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02009-DSH-001-D

器件型号:02009-DSH-001-D
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厂商名称:MA-COM [M/A-COM Technology Solutions, Inc.]
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02009-DSH-001-D器件文档内容

M02009

Pin Pre-amplifier with AGC for 3.3V Fiber Optic Applications
to 622 Mbps

The MC2009 is a low-noise, transimpedance amplifier with AGC, manufactured in low-cost CMOS. Its wide dynamic
range, differential output and high PIN bias make it well suited for telecommunications, especially OC-12/STM-4.
However, the MC2009 is intended to meet the needs of both Telecom and Datacom users.

The MC2009 is available in die form. For optimum system performance die should be mounted in close proximity
with the photodetector.

The MC2009 is designed to be used with the Mindspeed MC2044C Postamplifier IC. When combined with a pho-
todiode, the chip set forms a high performance, low cost 3.3V receiver.

Applications                           Features

ATM/SDH/SONET                         Low cost IC fabricated in CMOS.
PON/FTTH                              Receiver sensitivity better than -32 dBm @ 622 Mbps.
                                        Minimum 340 MHz bandwidth and multi-pole roll off allows a wide

                                          range of operation up to 622 Mbps.
                                        Typical differential transimpedance at low signal levels of 40.
                                        AGC gives continuous operation to +3 dBm
                                        > 33 dB power-supply noise rejection.
                                        Typical 130 mW power comsumption at 3.3V supply.
                                        Monitor output gives linear indication of received optical power.
                                        Differential output.

                                       Functional Block Diagram

                          MON

PINK                        DC         Phase                           DC Shift      DOUT
                   2.6 V  Restore      Splitter                                      DOUT

PINA                        2.5 k

                                                                                 1V

                          B.I.S.T. EN

02009-DSH-001-D           AGC                                                        July 2004

                            Mindspeed TechnologiesTM

                               Mindspeed Proprietary and Confidential
M02009 Data Sheet

Ordering Information                                    Package                    Operating Temperature
                                                      Waffle Pack
                   Part Number             Expanded whole wafer on a ring                40 C to 85 C
                  MC2009-XX*                                                             40 C to 85 C
                  MC2009-XX*

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Revision History

    Revision  Level               Date       ASIC                                  Description
                                           Revision
                                July 2004
    D         Preliminary                            Updated Block Diagram and Top Level Diagram
                                                     Updated Absolute Maximum Ratings
                                                     Updated AC Characteristics

ii                              Mindspeed TechnologiesTM                                          02009-DSH-001-D

                                           Mindspeed Proprietary and Confidential
                      Table of Contents

      Ordering Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii
      Revision History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii
      Table of Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii
      List of Figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv
      List of Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
1.0 Functional Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

        1.1 Overview. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
        1.2 Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2
        1.3 General Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2

               1.3.1 TIA (Transimpedance Amplifier). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2
               1.3.2 AGC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3
               1.3.3 Output Stage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3
               1.3.4 Monitor Output. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3
               1.3.5 Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
        1.4 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
        1.5 Pin Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

2.0 Product Specification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

        2.1 Absolute Maximum Ratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
        2.2 Recommended Operating Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
        2.3 DC Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
        2.4 AC Characteristics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
        2.5 Bare Die Layout and X Y Coordinates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12

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                 Mindspeed Proprietary and Confidential
                 List of Figures

Figure 1-1.      M02009 Block Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
Figure 1-2.      Top level diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2
Figure 1-3.      Typical Performance (1 of 3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
Figure 1-4.      Typical Performance (2 of 3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
Figure 1-5.      Typical Performance (3 of 3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
Figure 1-6.      TO-Can Assembly Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

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                 Mindspeed Proprietary and Confidential
                 List of Tables

Table 1-1.       Pad Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
Table 2-1.       Absolute Maximum Ratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
Table 2-2.       Recommended Operating System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
Table 2-3.       DC Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
Table 2-4.       AC Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
Table 2-5.       Bare Die Layout Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12

02009-DSH-001-D  Mindspeed TechnologiesTM                v

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                          1.0 Functional Description

1.1              Overview

The MC2009 is a low-noise, transimpedance amplifier with AGC, manufactured in low-cost CMOS. Its wide
dynamic range, differential output and high PIN bias make it well suited for telecommunications, especially OC-12/
STM-4. However, the MC2009 is intended to meet the needs of both Telecom and Datacom users.

The MC2009 is available in die form. For optimum system performance die should be mounted in close proximity
with the photodetector.

The MC2009 is designed to be used with the Mindspeed MC2044C Postamplifier IC. When combined with a pho-
todiode, the chip set forms a high performance, low cost 3.3V receiver.

