通过电荷共享辅助的驱动器

技术领域

本文描述的实施例总体上涉及光电器件换能器的领域。更具体而言，本文描述的实施例涉及用于光电数据转换的紧凑且高效的电流源。

背景技术

当前的光电系统预期要工作于高数据速率，这对驱动器终结的电容响应施加了严格的条件。光换能器涉及具有低于理想值的转换速率(slew rate)的发光二极管器件，并且其最终在光电数据转换中产生降低的误码率(BER)。此外，低于理想值的转换速率行为对于信号上升和信号下降是不对称的，从而进一步降低了器件的BER性能。

背景技术部分中提供的描述不应当仅仅因为它是在背景技术部分中提到的或与背景技术部分相关联就被视为现有技术。背景技术部分可以包括描述主题技术的一个或多个方面的信息。

发明内容

在某些方面中，本文所公开的一种装置包括被配置为在接收到数据信号时将电流源与输出端子耦接的开关。该装置还包括在开关的源极端子上的公共节点处并联耦接到电流源的第一可变电容器，其中，第一可变电容器包括并联耦接的且被配置成由可编程信号激活的多个电容元件，并且其中，选择可编程信号以在开关被导通时增大来自耦接到负载的输出端子的电荷传输速率。

在某些方面中，本文公开的一种系统包括发光器件、被配置成提供数据信号的数据通道、以及被配置成在接收到数据信号时将电流源与发光器件耦接的开关。该系统还包括在开关的源极端子上的共模节点处并联耦接到电流源的第一可变电容器，其中，第一可变电容器包括并联耦接的且被配置成由可编程信号激活的多个电容元件，并且其中，选择可编程信号以在开关被导通时和在开关被关断时增大来自发光器件的转换速率。

在某些方面中，一种串行接口包括光电数据链路。该光电数据链路包括被配置成将电输入信号转换成光输出信号的发光器件；被配置成提供电输入信号的数据通道；以及被配置成在接收到电输入信号时将电流源与发光器件耦接的开关。该光电数据链路还包括在开关的源极端子上的公共节点处并联耦接到电流源的可变电容器。可变电容器包括并联耦接的且被配置成由可编程信号激活的多个电容元件，其中，选择可编程信号以降低电输入信号和光输出信号之间的误码率。

在某些方面中，描述了一种系统，包括用于在接收到数据信号时将电流源与输出端子耦接的装置。该系统还包括用于从数据信号产生光信号的装置。用于将电流源与输出端子耦接的装置包括被配置为在接收到数据信号时将电流源与输出端子耦接的开关。用于将电流源与输出端子耦接的装置还包括在开关的源极端子上的公共节点处并联耦接到电流源的第一可变电容器，其中，第一可变电容器包括并联耦接的且被配置成由可编程信号激活的多个电容元件，并且其中，选择可编程信号以在开关被导通时增大来自耦接到负载的输出端子的电荷传输速率。

附图说明

图1示出了根据一些实施例的包括电荷共享元件的光电系统。

图2A示出了根据一些实施例的包括电荷共享元件以辅助信号换能的下降沿的光电系统。

图2B示出了根据一些实施例的包括电荷共享元件以辅助信号换能的上升沿的光电系统。

图3示出了根据一些实施例的在光电系统中用于电荷共享的可变电容器。

图4示出了根据一些实施例的在包括电荷共享元件的光电系统中输出节点的可变电容表。

图5示出了根据一些实施例的用于将来自发送器的电信号转换成用于接收器的光信号的串行接口。

图6A-6B示出了根据一些实施例的针对由电荷共享元件辅助的串行接口的多电平眼图。

在附图中，由相同或相似附图标记表示的元件和步骤与相同或相似元件和步骤相关联，除非另外指出。

具体实施方式

下文阐述的具体描述旨在作为各种实施方式的描述，而不旨在表示主题技术可被实践的仅有实施方式。本领域的技术人员会认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，可以通过各种不同方式修改所述的实施方式。因此，附图和描述将被视为在实质上是例示性的而不是限制性的。

