CN101867363B - 具有稳定差分共模电压的lvds驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有稳定差分共模电压的LVDS驱动电路，它包括一个电压偏置单元、一个输入放大单元和一个输出驱动单元。与常规的LVDS驱动电路相比，它具有以下特点：1)在输出驱动单元中，从第二电源V_DD到地之间减少了一个二极管的电压降，使输出驱动单元能在更低的电源电压条件下工作；2)从电路总体上减少了两条驱动支路的电流，使本发明电路的功耗大大降低；3)本发明电路的偏置电压具有特定的温度性能，使本发明电路的差分共模电压更加稳定。本发明电路可广泛应用于高速A/D转换器的LVDS输出接口电路。

Description

具有稳定差分共模电压的LVDS驱动电路

技术领域

本发明涉及一种低电压差分信号(LVDS)驱动电路，特别涉及一种用于高速A/D转换器输出的具有稳定差分共模电压的LVDS驱动电路。它直接应用的领域是高速A/D转换器的输出接口电路领域。

背景技术

近年来，随着A/D转换器性能的提高，对其输出接口电路的要求越来越高，低电压差分信号(LVDS，Low Voltage Differential Signaling)输出驱动技术由于其传输速度快、信号摆幅小、功耗低、电磁干扰小、抗干扰能力强等优点而广泛应用于高速、高性能A/D转换器中。

常规的LVDS驱动电路如图1所示。它通过NPN晶体管MQ₁、MQ₂将差分输入信号进行适当放大后，分别传输到NPN晶体管MQ₃、MQ₄、MQ₇和MQ₈的基级，然后由MQ₄和MQ₇射随输出差分信号。流过MN₂～MN₇的电流都是由输入电流I_bias经MN₁镜像复制，其中，输入电流I_bias在-55℃～125℃范围内变化不超过1％。该电路具有高速转换、结构简单和易于实现的特点。但它存在两个问题：1)由于它的偏置电流电路，不能补偿输出三极管MQ₄和MQ₇的V_be(基极-发射极电压)在全温范围内的变化，即在-55℃～125℃范围内，其输出的差分共模电压的变化幅度达200mV，因此，该电路的差分共模电压极不稳定，很难满足现在高速低压A/D转换器在-55℃～125℃条件下的工作要求；2)该电路的电源电压为3.3V，驱动电流大，功耗很大，已经不适应现代高速A/D转换器的低压低功耗要求。

发明内容

为克服上述常规LVDS驱动电路的输出共模电压不稳定的问题，本发明提供一种具有稳定差分共模电压的LVDS驱动电路，且本发明电路实现的功耗更低。

为实现上述目的，本发明解决上述技术问题所采取的技术方案在于：一种具有稳定差分共模电压的LVDS驱动电路，它含有：

一个电压偏置单元，包括：

NPN双极晶体管Q₁～Q₄、电阻R₁～R₄，其中，Q₃的集电极和基极与Q₄的基极相接，并与R₁的一端相接，Q₃的发射极接Q₁的集电极，Q₄的集电极接R₂的一端，Q₄的发射极接Q₂的集电极，Q₂的集电极和基极与Q₁的基极相接，连接点为电压偏置单元的偏置电压输出端V_bias，Q₁的发射极接R₃的一端，Q₂的发射极接R₄的一端，R₁、R₂的另一端均接3.3V的第一电源V_CC，R₃、R₄的另一端均接地；

一个输入放大单元，包括：

NPN双极晶体管Q₅～Q₇、电阻R₅～R₇，其中，Q₆的基极接整个LVDS驱动电路的正输入端V_IN+，Q₇的基极接整个LVDS驱动电路的负输入端V_IN-，Q₆的集电极接R₆的一端，Q₇的集电极接R₇的一端，Q₆的发射极、Q₇的发射极均与Q₅的集电极相接，Q₅的基极接电压偏置单元的偏置电压输出端V_bias，Q₅的发射极接R₅的一端，R₆、R₇的另一端接3.3V第一电源V_CC，R₅的另一端接地；

一个输出驱动单元，包括：

NPN双极晶体管Q₈～Q₁₅、NMOS管N₁～N₄，其中，Q₈和Q₁₀的基极与Q₇的集电极相接，Q₉和Q₁₁的基极与Q₆的集电极相接，Q₁₅的基极、集电极与Q₁₄的基极、Q₈的发射极连接在一起，Q₁₂的基极、集电极与Q₁₃的基极、Q₁₁的发射极连接在一起，Q₁₃的集电极与Q₁₀的发射极相接，连接点为整个LVDS驱动电路的正输出端V_out+，Q₁₄的集电极与Q₉的发射极相接，连接点为整个LVDS驱动电路的负输出端V_out-，Q₁₃、Q₁₄的发射极与N₃的漏极相接，Q₁₂的发射极与N₂的漏极相接，Q₁₅的发射极与N₄的漏极相接，N₂、N₃、N₄的栅极与N₁的漏极、栅极连接在一起，Q₈、Q₉、Q₁₀和Q₁₁的集电极均接2.25V的第二电源V_DD，N₁、N₂、N₃和N₄的源极均接地。