Figure 1-1. M02009 Block Diagram

                          MON

PINK                        DC         Phase                                   DC Shift      DOUT
                   2.6 V  Restore      Splitter                                              DOUT

PINA                        2.5 k

                                                                                         1V

                          B.I.S.T. EN

                           AGC

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                                                                       Functional Description

Figure 1-2. Top level diagram

                               PINK   MON        VCC

                                                                                    DOUT
                 PINA

                                                                                    DOUTB

                               AGC               GND

1.2              Features

Low cost IC fabricated in CMOS.
Receiver sensitivity better than -32 dBm @ 622 Mbps.
Minimum 340 MHz bandwidth and multi-pole roll off allows a wide range of operation up to 622 Mbps.
Typical differential transimpedance at low signal levels of 40.
AGC gives continuous operation to +3 dBm
> 33 dB power-supply noise rejection.
Typical 130 mW power comsumption at 3.3V supply.
Monitor output gives linear indication of received optical power.
Differential output.

1.3              General Description

1.3.1            TIA (Transimpedance Amplifier)

The transimpedance amplifier consists of a high gain single-ended CMOS amplifier, with a feedback resistor. The
feedback creates a virtual low impedance at the input and virtually all of the input current passes through the feed-
back resistor, defining the voltage at the output. Advanced CMOS design techniques are employed to maintain the
stability of these stages across all input conditions.

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                               Mindspeed Proprietary and Confidential
M02009 Data Sheet

Single-ended amplifiers have inherently poor power supply noise rejection. For this reason, an on-chip low dropout
linear regulator has been incorporated into the design to give excellent noise rejection up to several MHz. Higher
frequency power supply noise is removed by external decoupling.

The circuit is designed for PIN photodiodes in the "grounded cathode" configuration, with the anode connected to
the input of the TIA and the cathode connected to AC ground. Reverse DC bias is applied to reduce the photodiode
capacitance.

1.3.2  AGC

The MC2009 has been designed to operate over the input range of +3 dBm to 32 dBm at long wavelengths. This
represents a ratio of 1:3000, whereas the acceptable dynamic range of the output is only 1:100 which implies a
compression of 30:1 in the transimpedance. The design uses a MOS transistor to achieve the transimpedance
variation.

Another feature of the AGC is that it is only operates on signals greater than 20 dBm (@ 0.9A/W). This knee in the
gain response is important when setting "signal detect" functions in the following postamplifier. It also aids in active
photodiode alignment.

The AGC pad allows the AGC to be disabled during photodiode alignment by grounding the pad through a low
impedance. The AGC control voltage can be monitored during normal operation at this pad by a high impedance
(>10 M) circuit. In addition, taking this pad to VCC +1.2V enables an internal test oscillator which supplies a 1
MHz 10 uA pk(approximate) square wave current internally between the PIN K and PIN A pads to emulate a pho-
todiode for test purposes.

1.3.3  Output Stage

The signal from the TIA enters a phase splitter and a pair of voltage follower outputs. These are designed to drive
a high impedance (>500) load. They are stable for driving capacitive loads such as interstage filters. Each output
has its own GND pad, all four GND pads on the chip should be connected for proper operation.

Since the MC2009 exhibits rapid rolloff, external filtering is not required.

1.3.4  Monitor Output

High impedance output sinks a 1:1 replica of average photodiode current for monitoring purposes.

Note that this output is provided because in this device it is not possible to connect the photodiode cathode to Vcc.
For the correct operation of the AGC and DC restore, the photodiode cathode must be connected to the PINK pin.
The MC2009 measures the photodiode current and uses this information to set the transimpedance and reduce the
DCoffset of the outputs. To convert this output to a voltage, a resistor to Vcc should be used. Note that for linearity,
ensure that Vmon is always > 1V.

3                    Mindspeed TechnologiesTM                                                     02009-DSH-001-D

                       Mindspeed Proprietary and Confidential
                                                                                                                                                                                                                                                            Functional Description

Figure 1-3. Typical Performance (1 of 3)

                                           Typical Bandwidth vs. Photodiode Capacitance

                 -3 dB Optical Bandwidth (MHz)  500
                                                450
                                                400
                                                350
                                                300

                                                     0.4                     0.5  0.6  0.7                    0.8  0.9      1.0       1.1                                                                                                              1.2

                                                                                       Photodiode Capacitance (pF)

                                                Sensitivity vs Responsivity vs Photodiode Capacitance

                                                     Sensitivity (dBm)  -26                                                                                                                                                                         c
                                                                        -28  c
                                                                        -30
                                                                        -32

                                                                        0.2                                                           1.0  1.2

                                                                                   0.4                                      0.6  0.8
                                                                                              0.6
                                                                                                         0.8  1.0  0.2 0.4       Cpd (pF)

                                                                                  Respd (A/W)

02009-DSH-001-D                                                              Mindspeed TechnologiesTM                                                                                                                                                       4