电学和光学链路迁移使用了工作于增大的数据速率的串行接口。低带宽是高比特率下的或具有高输入/输出(IO)电容负载时的严格约束。对于典型的竖直腔发光二极管(VCSEL)的驱动器可能是这种情况。在一些情况下，串行接口包括均衡步骤以消除VCSEL振荡(ringing)和高阻抗问题。为了解决在高比特率下的低带宽约束，本文公开的实施例包括具有辅助电荷共享的推挽式驱动器(例如，用于VCSEL)以用于带宽增强。

尽管一些串行接口仍然使用非归零(NRZ)方案，对于实际的信号完整性约束，尤其是对于一些互连应用和低损耗情况而言，期望对发光器件进行直接调制。针对非相邻电平之间的过渡，包括宽的带宽和紧的定时约束，本文所公开的用于串行接口的高速发送器可以改善BER图中的“睁眼(eye opening)”。因此，本文公开的实施例提供了高数据速率，同时保持了信号完整性和能量效率，例如，在每秒56吉比特(Gb/s)数据速率下，4抽头的前馈均衡(FFE)。

图1示出了根据一些实施例的包括电荷共享元件100的光电数据链路10。光电数据链路10可以是串行接口的一部分，其包括被配置成将电输入信号131转换成光输出信号132的发光器件120。数据通道50提供电输入信号131以触发开关105，所述开关105在接收到电输入信号131时将电流源150与发光器件120耦接。电流源150可以包括与主电流源102耦接的辅助电流源101，以将通往发光器件120的电流调制在第一电流源110所提供的偏置电流之上和之下。通过输出节点163向发光器件120提供电流。

光电数据链路10还包括可变电容器100，所述可变电容器100在开关105的源极端子上的公共节点165处并联耦接到电流源150。在一些实施例中，调节可变电容器100以降低电输入信号131和光输出信号132之间的误码率。由高电压源111(Vdd)和低电压源112或吸收端(sink)(Vss，例如地)提供通往电流源150的电力。

图2A示出了根据一些实施例的包括电荷共享元件200a以辅助信号换能的下降沿部分的光电数据链路20a。光电数据链路20a包括具有源端子201a的主电流源、以及开关203a。开关203a由电输入信号231a控制。此外，在一些实施例中，开关203a是正沟道FET(PFET)。光电数据链路20a还包括开关205b，所述开关205b被配置成在接收到电输入信号231b时将辅助电流源的吸收端子(sink terminal)202b与输出节点263耦接。在一些实施例中，开关205b包括负沟道场效应晶体管(NFET)，其被电输入信号231b中的上升沿导通。在一些实施例中，电输入信号231a和231b(在下文中统称为“电输入信号231”)是彼此互补的。因此，在电输入信号231a为高时，电输入信号231b为低。并且在电输入信号231a为低时，电输入信号231b为高。在开关203a和205b被导通时(例如，在电输入信号231a为低时)，电流从输出节点263经过电阻器230(例如，终结电阻器)流到节点261，提高了输出节点263的电压，并将通过负载220的电流降低到偏置电流源210所提供的偏置电流值以下。

光电数据链路20a还包括可变电容器200a，所述可变电容器200a在开关203a的源极端子上的公共节点265a处并联耦接到电流源201a，以及耦接到稳压器(regulator)214。通过可编程信号275a选择可变电容器200a以在开关203a被导通时增大来自耦接到负载220的输出节点263的电荷传输速率。因此，可以通过增大可变电容器200a中的电容值以能够在节点263处共享电荷，从而加快节点263处的电压被上拉的时间，来提高负载220的下降转换速率。

在一些实施例中，负载220可以包括VCSEL和传输线。用于负载220的驱动器可以包括稳压器、前置驱动器、T-线圈和推挽式驱动器。稳压器214充当用于高电压源(Vdd)的电压保护。电容器250将电阻器230耦接到地，以用于节点261处的正确的共模终结电压(V

