Optik alıcılar modern yüksek hızlı iletişim ağlarının arka kemiğidir, şarj olmadan optik sinyalleri yüksek sadakatle elektriksel veri akışlara dönüştürmeye devam ediyor.G bantlamalar için talep edilebilir, ölçeklenebilir ürün zorlukla doludur.Dönlendirme tasarımı - fotoğraf toplama sistemleri, transimpedanslar (TI)

Bu makale, gerçek dünya ticaret ve düktöre kaynakları için açıkça optimize etmek için kapsamlı bir çerçeve sunar.Bu kılavuz, elektrik, optik, termal ve mekanik kısıtlamalar arasındaki etkileşimin ötesine geçer.Her bir ilkeyi gerçek dünya ticaret ve övücü kaynaklarında kullanarak, bu kılavuz tasarım mühendisleri, üretim mühendisleri ve ürün yöneticileri, ilk geçiş zamanını azaltmak için hareket edilebilir stratejilerin ötesine geçer ve milyonlarca birim boyunca tutarlı performansları korur.

Optik Bir Layout Anatomisini Anlamak

Optik bir alıcı optik alanı ve elektronik alan köprüleri köprüler yapan heterojen bir montajdır. birincil bileşenler şunları içerir:

  • [FONT:0)Fotoğrafetector[[DÜDÜDÜDÜDÜDÜSÜDÜSÜDÜSÜDÜSÜDÜDÜSÜSÜDÜSÜDÜSÜDÜSÜDÜSÜSÜDÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜŞÜNÜŞÜNÜSÜŞÜNÜSÜSÜSÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜSÜSÜŞÜNÜSÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜSÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜSÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜN
  • [0]Transimpedance Amplifier (TIA)) – ilk kazanç aşamasına verirken küçük fotoğraf akımını bir gerilime dönüştürür.
  • [FONT:0) Ampiksiyonu (LA)) - ek kazanç sağlar ve gerilimin mantığı seviyelere doğru yayılmasını sınırlar.
  • [FONT:0)Clock ve Data Recovery (CDR))[Dönemli bilgi ve verileri geri döndürür.
  • [FONT:0)Decoupling Capacitors, Bias Networks ve Filtreleme Elements) - stabil tedarik gerilimlerini ve temiz sinyal yollarını sağlar.

Bu elementlerin baskılı bir devre kuruluna (PCB) veya karma bir modüle dahil edilmesi gerekir. fotodetektörler ve TIAs'ın monolitik olarak entegre edildiği ileri silikon fotonik platformlarında bile, dış paketleme ve fiber darbeleme kritik bir düzende önemli fiziksel parametrelerdir:

  • Fotodetector-TIA arayüzünde parasitic kapasitance, doğrudan alıcı bant genişliğini ve duyarlılığı etkiler.
  • Signal yolu uzun ve yansımalara ve asibol müdahalesine neden olan sonsuzlukları engellemektedir.
  • Dijital geçiş gürültüsünden gelen çapraztalk hassas analog cepheye çiftleştirildi.
  • Önlem noktaları değiştiren ve fotodiode'nun yaşlanmasını hızlandıran ısı gradients.

Bu etkileşimlerin derin bir anlayışı, kitlesel üretime yönelik herhangi bir optimizasyon çabasının temelidir.

Mass Production'da Layout Optimizasyonu için Temel Prensipler

Hacim için optimize etmek, herhangi bir maliyetle “mükemmel performans” zihniyetinden bir geçiş gerektirir, bu denge ile elektrik performansı dengeleyici, tekrarlanabilirlik ve maliyetle. Aşağıdaki ilkeler bu dengenin temelini oluşturur.

Minik ve İşaret Yolu Uzunluklarını Eşitleştirin

Fotodetector-to-TIA interconnect, alıcının en hassas ağıdır. Herhangi bir ek seri giriş veya ağlayıcı kanallarını genişletebilir ve gürültüyü artırır. 25 Gbaud'da çalışan ve yukarıdaki fark edilen bir fark olarak, fark edilen bir kaç mil içinde.

Zeminle ko-planar dalga kılavuzunu kullanın (CPWG) veya kontrol edilen bir dürtüyü korumak için çok sayıda zemin kullanın (tipik olarak 50 ULL veya 100 GU diferansiyel). Her gemide tutarlı izleyebilecek şekilde tanımlanmalıdır.

