das gleiche wie das in den 2 und 3 gezeigte Pad sein kann, herumgewickelt. Die andere in 6 gezeigte Spule 41b ist um einen äußeren Umfang des Chips 100a herum angeordnet. Die Spule 41 muss nicht um das Pad 21 oder den Umfang herum gewickelt sein, sondern kann um irgendeine Struktur auf dem Fotodioden-IC 100 herumgewickelt sein, die nicht ein Magnetfeld erzeugt, wie etwa relativ niedrigfrequente Elemente auf dem IC 100, die Organisationsfunktionen des IC 100 ausführen. Die Spule 41 kann auch eine freistehende Struktur sein, die nicht um irgendeine andere Struktur herum gewickelt ist.
Jede der in 6 gezeigten Spulen 41a und 41b fungiert als eine H-Feld EMI Antenne, die die oben mit Verweis auf 4 beschriebene Funktion ausführt. Die um die Peripherie herum angeordnete, größere Spule 41b maximiert die Größe der Spule 41, was zu einem in der größeren, in der Spule 41b induzierten Strom führt. Der größere induzierte Strom bedeutet, dass die Anforderung an die Verstärkerkette 9 gelockert werden kann und dass dadurch der Raum, den die Verstärkerkette 9 verbraucht, verringert werden kann. Der IC 100 hat darin ausgebildete, elektrische Leiter, wie beispielsweise etwa Vias und Spuren, zum Verbinden von elektrischen Komponenten des IC 100 miteinander. Weil Fachleute verstehen werden, wie geeignete Vias und Spuren in einem IC ausgebildet werden können, um alle notwendigen Verbindungen herzustellen, sind diese Vias und Spuren zur Erleichterung der Veranschaulichung und zum Zwecke der Klarheit in 6 nicht gezeigt.
Der in 6 gezeigte Bonddraht 31 führt dieselbe Funktion des Detektierens der H-Feld EMI wie der in 3 gezeigte Bonddraht 31 aus. Die in 6 gezeigten Verstärker 5 bis 6c führen dieselben Funktionen wie die in 1 gezeigten Verstärker 5 bis 6c aus. Die in 6 gezeigten Verstärker 8 bis 9b und der Detektor 10 führen dieselben Funktionen wie die in 1 gezeigten Verstärker 8 bis 9b und der Detektor 10 aus. Selbstverständlich können an diesen Verstärkungsschaltkreisen viele Variationen ausgeführt werden. Die in 6 gezeigten Fotodioden 3 und 4 entsprechen den in 1 gezeigten Fotodioden 3 und 4. Somit ist die in 6 gezeigte Fotodiode 4 mittels der Metallabschirmung 11, die, wie oben mit Verweis auf 1 beschrieben, als eine optische Barriere für Licht von nicht beabsichtigten Quellen und als eine E-Feld EMI Antenne funktioniert, abgeschirmt.
Es kann aus der Beschreibung der veranschaulichenden Ausführungsformen der 1 bis 6 ersehen werden, dass eine Vielfalt von auf einem Fotodioden-IC integrierten Konfigurationen von EMI Sensoren erzielt werden können. Die beispielhaften Ausführungsformen sind lediglich einige Beispiele von Konfigurationen, die für diesen Zweck geeignet sind, und Fachleute werden verstehen, dass viele Variationen und Modifikationen an diesen Konfigurationen ausgeführt werden können und dass innerhalb des Umfangs der Erfindung für diesen Zweck andere Konfigurationen entworfen werden können. Die Erfindung ist im Hinblick auf diese veranschaulichenden Ausführungsformen zu dem Zweck, die Prinzipien und Konzepte der Erfindung darzustellen, beschrieben worden. Die Erfindung ist nicht auf diese Ausführungen beschränkt, wie von Fachleuten aus dem technischen Gebiet in Anbetracht der hierin bereitgestellten Beschreibung verstanden wird.

Claims

Ein Chip mit integrierten Schaltkreis (IC), aufweisend: einen ersten Fotodetektor, der dazu ausgelegt ist, ein erstes optisches Signal in ein erstes elektrisches Signal umzuwandeln und das erste elektrische Signal von einem Ausgangsanschluss des ersten Fotodetektors auszugeben, ein erster Verstärkungsschaltkreis, der einen ersten Eingangsanschluss hat, der mit dem Ausgangsanschluss des ersten Fotodetektors elektrisch verbunden ist, wobei der erste Verstärkungsschaltkreis das erste elektrische Signal verstärkt, um ein erstes verstärktes elektrisches Signal zu erzeugen, einen Sensor für elektromagnetische Interferenz (EMI), der dazu ausgebildet ist, EMI zu messen, wobei der EMI Sensor dazu ausgelegt ist, EMI zu messen und ein elektrisches Messsignal zu erzeugen, und einen zweiten Verstärkungsschaltkreis, der mindestens einen ersten Eingangsanschluss hat, der mit dem EMI Sensor elektrisch verbunden ist, wobei der zweite Verstärkungsschaltkreis das elektrische Messsignal verstärkt, um ein verstärktes elektrisches Messsignal zu erzeugen.