在开关203a被导通时，公共节点265a与节点261耦接，来自可变电容器200a的大量过剩电荷(“电荷共享”)将公共节点265a充电至稳态电压值(V

在一些实施例中，光电数据链路20a被配置为，使得在开关203a关断时，则可变电容器200a的电容从输出节点263有效地解耦，并且因此对于负载220的上升转换速率的目的而言是不可见的。此外，在开关203a导通时，则可变电容器200a的电容与开关203a(为低电容PEFT)的固有电容串联耦接，因此输出节点263上的净电容效应仍然很低。此外，在开关203a导通时，公共节点265a耦接到偏置的FETS(例如，开关203a中的PEFT和开关205b中的NFET)，在达到稳态值之后，其保持V

图2B示出了根据一些实施例的包括电荷共享元件以辅助信号换能的上升沿的光电系统20b。光电数据链路20b包括开关205a，所述开关205a被配置成在接收到电输入信号231b时将辅助电流源的源端子202a与输出节点263耦接。在一些实施例中，开关205a包括PFET，其被电输入信号231b中的下降沿导通。光电数据链路20b还包括主电流源的吸收端子201b、以及开关203b。开关203b由电输入信号231a控制。此外，在一些实施例中，开关203b是NFET。在开关203b和205a被导通时(例如，在电输入信号231a为高时)，电流从节点261经过电阻器230流到输出节点263，降低了输出节点263的电压，并将通过负载220的电流升高到偏置电流源210所提供的偏置电流值以上。

光电数据链路20b还包括可变电容器200b，所述可变电容器200b在公共节点265b处并联耦接到吸收端子201b，以及耦接到开关203b的源极端子。在一些实施例中，可变电容器200b被耦接到吸收电压Vss 212(例如，地)。通过可编程信号275b选择可变电容器200b以在开关203b被导通时增大从公共节点265b到节点261的电荷传输速率。因此，可以通过增大可变电容器200b中的电容值以能够在节点263处共享电荷、并加快节点263处的电压被下拉的时间，来提高负载220的上升转换速率。

图3示出了根据一些实施例的用于光电系统(例如，光电系统10、20a和20b)中的电荷共享的可变电容器300。可变电容器300包括在公共节点365和Vss吸收端312(例如，地)之间并联耦接的并且被配置成由可编程信号375激活的多个电容元件330-1、330-2到330-n(在下文中，统称为“电容元件330”)。可编程信号375通过调节可变电容器300的电容来控制电荷共享效果的强度。在一些实施例中，公共节点365可以是辅助电流源的吸收端子中的开关的源极端子(例如，公共节点265a，以及吸收端子202b中的开关205b)。可编程信号可以包括比特310-1、310-2到310-n(在下文中，统称为“比特310”)，其分别激活晶体管320-1、320-2到320-n(在下文中，统称为“晶体管320”)的栅极。在晶体管320是NFET时，则高比特310将电容元件330中的相应一个电容元件的电容增加到可变电容器300的电容值中。

在一些实施例中，基于电容器330的值，电容器310可以被分类为最高有效位(MSB)或最低有效位(LSB)。在一些实施例中，电容器330的针对MSB的值是电容器330的针对LSB的值的两倍。因此，一个MSB“手指(finger)”和一个LSB“手指”可以允许0、1、2和3不同的电容值强度。在一些实施例中，针对使用耦接到可变电容器300的光电系统的串行链路，不同的电容值强度中的每个电容值强度可以与BER曲线图的眼图中的强度电平相关联。

图4示出了根据一些实施例的、包括电荷共享元件(例如，光电系统10、20a和20b中的可变电容器100、200a和300)的光电系统中的输出节点(例如，输出节点163和263)的可变电容图400。图400在纵坐标(Y轴，任意单位)中示出了作为横坐标(X轴，任意单位)中的电压(输出节点处)的函数的电容。曲线401对应于可变电容器在其最低电容值(例如，所有的比特310都被设置为低，参考图3)。曲线402对应于被开关的电容器在其最高电容值(例如，所有的比特310都被设置为高)。

用于VCSEL(例如，发光器件120或负载220)的操作电压区410可以从电压Vo跨越到电压Vm。可以看出，在高输出电压区中，曲线401和402之间的差异非常小。此外，与Vo以下的电压区相比，曲线401和402中电容的值也相对较小。