                                                                             Mindspeed Proprietary and Confidential
M02009 Data Sheet

Figure 1-4. Typical Performance (2 of 3)

                                                                        Monitor Ratio

                                Input Current v Average MONITOR Current @Vcc=3.3V

                          1

   MONITOR Current (m A)  0.1

                           0.01                                                                                                  85C
                          0.001                                                                                                  21C
                                                                                                                                 -40C

                          0.0001

                          0.0001                                 0.001       0.01                        0.1            1

                                                                        Input Current (m A)

                                                                 Supply Voltage vs Average Supply Current

                                                                  Supply Voltage v Average Supply Current

                                                       36.00

                                                       34.00

                                                       32.00

                                  Supply Current (mA)  30.00

                                                       28.00                                                               +85C
                                                                                                                           +21C
                                                       26.00                                                               -40C

                                                       24.00

                                                       22.00

                                                       20.00     3.1    3.2  3.3             3.4              3.5  3.6
                                                              3

                                                                        Supply Voltage (V)

5                                                                Mindspeed TechnologiesTM                                        02009-DSH-001-D

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                                                                                                                Functional Description

Figure 1-5. Typical Performance (3 of 3)

                                                        Input Current vs Dout Average Transimpedance

                                                        Input Current v DOUT Average Transimpedance @ 21C

                                          100000

                 Transim pedance (Ohm s)   10000                                                                      3.6V
                                                                                                                      3.3V
                                                                                                                      3.0V

                                           1000                1        10                      100             1000
                                                 0.1              Input Current (uA pk-pk)

                                                        PINK Input Current vs Average PINK Voltage

                                                        PINK Input Current v AveragePINK Voltage @Vcc=3.3V

                 Average PINK Voltage (V)  3.000                                                                      85C
                                           2.500                                                                      21C
                                           2.000                                                                      -40C
                                           1.500
                                           1.000        0.001     0.01      0.1                 1           10
                                           0.500
                                           0.000

                                                0.0001

                                                                  PINK Input Current (mA)

                                                                  Eye Diagram @ - 20 dBm

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M02009 Data Sheet

1.3.5  Assembly

The M02009 is designed to work with a wirebond inductance of 1 nh +/- 0.25 nh. Many existing TO-Can configura-
tions will not allow wirebond lengths that short, since the PIN diode submount and the TIA die are more than 1 mm
away in the vertical direction, due to the need to have the PIN diode in the correct focal plane. This can be remedi-
ated by raising up the TIA die with a conductive metal shim. This will effectively reduce the bond wire length. Refer
to Figure 5 on the following page for details. Mindspeed recommends ball bonding with a 1 mil
(25m) gold wire.

In addition, please refer to the Mindspeed Product Bulletin (document number 0201X-PBD-001). Care must be
taken when selecting chip capacitors, since they must have good low ESR characteristics up to 1 Ghz. It is also
important that the termination materials of the capacitor be compatible with the attach method used.

Tin/Lead (Pb/Sn) or Tin (Sn) solder finish capacitors are incompatible with silver-filled epoxies. Palladium/Silver
(Pd/Ag) terminations are compatible with silver filled epoxies. Solder can be used only if the substrate thick-film
inks are compatible with Tin-bearing solders.

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                                                                                          Functional Description

Figure 1-6. TO-Can Assembly Diagram

                                     NOT Recommended              Capacitor
                                             Example

                                                     PIN
                                                    Diode

                                                                                     470  Wire Bond
                                                                                      pF
                                                                                            TO Can Leads
                 M02009                                                                     (x 4or 5)

                                                 Ceramic Shim
                                                   Submount

                                     TO-CAN Header

                                     Recommended
                                         Example

                 M02009                                     PIN
                                                           Diode
                                                                                          Capacitor
                                                             470                                   Wire Bond
                                                              pF

                                     Metal Shim     Ceramic Shim                          TO Can Leads
                                                      Submount                            (x 4or 5)

                                     TO-CAN Header

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1.4             Applications

ATM/SDH/SONET
PON/FTTH

1.5             Pin Definitions

Table 1-1.      Pad Description
        Name                                                                      Function

          GND       Ground. Connect to the most negative supply. All pads should be connected
          DOUT      Non-Inverted Data Output. Differential output with DOUT
           VCC      Power. Connect to most positive supply. Either or both pads may be used.
          PINK      Photodiode Cathode connection. Connect photodiode between PINK and PINA. Connect de-coupling cap between PINK and
                    GND (470pF typ).
          PINA      Photodiode Anode connection. Connect photodiode between PINA and PINK.
          DOUT      Inverted Data Output. Differential output with DOUT
          MON       Optical input power monitor. Current sink output, current flow into pin.
          AGC       AGC disable/monitor (test mode enable)

