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提高PIN-TIA ROSA的噪声抑制能力

 

作者:Maxim Intergrated

对于一个成功的光收发器设计,必需能够实现光接收器组件(ROSA)和外部噪声源(包括发射器)之间的良好屏蔽。本应用笔记在研究ROSA各组成部分如何拾取噪声的基础上,阐述应怎样在TO管座中放置和装配电子元件,实现优化噪声抑制性能的目的。

ROSA基本结构

1 ROSA组件实例

图1是晶体管外形(TO)封装PIN-TIA ROSA的顶视图。一个光电二极管(本例中为PD-PIN)安装在贴片电容(CFILT)上面,电容底部金属层由导电环氧树脂或共晶连接在TO管座上。光电二极管的有源区位于TO轴线上。一个跨阻放大器(TIA)置于TO管座的两个数据输出引脚(OUT+ 和OUT-)之间。TIA输入由W2键合在光电二极管正极触点上,而光电二极管偏置通过W1连接TIA FILT焊盘与电容CFILT顶部金属层(同时也是光电二极管的阴极触点)实现。地焊盘、输出焊盘分别通过W5,W6以及W7键合在TO管座和输出引脚上。TIA VCC焊盘由W3A键合在管座的VCC引脚上。另一个贴片电容(CVCC),作为电源滤波网络的一部分,由W4连接在管座的VCC引脚上。

1. PIN-TIA ROSA装配的顶视图(实例)

图 2是TIA和ROSA组件的简化等效电路。由焊线Wn引起的寄生电感以Ln (n = 1至7)表示。L3B将在本应用笔记的后面章节中介绍。ROSA与外面的接口包括电源引脚(VCC)、数据输出引脚(OUT+和OUT-),以及连接到模块电路板地上的管壳引脚(CASE)。

2. TIA和ROSA组件的简化等效电路

2 噪声原因和性能优化

一般来讲,外部噪声源以两种方式影响ROSA输出:

A)耦合到TIA输入中,和信号一起以同样的方式被放大。

由输入焊线(W2)、光电二极管和滤波器电容结构组成的TIA输入网络拾取的噪声,将被TIA前端晶体管T1和T2放大。然后与光电流承载的信号以同样的方式经过增益级和差分输出。这条噪声通道在图2中以“Input networknoise flow”标出。

B)TIA电源噪声将通过放大器链路传播、放大。

电源噪声通过偏置电阻(R)加在TIA前端晶体管(T2)基极上,并以相似的方式加到其他增益级,作为全部输出信号的一部分传送到差分输出端。两个参数可以衡量外部噪声对ROSA的性能影响:电源噪声抑制和共模-差模转换。

2.1 电源噪声抑制

VCC引脚是外部噪声进入ROSA的一条通道。一方面,VCC噪声能够从VCC焊线(W4和W3A)直接或间接的耦合到TIA输入焊线(W2)上。另一方面,它也会通过VCC焊线(本例中的L3A)传送到TIA电源线上。具有良好电源噪声抑制能力的ROSA在同样VCC引脚噪声情况下,输出受到影响较小。

以下措施可用来优化电源噪声抑制性能:

A)选择恰当的电源滤波网络

先将TO管座的VCC引脚连接至滤波电容CVCC,然后再连至TIA的VCC焊盘(如图3所示),要比电容和TIA VCC焊盘都连在管座的VCC引脚上(图1)更加有效。本例中,焊线W3A (L3A)被W3B (L3B)替代,构成图2所示的L-C-L电源滤波网络。

3. 改进ROSA组件的顶视图

B)减小VCC引脚噪声辐射

尽量缩短W4的长度有利于减小从VCC引脚到其他TIA电路的噪声耦合。这就要求将电容CVCC靠近VCC引脚放置,在CVCC上面选择与VCC引脚尽量近的位置放置W4,并选择最短的焊线长度。高频特性较好的电容对电源滤波也同样重要。

C)减小对TIA输入的耦合

将与VCC相关的焊线(W3B和W4)同TIA输入焊线(W2)分开,敏感焊线互相垂直放置是减小串扰的关键。很明显,图3中W3B和W2耦合要比图1中W3A和W2耦合小得多。

TIA输入焊线(W2)的长度也应通过相对TO管座中心偏移滤波电容(CFILT)位置来减小,但仍要保证光电二极管有源区的中心位置。输入焊线(W2)的长度也应尽可能的短。

D)优化电源滤波网络的效率

TIA电源滤波网络(W3B)的电感会严重影响对耦合进TIA电源噪声的抑制效率。将CVCC电容与TIA的VCC焊盘尽量靠近、选择一个靠近TIA的焊线放置点以及缩短焊线长度等措施都非常必要。图3应能提供比图1更好的TIA电源滤波。

2.2 共模-差模转换

外部噪声源也可通过输出引脚(OUT+和OUT-)影响ROSA的性能。输出引脚上的噪声能够影响TIA电源。也可以直接或间接的由焊线耦合进TIA,经过放大并由ROSA差分输出。

以下是能抑制共模-差模转换加入噪声的几个措施:

A)减小输出引脚辐射

恰当放置TIA并减小输出焊线(W6和W7)的长度可以限制噪声对ROSA组件的直接辐射。

B)减小对TIA输入的耦合

输出焊线上的噪声能够直接或间接的耦合进TIA输入网络。尽量将输出焊线(W6和W7)和输入焊线(W2)分离,布置关键焊线时应互相垂直放置。

应重视任何从输出到输入的间接耦合。图1中,输出焊线(W6和W7)上的噪声能够耦合到地焊线(W5)上,然后进一步耦合到TIA输入焊线(W2)上。同时,耦合到地线上的噪声能够被TIA地拾取,加到T1基极-集电极结上,等于增加了TIA输入噪声。解决方法是将地焊线(W5)和输出焊线(W6和W7)垂直放置,并减小它们的长度。

C)优化电源滤波网络的效率

有效电源滤波网络通过降低共模-差模转换来减小加到TIA电源上的噪声。可采用前面章节中介绍的类似技术。

3 结论

本应用笔记分析了外部噪声源是如何影响ROSA性能的,提出了改进ROSA组件的建议。正确放置ROSA各元件位置、减小焊线长度、减小关键焊线间的耦合等措施非常重要。按照这些措施构建ROSA将提高其对外部噪声源(包括发射器和接收器之间串扰)的抑制能力。

· 2019-03-09 07:37  本新闻来源自:IC封装设计,版权归原创方所有

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