图5示出了根据一些实施例的用于将来自发送器501的电输入信号531转换成用于接收器502的光输出信号的串行接口500。串行接口500包括光电数据链路510以将电信号531转换成光信号532(例如，光电数据链路10、20a和20b)。

在一些实施例中，串行接口500包括处理器575，所述处理器575被配置成提供可编程信号以提高光电数据链路510中的发光器件的转换速率(例如，可编程信号275a和375以及发光器件120或220-aVCSEL-)。

在一些实施例中，串行接口500，其中发光器件包括负载，所述负载具有定义误码率图中的睁眼图案(eye opening pattern)的转换速率。

在一些实施例中，光电数据链路510包括第一可变电容器。可以基于负载(其耦接到对该负载进行驱动的电流源)的转换速率、以及基于电输入信号531和光输出信号532之间的误码率，来调节第一可变电容器的电容。

图6A-6B根据一些实施例、针对由电荷共享元件辅助的串行接口(例如，串行接口500，参考图5)分别示出了多电平眼图600A和600B(下文中统称为“眼图600”)。眼图600示出了使用VCSEL作为串行接口的负载(参考发光二极管120或负载220)的、针对电光数据转换的BER。眼图600的纵坐标(Y轴，任意单位)指示VCSEL所产生的光信号(例如，光信号132，参考图1)的值，且眼图600的横坐标(X轴，任意单位)指示时间。

眼图600A对应于具有低电容值的电荷共享元件(例如，所有的比特310都被设置到低，参考图3，如曲线401中所示，参考图4)。眼图600B对应于具有高电容值的电荷共享元件(例如，所有的比特310都被设置到高，参考图3，如曲线402中所示，参考图4)。因此，电荷共享元件的增加增强了BER性能，因为相对于眼图600A，眼图600B在所有的信号电平(四个不同的信号电平)都示出了更宽的“睁眼”，并且在横坐标上示出了更少的抖动。

在一个方面中，方法可以是操作、指令或功能，反之亦然。在一个方面中，可以修改条款或权利要求以包括在其他的一个或多个条款、一个或多个词语、一个或多个语句、一个或多个短语、一个或多个段落和/或一个或多个权利要求中记载的一些或全部词语(例如，指令、操作、功能或部件)。

为了说明硬件和软件的可互换性，已经一般性地按照功能性对诸如各种示例性的框、模块、部件、方法、操作、指令和算法的项进行了描述。此类功能性是否被实现为硬件、软件或硬件和软件的组合取决于具体应用以及对整个系统施加的设计约束。技术人员可以针对每种特定应用通过各种方式来实施所描述的功能。

如本文所使用的，一系列项之前的措辞“...中的至少一者”(以用语“和”或“或”分隔任何所述项)修饰整个列表而不是列表的每个成员(即，每个项)。措辞“...中的至少一者”不要求选择至少一个项；相反，该措辞允许表示包括下列中的至少一种：所述项中的至少一个、和/或所述项的任意组合的至少一种、和/或所述项中每个的至少一个。例如，措辞“A、B和C中的至少一个”或“在A、B或C中的至少一个”均是指：仅A、仅B或仅C；A、B和C的任意组合；和/或A、B和C的每者的至少一个。

在一个方面中，术语场效应晶体管(FET)可以指一般根据控制电场来控制半导体材料中一种类型的载流子的沟道形状并因此控制电导率的原理而工作的各种多端子晶体管的任何一种，包括但不限于金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、结型FET(JFET)、金属半导体FET(MESFET)、高电子迁移率晶体管(HEMT)、调制掺杂FET(MODFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、快速逆向外延二极管FET(FREDFET)和离子灵敏FET(ISFET)。