Standartlaştırma ve Oryantasyon

Kitlesel üretim tekrarlanır. Bileşenlerin yönelimini standartlaştırır - tüm fotodetektörlerin aynı rotasyonel dengeye yer verdiği gibi, tüm dekoupling kapasitörler ilgili güç pinleriyle uyumlu ve tüm test noktaları aynı kenarla karşı karşıya kalır - otomatik montaj, programlama zamanı azaltır ve manuel rework sırasında insan hatası azaltır.

Mümkün olan, ortak alıcı blokları için önceden belirlenmiş alt devrelerin "library" kullanın (örneğin, bir kanal TIA artı fotodiode dizi). Bu alt-layoutlar aynı montaj sürecinde ve test fikstürleri boyunca yeniden kullanılabilir.Bu modüler yaklaşım dramatik olarak kısa zaman pazarlama için kısa sürede yeni yönetimler için ve yeni yönetim kurulu tedarikçiler üzerinde yeterlilikleri azaltır.

Termal Yönetim için Tasarım

Optik alıcılar TIA, LA ve CDR devrelerinden ısı üretiyorlar, ayrıca transceiver uygulamalarında entegre bir lazer sürücüsünden gelen ısıyı da artırıyorlar. fotodiode'nin karanlık noktası ve sorumluluğu, sıcaklık duyarlıdır; yüksek sıcaklıklar sızıntı oranını artırıyor ve sinyal azaltıyor.

Küre üretiminde termal yönetim için temel düzen stratejileri:

  • Yüksek güç IC'leri en az 2 mm açık alanla fotoğrafode'den uzak durun veya PCB'ye ısıtılmış bir yuva kullanın (if yönetim alanı izin verir).
  • TIA altında termal vias kullanın ve yükseltici paketleri iç bakır uçağa veya tahtanın tam tarafında bir ısıtın.
  • Metal konut veya modül muhafazası, iletken gazketleri veya termal pedler aracılığıyla PCB zemin uçağı ile iyi ısı temasını sağlar. birimlerin karşılaştırılabilir termal direnci garanti etmek için tutarlı vida tok özelliklerini kullanın.

Gürültü Immunity için zemin ve Shielding

Fotodiode ve TIA son derece düşük akım seviyelerinde çalışır (birkaç mikroamps'a kadar). CDR'den gelen gürültüyü veya yerel bir güç tedariki sinyali kolayca izleyebilirsiniz. Güçlü bir düzen, tüm analog ve izole edilen dijital bölümler için temiz, düşük kesintili bir geri dönüş yolu sunar.

  • Fotodiode ve TIA altında özel bir analog zemin uçağı tek bir noktada (veya bir ferrite bead) yer döngülerini önlemek için kullanın.
  • Ana akımda ilk bakır tabakada bir zeminli bekçi yüzüğü ile enkaplar, her 5 mm'ye kadar dikildi. Bu, çift gürültüyü azaltan alanları azaltır.
  • Çok kanallı alıcılar için, bitişik fotodiode TIA kanalları arasında kanalla temasını bastırmak için yer alan zemin izlerinin yerinin.Diferansiyel sinyalleşme doğal olarak daha iyi bir reddedilme sunar, ancak uygun zemin tutma önemlidir.

Impedance Matching and Transmission Line Design

TIA çıkışında herhangi bir yanlış eşleştirme, CDR'ye giden iz boyunca veya CDR girişinin göz diyagramını bozan sinyal yansımalarına neden olacaktır. Tüm kurullarda tutarlı bir şekilde engellenme, substrat dielektrik sabiti, vb. toleransı nedeniyle zorlanır ve satılan maske kalınlığını azaltır.

  • Referans uçağın üzerinde uygun iz genişliği ve yükseklik seçerek ±5%'in karakteristik bir engeli ile tasarım iletim hatları.
  • 90 derece köşeden kaçının; üniformayı korumak için 45 derece chamfer veya nazik eğriler kullanın.
  • Seri dirençleri olan mikrostriptleri ekleyin (iş frekanslarında kabul edilebilir) veya kesintili tazminat yapıları (örneğin, notches) bir kez PCB imalat toleransları karakterize edilebilir.
  • PCB kumaşçıları ile çalışmak, uygun kuponlar ve gerekli test noktaları oluşturmak için erken çalışır. Üretim çalışması boyunca tutarlılığı doğrulamak için her panelde engelleyici test yapıları içerir.