所述电压偏置单元的偏置输出电压V_bias为负温度系数电压，在-55℃～125℃范围内，它与NPN双极晶体管Q₅的基极-发射极电压V_be5的差值，即(V_bias-V_be5)为正的20～120mV。

有益效果：

本发明的一种具有稳定差分共模电压的LVDS驱动电路，包括一个电压偏置单元、一个输入放大单元和一个输出驱动单元，与常规的的LVDS驱动电路相比，它具有以下特点：

1.由于在本发明电路的输出驱动单元中，从第二电源V_DD到地之间减少了一个二极管的电压降，使输出驱动单元能在更低的电源电压条件下工作，本发明电路能在更低的2.25V电源电压下工作。

2.本发明电路的电压偏置单元提供静态电压，电压偏置单元的电流较小，仅有100μA，电压偏置单元的功耗为0.33mW；在本发明电路的输出驱动单元中，由于减少了2条驱动支路，输出驱动单元的电流从常规电路的3.9mA减少到3.3mA，同时，第二电源V_DD为2.25V，因此输出驱动单元节省功耗达5.445mW。由此可知，本发明电路的整体电路功耗为9.85mW，比常规的LVDS电路节省了功耗5.115mW。

3.本发明电路的电压偏置单元中，其偏置电压V_bias具有负温度系数电压，使输入放大单元中的输出共模电压与输出驱动管Q₉、Q₁₀的V_be在-55℃～125℃范围内的变化一致，在不额外增加共模反馈电路的情况下，本发明电路输出的差分输出共模电压在-55℃～125℃范围内更加稳定。在1Gb/s输出速率、-55℃～125℃范围的条件下，常规的LVDS驱动电路的差分共模电压的变化幅度超过200mV，而本发明的LVDS驱动电路的差分共模电压的变化幅度不超过3mV。

附图说明

图1是常规的LVDS驱动电路的电路图；

图2是本发明具体实施的具有稳定差分共模电压的LVDS驱动电路的电路图。

具体实施方式

本发明的具体实施方式不仅限于下面的描述，现结合附图加以进一步说明。

本发明具体实施的具有稳定差分共模电压的LVDS驱动电路的电路图如图2所示。它由一个电压偏置单元、一个输入放大单元和一个输出驱动单元组成。电压偏置单元包括：NPN双极晶体管Q₁～Q₄、电阻R₁～R₄，此单元作为电压偏置电路，为输入放大单元中的Q₅提供具有负温度系数的偏置电压。输入放大单元包括：NPN双极晶体管Q₅～Q₇、电阻R₅～R₇，此单元作为输入放大级，对输入差分信号V_in+、V_in-进行放大，差分电压放大幅度为2～4倍；该输入放大单元的转换速率达1Gb/s以上。输出驱动单元包括：NPN双极晶体管Q₈～Q₁₅、NMOS管N₁～N₄，此单元作为输出驱动级，由Q₉和Q₁₀射随输出差分信号V_out+、V_out-。

图2中的具体连接关系、作用关系与本说明书的发明内容部分相同，此处不再重复。它的工作原理如下：

电压偏置单元的工作电流较小，仅有100μA。其偏置电压V_bias的表达式如下：

V_bias＝V_CC-I×R₁-V_be4               (1)

其中，流过电阻R₁的电流I为：

$I=\frac{V_{\mathrm{CC}}-V_{\mathrm{be}4}-V_{\mathrm{be}1}}{R_1+R_3}---\left(2\right)$

电路设计中，Q₃与Q₄的参数相同，Q₁与Q₂参数相同，R₁与R₂参数相同。三极管Q₁和Q₄的V_be是负温度系数电压，电阻R₁～R₇都采用负温度系数的多晶电阻。由表达式(2)可得，I为正温度系数电流。优化电阻R₁和R₃的阻值，Q₁和Q₄的发射极面积，使电压偏置单元中的输出偏置电压V_bias为负温度系数电压，在-55℃～125℃范围内，它与NPN双极晶体管Q₅的基极-发射极电压V_be5的差值，即V_bias-V_be5为正的20～120mV。这样，使输入放大级的输出电压为负温度系数电压，去补偿Q₉和Q₁₀的V_be在-55℃～125℃范围内的变化。

输出共模电压V_o的表达式为：

$V_O=\frac{(V_{\mathrm{out}}-)+(V_{\mathrm{out}}+)}{2}=V_{\mathrm{CC}}-\frac{I_1\×R_6}{2}-V_{\mathrm{be}9}---\left(3\right)$

其中，流过输入放大单元中Q₅的电流I₁的表达式如(4)所示：

$I_1=\frac{V_{\mathrm{bias}}-V_{\mathrm{be}5}}{R_5}---\left(4\right)$

电路设计中，Q₆与Q₇参数相同，R₆与R₇参数相同，Q₉和Q₁₀参数相同。流过N₂～N₄的电流都是由输入电流I_bias经N₁镜像复制，其中，输入电流I_bias在-55℃～125℃范围内变化不超过1％。