术语“包括”、“具有”等在一定程度上用于说明书或权利要求中，这样的术语旨在以类似于术语“包括”当用作过渡字词用于权利要求中时“包括”被解释的方式而包含在内。

本文中使用词语“示例性”表示“充当示例、实例或例示”。本文描述为“示例性”的任何实施例未必理解为相比其它实施例优选的或有利的。措辞诸如方面、该方面、另一方面、一些方面、一个或多个方面、实施方式、该实施方式、另一实施方式、一些实施方式、一个或多个实施方式、实施例、该实施例、另一实施例、一些实施例、一个或多个实施例、配置、该配置、另一配置、一些配置、一个或多个配置、主题技术、公开、本公开、其他变型等等都是为了方便，并不意味着涉及这样的一个或多个措辞的公开对于主题技术是必不可少的，或者这种公开适用于主题技术的所有配置。涉及此类措辞的公开可以适用于所有配置或一种或多种配置。涉及这样的一个或多个措辞的公开可以提供一个或多个示例。诸如一方面或一些方面的措辞可以指一个或多个方面，反之亦然，并且这种情况类似适用于其他前述措辞。

除非具体指明，否则以单数形式的元件未必表示“一个且仅一个”，而是“一个或多个”。术语“一些”是指一个或多个。下划线和/或斜体标题和子标题仅仅为了方便而使用，不限制主题技术，并非结合主题技术的描述的解释而被引用。关系术语，例如第一和第二等可以用于将一个实体或动作与另一区分开，而未必要求或暗示此类实体或动作之间有任何实际此类关系或次序。本领域普通技术人员已知或稍晚会知道的整个本说明书中描述的各种配置的元件的所有结构和功能等价物通过引用被明确并入本文，且意在被主题技术涵盖。此外，本文描述的任何内容都不意在献给公众，无论在以上描述中是否明确阐述这样的公开。没有任何权利要求要素要按照35 U.S.C.§112第六款的规定解释，除非使用措辞“用于……的装置”明确阐述该要素或在方法权利要求中，使用措辞“用于……的步骤”阐述该要素。

尽管本说明书包含许多细节，但不应将这些细节理解为是对权利要求书的范围的限制，而应将其视作对本主题的特定实施方式的描述。在独立的实施例的上下文中在本说明书中描述的某些特征也可在单个实施例中的组合中被实现。相反地，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可单独地或者以任何合适的子组合的形式在多个实施例中实现。此外，虽然特征可能在上面被描述为以某些组合来起作用并且甚至最初也这样地来要求对其的权利保护，但是来自要求权利保护的组合的一个或多个特征在某些情况下可从该组合中去除，并且要求权利保护的组合可涉及子组合或子组合的变型。

已经参考特定方面描述了本说明书的主题，但其他方面可以被实施并在以下权利要求的范围之内。例如，虽然操作在附图中以特定次序示出，但不应将这种情况理解为需要以相继次序或所示的特定次来执行此类操作，或者需要执行所有所示的操作以实现期望的结果。权利要求书中所述的动作能够以不同的次序执行，并且仍能实现期望的结果。作为一个示例，附图中所示的过程未必要求所示的特定次序或者先后次序来实现期望的结果。在某些情况中，多任务和并行处理可能是有利的。此外，上述各方面中各个系统部件的划分不应被理解为在所有方面中都要求此类划分，并且应当理解，所述程序部件和系统可一般性地一起整合在单个软件产品中或者封装到多个软件产品中。

发明名称、背景技术、附图说明、摘要和附图在此被并入公开中并提供为本公开的例示性示例而非限制性描述。理解到它们将不会用于限制权利要求的范围或含义。另外，在具体描述中，可以看出，说明书提供了例示性示例，为使本公开简单的目的，在各种实施方式中将各种特征分组在一起。不应将本公开的这种方法解释为反映如下意图：权利要求的主题需要比每项权利要求中明确记载的更多特征。相反，如权利要求所反映的，创造性主题在于少于单一公开的配置或操作的全部特征。在此将权利要求并入具体实施方式中，其中每个权利要求自身代表单独地要求保护的主题。

权利要求并非要限于本文描述的各方面，而是要符合语言权利要求的全部范围并涵盖所有法律等价物。尽管如此，没有任何权利要求意在涵盖不能满足适用专利法要求的主题，也不应通过这样的方式解释它们。