Test için Instri Design (DFT) Erken

Test, optik alıcı üretiminde büyük bir maliyet sürücüsüdür. Test edilebilirlik güçlerinin test teknisyenlerinin pahalı işlevsel test kurulumlarına veya manuel denetimlere güvenmek için test edilebilirlik yapan bir düzendir, her ikisi de bağlantıdaki hasar riskini azaltır. Optik alıcılar için etkili DFT şunları içerir:

  • Kritik düğümler için özel test pedleri: fotodiode önyargı, TIA çıktı, yükseltici çıktı ve gerilim rayları tedarik etmelidir. Bu pedler standart pogo-pin fikstürleri ile erişilebilir olmalıdır.
  • CDR veya TIA'da yerleşik kendini test eden (BIST) tam bir optik kurulum olmadan bir go/no-go değerlendirmesine izin veren CDR veya TIA'da özellikler.
  • Otomatik optik hizalama için kullanılan PCB'de bir yedek fotodiode kanal veya bir döngü yol (AOA) üretim akışını kesmek olmadan.
  • Seri otobüs (I2C veya SPI) programlama başlıkları, ana veri hatları olarak aynı kenar konektöründe bulunan ve gerekli sayıda eşsiz test adaptörünü azaltın.

Yüksek Hız Alıcıları için Gelişmiş Layout Teknikleri

112 Gbaud PAM4 ve ötesinde biraz oran tırmanırken, geleneksel düzen teknikleri yetersiz hale gelir. Aşağıdaki gelişmiş yöntemler, montaj karmaşıklığının yönetilebilirken sinyal bütünlüğüne sahip olmak için üretim tasarımlarında giderek daha fazla istihdam edilmektedir.

Zincir boyunca Diriliş

Diferansiyel sinyal yolları ortak mod gürültüsünü reddediyor ve elektromanyetik emisyonları azaltır.Yeryüzünde, CDR girişinin TIA çıkışından kontrol edilen bir çiftin birlikte rotalanmış olması gerekir; düzlemi uzun süre boyunca geçirebilmeden kaçının.

Fotodiode arayüzü için, bu doğal olarak tek uçlu, bir dengeli bir fotodiode kullanarak farklı bir TIA. Dengeli algılama (e.g., coherent alıcılar) aynı geometri ile rotalanmış, sinyal sallananını iptal eder, ancak son derece kesin bir şekilde ayar simetrisi gerekir.

Yüksek Yeterli İşaretler için Via Optimizasyon

Vias parasitic kapasitance ve 10 GHz'in üzerinde kayıp geri dönebilen kesintiyi tanıttı. Bir kitlesel üretim ortamında, genellikle tüm vias'ları ortadan kaldıramazsınız, ancak onları optimize edebilirsiniz:

  • Mikrovias (laser-drilled) mümkün olan yerlerde mekanik olarak delik aracılığıyla kullanın. Microvias daha düşük parasitik kapasitance ve daha küçük bir ayak izi vardır, sıkı bileşen yerleştirme sağlar.
  • For through-hole vias, remove the anti-pad (toprakın etrafındaki) sadece sinyalin geçtiği katmanlarda, diğer tüm katmanlarda tam olarak yer alan bir kovanla bağlantı kurdu.
  • Back-drill yüksek hızlı sinyal katmanlarıyla çalışmaz. Bu, 25 Gbps'nin üzerinde çalışan tahtalar için standart bir işlemdir.

EMI uygunluk ve Shielding için

Optik alıcılar genellikle geçiş düzenleyicileri, yüksek hızlı dijital ASICs ve soğutma fanları ile birlikte yoğun muhafazalarda dağıtılırlar. Alıcı düzeninin bindirilmesi veya komplikeli montaj eklemeden önce FCC/CE emisyon testlerini sağlar:

  • Üst bakır zemin, yaklaşık 600 μm'nin yayılmasıyla birlikte, bir ağa yerleştirilen bir ağa dökülüyor.
  • Bir zemin çiti (bir diziler) tüm analog ön uç alanı etrafında yerleştirin. Bu, alanları içeren bir kobiyal benzeri bir kalkan yaratır.
  • Bir metal (örneğin, bir klip kalkanı veya özel bir kapak) üretimde zemin çiti etkili köpük ile ilişkilendirir. Üretimde, PCB'ye zarar vermeden tutarlı bir iletişim kuvveti sağlamak için bir sıkıştırma durağı belirt.