Der IC-Chip gemäß Anspruch 1, wobei der erste Fotodetektor eine erste Fotodiode, insbesondere eine p-intrinsisch-n (P-I-N)-Diode, ist.
Der IC-Chip gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, ferner aufweisend: einen zweiten Fotodetektor, der einen Ausgangsanschluss hat, der mit einem zweiten Eingangsanschluss des ersten Verstärkungsschaltkreises elektrisch verbunden ist, wobei der zweite Fotodetektor dazu ausgelegt ist, ein zweites optisches Signal in ein zweites elektrisches Signal umzuwandeln und das zweite elektrische Signal auszugeben, und wobei der erste Verstärkungsschaltkreis mindestens einen ersten Differenzialverstärker aufweist, der eine Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Signal verstärkt, um das erste verstärkte elektrische Signal zu erzeugen, und wobei der EMI Sensor eine Metallabschirmung aufweist, die um den zweiten Fotodetektor herum angeordnet ist, wobei die Metallabschirmung ein elektrisches Feld der EMI misst und elektrische Ladungen akkumuliert, um das elektrische Messsignal auszubilden.
Der IC-Chip gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der EMI Sensor eine elektrisch leitfähige Spule aufweist, die erste und zweite Enden hat, die mit entsprechenden Eingangsanschlüssen des zweiten Verstärkungsschaltkreises verbunden sind, wobei die Spule ein Magnetfeld der EMI detektiert und das elektrische Messsignal erzeugt; und/oder wobei der EMI Sensor einen Kondensator umfasst, wobei der Kondensator über einen ersten elektrischen Leiter mit einer Leistungsversorgung des IC-Chips elektrisch verbunden ist und über einen zweiten elektrischen Leiter mit dem ersten Eingangsanschluss des zweiten Verstärkungsschaltkreises elektrisch verbunden ist, wobei der Kondensator in Antwort auf durch EMI verursachte Wechselstrom (AC)-Fluktuationen in der Leistungsversorgung das elektrische Messsignal erzeugt; und/oder wobei der EMI Sensor ein elektrisch leitfähiges Pad aufweist, das auf dem IC-Chip angeordnet ist und mittels mindestens eines elektrischen Leiters mit dem ersten Eingangsanschluss des zweiten Verstärkungsschaltkreises elektrisch verbunden ist, wobei das Pad ein elektrisches Feld der EMI detektiert und das elektrische Messsignal erzeugt; und/oder wobei der EMI Sensor einen elektrisch leitfähigen Bonddraht aufweist, der ein erstes Ende, das mit Masse verbunden ist, und ein zweites Ende hat, das mit einem elektrisch leitfähigen Pad verbunden ist, wobei das Pad mittels mindestens eines elektrischen Leiters mit dem ersten Eingangsanschluss des zweiten Verstärkungsschaltkreises elektrisch verbunden ist, und wobei der Bonddraht ein Magnetfeld der EMI detektiert und das elektrische Messsignal erzeugt.
Der IC-Chip gemäß Anspruch 4, wobei das Pad ein Kontakt-Pad ist, das dazu vorgesehen ist, zum Testen des IC-Chips verwendet zu werden, und wobei der IC-Chip ferner aufweist: Testschaltkreise zum Ausführen von einem oder mehreren Tests, wobei die Testschaltkreise Eingangsanschlüsse aufweisen, die mit dem zweiten Verstärkungsschaltkreis elektrisch verbunden sind.
Der IC-Chip gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der zweite Verstärkungsschaltkreis ferner aufweist: einen Ladungsverstärker und eine Differenzialverstärkerkette, und wobei der Ladungsverstärker das elektrische Messsignal verstärkt und das verstärkte elektrische Messsignal an die Differenzialverstärkerkette ausgibt, und wobei die Differenzialverstärkerkette mindestens einen Differenzialverstärker aufweist, der das verstärkte elektrische Messsignal weiter verstärkt, bevor das verstärkte elektrische Messsignal an den Signaldetektor ausgegeben wird.
Der IC-Chip gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner aufweisend: einen Signaldetektor, der mindestens einen ersten Eingangsanschluss hat, der mit mindestens einem Ausgangsanschluss des zweiten Verstärkungsschaltkreises elektrisch verbunden ist, wobei der Signaldetektor dazu ausgelegt ist, das verstärkte elektrische Messsignal zu detektieren und ein der gemessenen EMI zugeordnetes Detektionssignal auszugeben.