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                           2.0 Product Specification

2.1              Absolute Maximum Ratings

Table 2-1. Absolute Maximum Ratings

Symbol                                  Parameter                                       Rating                              Units

VCC     Power supply (VCC-GND)                                                             4.5                                V
                                                                                      -40 to +85                              C
TA      Operating ambient                                                                                                     C
                                                                                         +150                                 C
TJ      Junction temperature (die)                                                    -65 to +150                           MAPP

TSTG    Storage temperature                                                                4.5

IMAX    Input Overload Current

2.2              Recommended Operating Conditions

Table 2-2. Recommended Operating System

Symbol                                  Parameter                                       Rating                              Units

VCC     Power supply (VCC-GND)                                                         3.3 10%                              V
                                                                                      -40 to +100                             C
TJ      Junction temperature (die)                                                    -40 to +85 1                            C

TA      Operating ambient temperature

2.3              DC Characteristics

Table 2-3. DC Characteristics

Symbol           Parameter                         Min.                         Typ.  Max.                                  Units

VB      PIN Photodiode bias voltage (PINK - PINA)  1.5                          1.6   1.8                                     V
                                                                                                                              V
Voh & VOL Output High and Low Voltages             1.1                          1.6   2.4                                     V
                                                                                                                             mA
VCM     Common mode output voltage                 1.4                          1.6   1.9

ICC     Supply current (no loads)                  --                           30                  45

NOTE:
1. Die are tested and guaranteed at 25 C, and are designed and characterized to operate over the whole temperature range.

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2.4                 AC Characteristics

Table 2-4. AC Characteristics

     Symbol                                 Parameter                               Min.  Typ.  Max.                                 Units

          ROUT      Output impedance (single ended) 3                               30    45    60                                   
          INOISE    Total integrated input referred RMS noise1,2,8
                    Small signal Transimpedance 3, 4                                50    70    91                                   nA
            G       Single ended
                    Diffferential                                                                                                    K
           BW       Bandwidth (-3dB point optical) 1, 5, 8
          PSSR      Power Supply Rejection Ratio (<4 MHz) 8                         14    18    23
                    Differential output voltage 3, 8
           VD       Lower frequency cutoff (-3 dB corner) 8                         28    36    46
        LF cutoff   Pulse overshoot 1, 8, 9
        OSPULSE     Pulse width distortion 1, 8                                     340   400   460                                  MHz
                    AGC Time constant 6, 8, 11
          TPWD                                                                      27    30    31                                   dB
          TAGC      Jitter 1, 8, 9
          Jitter    Optical Sensitivity 1,2,8                                       600   800   1000                                 mV
    PIN(mean), min
                                                                                    -     40    50                                   KHz

                                                                                    -     13    20                                   %

                                                                                    -     3     8                                    %

                                                                                    -     32    1800                                 us

                                                                                    -     145   200                                  ps, p-p

                                                                                    -     -32   -                                    dBm

     I max          Input Overload Current                                          -     -     4.5                                  mApp

NOTES:
1. Measured with input capacitance, CIN = 0.7 pF
2. Assuming a photodiode responsivity of 0.9 A/W, at an extinction ratio of 10 dB and BER of 10-10 BW=415 MHz
3. The MC2009 is designed to drive a load >500.
4. Measured at 1 MHz, 1 uA
5. Measured at -30 dBm
6. AGC time constant can be increased by adding a capacitor from AGC pad to ground
7. Worst case occurs at the AGC knee point. This corresponds to appoximate optical power levels in the range of -20 dBm to -25 dBm.
8. Guaranteed by design and characterization.
9. Optical input >= -20 dBm.
10. Die are tested and guaranteed at 25 C, however are characterized to operate over the whole temperature range.
11. For a 30 db input signal change.

11                                          Mindspeed TechnologiesTM                                  02009-DSH-001-D

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2.5              Bare Die Layout and X Y Coordinates

Table 2-5. Bare Die Layout Example

                                          Pad                           X     Y

                                    GND                                 -307 300
                                    GNDDOUT
                                    DOUT                                -307 150
                                    MON
                                    VCC                                 -307  0
                                    PINK
                                    PINA                                -307 -150
                                    VCC
                                    AGC                                 -307 -300
                                    DOUT
                                    GNDDOUT                             -99.25 -397
                                    GND
                                                                        124.8 -397

                                                                        307 -300

                                                                        307 -150

                                                                        307   0

                                                                        307   150

                                                                        307   300

                 Notes:
                 Process technology: CMOS, Silicon Nitride passivation
                 Die thickness: 300 m
                 Pad metallization: Aluminum
                 Die size: 890 m x 1020 m
                 Pad opening: 86 msq
                 Octagonal pad: 70 m across flat
                 Pad Centers in m referenced to center of device.

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