Malzeme ve Süreç Scalable Manufacturing için dikkate alır

Layout optimizasyonu, doğrudan PCB maliyeti, montaj verimini ve güvenilirliğini etkileyecek malzemeler ve montaj süreçlerinden izolasyon edilemez.

PCB Altstrate Selection

Yüksek hızlı alıcı tahtaları Rogers 4350B, Isola Tachyon 100G veya Megtron 6. gibi düşük büyüklükte laminatlar gerektirir, ancak bu malzemeler standart FR-4'ten daha pahalı ve daha sıkı işleme gereksinimlerine sahiptir.

  • Hibrit bir yığın kullanın: yüksek hızlı izler için düşük büyüklükte bir tabaka (CDR'ye TIA'ya fotoyode) ve güç dağıtım ve daha yavaş yönetim sinyalleri için standart FR-4. Bu, performansı korumak için maliyeti azaltır.
  • Yüksek ısı üzerinde sıkı Dk (dielektrik sabit) tolerans (±0.05) ve stabil Df (dissipation faktörü) aşırı sıcaklık üzerinde çalışır.De laminat tedarikçilerle istatistiksel işlem kontrolü (SPC) seçilen substrat için veriler elde etmek.
  • Sıcaklık genişlemesinin katlanması (CTE) PCB ile optik paket arasındaki uyum, 50 ppm /°C'nin altında bir CTE ile bir laminat kullanın.

Solder Maske ve Yüzey Bitirme

Yüksek hızlı izlerdeki satıcılar, ince parçalar için standart olabilir, ancak yüksek frekanslarda deri etkisini ortaya çıkarmak için kontrollü bir şekilde maske kullanabilir. (I90g) test noktalarının maruz kalmasını sağlar. Yüzeyler için iyi sinyal bütünlüğü sağlamak için daha düşük maliyetli bir alternatiftir, ancak üretim için dikkatli bir şekilde işlemesi gerekir, ancak bir araya gelmeniz için bir son derece rahattır.

Assembly Process Optimizasyon

Kurulum, seçici yerlerin yetenekleri ile uyum sağlamalı, yeniden akış ve temizlik ekipmanı. Örneğin:

  • Aynı tarafta tüm bileşenleri yerleştirin (eğer mümkünse) çift taraflı geri dönüş adımlarından kaçınmak için.
  • Yeniden akış sırasında mezarstoning sorunları önlemek için en az 0402 en küçük bileşen boyutunu tut.
  • Otomatik hizalama için net fiducial işaretleri (üç per Panel) sağlayın. fiducials, etraflarında açık bir satışçık ile en az 1 mm'lik bir bakır çemberi olmalıdır.
  • Bu nedenle optik fiber bağlantının PCB'nin tamamen toplanıp test edilmesinden sonra eklenebileceği ve optik arayüze zarar vermemeye çalışılması için yapılandırılabilir.

Test ve Geçerlilik Cilt Üretimi için Stratejileri

Hiçbir düzen gerçekten hızlı ve güvenilir bir şekilde test edilememesi durumunda kitlesel üretim için optimize edilmez. Aşağıdaki test stratejileri, düzen aşamasında düşünülmelidir.

Optik ve Elektrik Göz Diagram Testi

Her alıcı, hassaslık, bant genişliği ve biraz hata oranı için test edilmelidir (BER). Bir üretim ortamında, test hızlı olmalıdır. Layout özellikleri elektrik göz testlerini hızlandıran özellikleri şunlardır:

  • Devre yüklemeden yüksek kesintili bir diferansiyel test çıktıları.
  • TIA veya CDR'de yerleşik bir sahte-random bit serisi (PRBS) jeneratörü, bir test pin ile etkinleştirilir. Bu, dış BER test cihazı olmadan kendini test eden bir sistem sağlar.
  • Test pedlerinin yerlendirilmesi, böylece uçan bir test cihazının onlara tek bir geçişte ulaşabilmesi. Grup test pedleri küçük bir alanda onları tahta etrafında dağıtmayı tercih etmek yerine.