Ein Verfahren zum Messen von elektromagnetischer Interferenz (EMI) in einem Fotodetektor-integrierter-Schaltkreis (IC)-Chip, das Verfahren aufweisend: mit einem ersten Fotodetektor des IC-Chips Umwandeln eines ersten optischen Signals in ein erstes elektrisches Signal und Ausgeben des ersten elektrischen Signals, mit einem mit dem Fotodetektor elektrisch verbundenen, ersten Verstärkungsschaltkreis des IC-Chips Verstärken des ersten elektrischen Signals, mit einem in der Nähe des Fotodetektors angeordneten EMI Sensor des IC-Chips Messen der EMI und Ausgeben eines elektrischen Messsignals, und mit einem mit dem EMI Sensor verbundenen, zweiten Verstärkungsschaltkreis Verstärken des elektrischen Messsignals, um ein verstärktes elektrisches Messsignal zu erzeugen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei der erste Fotodetektor eine erste Fotodiode, insbesondere eine p-intrinsisch-n (P-I-N)-Diode, ist.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 9, ferner aufweisend: mit einem zweiten Fotodetektor des IC-Chips, Umwandeln eines zweiten optischen Signals in ein zweites elektrisches Signal und Ausgeben des zweiten elektrischen Signals, und mit einem ersten Differenzialverstärker des ersten Verstärkungsschaltkreises Verstärken einer Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Signal, um das erste verstärkte elektrische Signal zu erzeugen, und wobei der EMI Sensor eine Metallabschirmung aufweist, die um den zweiten Fotodetektor herum angeordnet ist, wobei die Metallabschirmung ein elektrisches Feld der EMI misst und elektrische Ladungen akkumuliert, um das elektrische Messsignal auszubilden.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der EMI Sensor eine elektrisch leitfähige Spule aufweist, die erste und zweite Enden hat, die mit entsprechenden Eingangsanschlüssen des zweiten Verstärkungsschaltkreises verbunden sind, wobei die Spule ein Magnetfeld der EMI detektiert und das elektrische Messsignal erzeugt; und/oder wobei der EMI Sensor ein elektrisch leitfähiges Pad aufweist, das auf dem IC-Chip angeordnet ist und mittels mindestens eines elektrischen Leiters mit dem ersten Eingangsanschluss des zweiten Verstärkungsschaltkreises elektrisch verbunden ist, wobei das Pad ein elektrisches Feld der EMI detektiert und das elektrische Messsignal erzeugt; und/oder wobei der EMI Sensor einen elektrisch leitfähigen Bonddraht hat, der ein erstes Ende aufweist, das mit Masse verbunden ist, und ein zweites Ende aufweist, das mit einem elektrisch leitfähigen Pad verbunden ist, wobei das Pad mittels mindestens eines elektrischen Leiters mit dem ersten Eingangsanschluss des zweiten Verstärkungsschaltkreises elektrisch verbunden ist, wobei der Bonddraht ein Magnetfeld der EMI detektiert und das elektrische Messsignal erzeugt; und/oder wobei der EMI Sensor einen Kondensator aufweist, wobei der Kondensator über einen ersten elektrischen Leiter mit einer Leistungsversorgung des IC-Chips elektrisch verbunden ist und über einen zweiten elektrischen Leiter mit dem ersten Eingangsanschluss des zweiten Verstärker-Schaltkreises elektrisch verbunden ist, wobei der Kondensator in Antwort auf durch die EMI verursachte Wechselstrom (AC)-Fluktuationen in der Leistungsversorgung das elektrische Messsignal erzeugt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei das Pad ein Kontakt-Pad ist, das dazu gedacht ist, zum Testen des IC-Chips verwendet zu werden, wobei das Verfahren ferner aufweist: mit Testschaltkreisen des IC-Chips, die Eingangsanschlüsse aufweisen, die mit dem zweiten Verstärkungsschaltkreis elektrisch verbunden sind, Ausführen von einem oder mehreren Tests auf dem IC-Chip.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei der zweite Verstärkungsschaltkreis ferner einen Ladungsverstärker und eine Differenzialverstärkerkette aufweist, und wobei das Verfahren ferner aufweist: mit dem Ladungsverstärker Verstärken des elektrischen Messsignals und Ausgeben des verstärkten elektrischen Messsignals an die Differenzialverstärkerkette; und mit mindestens einem Differenzialverstärker der Differenzialverstärkerkette, weiter Verstärken des verstärkten elektrischen Messsignals, bevor das verstärkte elektrische Messsignal an den Signaldetektor ausgegeben wird.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 13, ferner aufweisend: mit einem mit dem zweiten Verstärkungsschaltkreis elektrisch verbundenen Signaldetektor Detektieren des verstärkten elektrischen Messsignals und Erzeugen eines der gemessenen EMI zugeordneten Detektionssignals.