由于(V_bias-V_be5)是正温度系数电压，由(4)式可得，I₁是正温度系数电流。当I₁的正温度系数较大时，I₁*R₆/2为正温度系数电压，流过N₃的电流在-55℃～125℃范围内变化不超过1％的情况下，当具有正温系数的I₁*R₆/2完全补偿具有负温度系数的V_be9时，差分输出共模电压V_O就不会随温度变化而变化。

本发明电路的电压偏置单元提供静态电压，电压偏置单元的电流较小，仅有100μA，电压偏置单元的功耗为0.33mW；在本发明电路的输出驱动单元中，由于减少了2条驱动支路，输出驱动单元的电流从常规电路的3.9mA减少到3.3mA，同时，第二电源V_DD为2.25V，因此输出驱动单元节省功耗为5.445mW。由此可得，本发明电路的整体电路功耗为9.85mW，比常规的LVDS电路节省功耗达5.115mW。

因此，本发明电路在不引入共模反馈电路的情况下能输出具有稳定的差分共模电压，且具有低压低功耗的优点，大大提高了信号的传输性能。本发明的LVDS驱动电路已成功应用于8位1GSPS A/D转换器中。其测试结果显示，该A/D转换器完全满足其指标要求，而常规的LVDS驱动电路却难以满足如此高速、低压A/D转换器在-55℃～125℃条件下工作的要求。

本发明的制造工艺为常规的硅栅N阱0.35μm BiCMOS工艺。

本发明电路中的NPN双极晶体管、NMOS管的基本参数为：

NMOS管的阈值电压V_T：0.45～0.65V；

NPN双极晶体管的基极-发射极电压V_be：0.7～0.9V。

电阻R₁～R₇均为常规的负温度系数的多晶电阻，其中，R₁的电阻值：20kΩ～35kΩ；

R₂的电阻值：5kΩ～15kΩ；R₃、R₄的电阻值：2kΩ～4kΩ；R₅电阻值：150Ω～250Ω；

R₆、R₇的电阻值：1kΩ～2kΩ。

Q₁、Q₂的发射区面积：0.3μm²～0.5μm²；

Q₃、Q₄的发射区面积：0.2μm²～0.3μm²；

Q₅的发射区面积：0.2μm²～0.3μm²；

Q₁₂、Q₁₅的发射区面积：0.09μm²～0.15μm²。

Claims (2)

1.一种具有稳定差分共模电压的LVDS驱动电路，其特征在于包括：

一个电压偏置单元，包括：

NPN双极晶体管Q₁～Q₄、电阻R₁～R₄，其中，Q₃的集电极和基极与Q₄的基极相接，并与R₁的一端相接，Q₃的发射极接Q₁的集电极，Q₄的集电极接R₂的一端，Q₄的发射极接Q₂的集电极，Q₂的集电极和基极与Q₁的基极相接，连接点为电压偏置单元的偏置电压输出端V_bias，Q₁的发射极接R₃的一端，Q₂的发射极接R₄的一端，R₁、R₂的另一端均接3.3V的第一电源V_CC，R₃、R₄的另一端均接地；

一个输入放大单元，包括：

NPN双极晶体管Q₅～Q₇、电阻R₅～R₇，其中，Q₆的基极接整个LVDS驱动电路的正输入端V_IN+，Q₇的基极接整个LVDS驱动电路的负输入端V_IN-，Q₆的集电极接R₆的一端，Q₇的集电极接R₇的一端，Q₆的发射极、Q₇的发射极均与Q₅的集电极相接，Q₅的基极接电压偏置单元的偏置电压输出端V_bias，Q₅的发射极接R₅的一端，R₆、R₇的另一端接3.3V第一电源V_CC，R₅的另一端接地；

一个输出驱动单元，包括：

NPN双极晶体管Q₈～Q₁₅、NMOS管N₁～N₄，其中，Q₈和Q₁₀的基极与Q₇的集电极相接，Q₉和Q₁₁的基极与Q₆的集电极相接，Q₁₅的基极、集电极与Q₁₄的基极、Q₈的发射极连接在一起，Q₁₂的基极、集电极与Q₁₃的基极、Q₁₁的发射极连接在一起，Q₁₃的集电极与Q₁₀的发射极相接，连接点为整个LVDS驱动电路的正输出端V_out+，Q₁₄的集电极与Q₉的发射极相接，连接点为整个LVDS驱动电路的负输出端V_out-，Q₁₃、Q₁₄的发射极与N₃的漏极相接，Q₁₂的发射极与N₂的漏极相接，Q₁₅的发射极与N₄的漏极相接，N₂、N₃、N₄的栅极与N₁的漏极、栅极连接在一起，Q₈、Q₉、Q₁₀和Q₁₁的集电极均接2.25V的第二电源V_DD，N₁、N₂、N₃和N₄的源极均接地。

2.根据权利要求1所述的具有稳定差分共模电压的LVDS驱动电路，其特征在于所述电压偏置单元的偏置输出电压V_bias为负温度系数电压，在-55℃～125℃范围内，它与NPN双极晶体管Q₅的基极-发射极电压V_be5的差值，即(V_bias-V_be5)为正的20～120mV。