Otomatik Optik (AOA)

Ayrık fotodiodes kullanan alıcılar için fiber, hizalama en zaman alıcı el basamadır.Bunu otomatikleştirmek için, düzeni içermelidir:

  • Fotodiode için sabit bir mekanik datum (örneğin, fotoğrafode merkezi μm içinde PCB'de tam olarak nüks bir hiza delik).
  • TIA fotocurrent'ı takip ederken, seçici yer makinesinin fotoğrafını ayarlamak için izin veren Activeeks pedleri. düzeni bu fotoğrafta mevcut olmayan bir teste yol açmalı.
  • Mekanik özellikler (örneğin, bir kantilever kiriş veya elastomerik bir asır gibi) stresin azaltılması olmadan fotodiode'nin küçük hareketini sağlar.

Burn-In ve Reliability Ekraning

Cilt üretimi, bebek ölümlerinin ekranlandığını gerektirir.Yerin testlerini desteklemesi gerekir:

  • Bireysel güç tedarikini her kanal için izlemek için, bu yüzden tek başarısız bir kanal yakıcı sırasında tüm modülü geri getirmez.
  • Sıcaklık sensörleri (TIA veya ayrı bir ölü olarak) I2C otobüsleri üzerinde dijital bir okuma çıktı. Bu okumalar, termal runaway sergileyen birimleri tanımlamak için giriş yapılabilir.

Scalable Optik Alıcı Layouts'taki Vaka Çalışmaları

Birkaç endüstri liderleri, bir seramik Interposer'in ön plana koyduğu bir tasarıma sahip oldu. Örneğin, büyük bir transceiver üreticisi modüler bir “optik motor” yaklaşımı benimsemiştir, ki bu modül yüksek hızlı bir seçici makine ve yarı zamanlı bir TIA, geri kalan tahtadan ön plana çıkıyordu.

Başka bir örnek, silikon fotonik alanından geliyor. lider yüksek hızlı bir koherent alıcı satıcısı, aktif uyum sırasında darbe verimliliğini ayarlayabilecek olan fotonik entegre devre (PIC) tasarladı ve bu ısıtıcılar aynı miktarda bağlantı hattından faydalandı.Bu test yapıları, her bir kişiye manuel fiber-koupling ihtiyacı ortadan kaldırmak için bir miktar otomatik montaj sürecine izin verdi.

Her iki durumda da, yapılar sadece elektrik performansı için yaratılmadı; üretim süreci ile birlikte tasarlandılar, test akışı ve ped büyüklüğü, prob spacing ve epoxy dam yerleştirme gibi ayrıntılar, montaj evine yorum yapmak için belirtilmedi.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Kitle üretimi ve ölçeklenebilirlik için optik alıcı düzeni, sadece elektrik özellikleriyle değil, aynı zamanda hacimde mümkün olduğunca düşük olan disiplinler arası bir egzersizdir.Kısa sinyal yolları, standart yerleştirme, etkili termal yönetim, sağlam zeminleme ve tasarım için test, mühendisler sadece elektrik özellikleriyle tanışmaz, aynı zamanda hacimde mümkün olduğunca düşük maliyetli ve düşük maliyetli bir şekilde yapılandırılabilir.

En başarılı kuruluşlar bu ilkeleri tasarım kontrol listelerine ve tasarım inceleme süreçlerine sahiptir.Sürek kumaşçıları, montaj ortakları ve tasarım segmentinde bir dizi ürün elde edilebilmesi için tasarım döngüsünde erken bir şekilde test eder. Ayrıca, daha yüksek kaliteli ve daha hızlı bir şekilde piyasa için bir kağıt tutar.

Daha fazla okuma için, [[0)Mikro dalga Journal'ın yüksek hızlı optik alıcılar için PCB düzeni üzerindeki yönergeleri[Dönetici: 1) Uygulama notları[Dönüşükümlü Fiber Modülasyonu Analizi[Döneticileri) ile ilgili olarak, tasarım performansını doğrulama teknikleri hakkında derin bir anlayış sağlar. ek olarak, [[Ücretsiz Focus World article on fiber optik alıcı modüller