CN102210097B

CN102210097B - 高频差分放大器和收发器电路

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Publication number: CN102210097B
Application number: CN200980144424.2A
Authority: CN
Inventors: M·诺伊舍勒; R·埃克特; A·温茨勒
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-11-10
Filing date: 2009-09-25
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2029-09-25
Also published as: DE102008057629A1; CN102210097A; DE102008057629B4; WO2010052065A1

Abstract

本发明涉及一种用于总线系统（11）的收发器电路（21）的高频差分放大器（61），其具有带有绝缘层场效应晶体管（M1，M2）的两个晶体管级（63，65）和连接到这两个晶体管级（63，65）上的共同的支路（67），用于使晶体管级（63，65）彼此耦合，其中与共同的支路（67）相关有高频差分放大器（61）的用于产生穿过共同的支路（67）流动的工作电流（I_bias）的电流源（75）。为了提供一种增益在很大程度上与高频放大器（61）的器件的温度（T）和散布无关的高频放大器（61）而建议：晶体管级（63，65）被设立用于在弱反型的情况下驱动绝缘层场效应晶体管（M1，M2），以及电流源（75）被构造用于补偿至少一个绝缘层场效应晶体管（M1，M2）的增益的温度相关性，使得工作电流（I_bias）与高频差分放大器（61）的温度（T）有关。

Description

高频差分放大器和收发器电路

技术领域

本发明涉及一种具有权利要求1的前序部分的特征的高频差分放大器以及一种具有权利要求5的前序部分的特征的收发器电路。

背景技术

载货汽车常常借助通信系统（如以名称“FlexRay”公知的总线系统）彼此连接。在总线系统上的通信量、访问和接收机制以及故障处理通过协议来调节。FlexRay是一种快速的、确定性的（deterministisch）且容错的总线系统，尤其是在汽车中采用。FlexRay协议根据时分多址（TDMA，Time Division Multiple Access）的原理来工作，其中给参与者或要传输的消息分配固定的时隙，参与者或要传输的消息在这些固定的时隙中排他地访问通信连接。时隙在此以固定的循环重复，使得消息通过总线传输的时刻可以精确地被预报并且确定性地进行总线访问。

为了最优地利用用于在总线系统上传输消息的带宽，FlexRay将循环划分成静态部分和动态部分。固定的时隙在此位于在总线循环开始的静态部分中。在动态部分中，时隙动态地被预给定。在其中，排他的总线访问现在分别只在短时间内（在至少一个所谓的微时隙的持续时间内）能够实现。只有当在微时隙内进行总线访问时，该时隙才被延长所需的时间。由此，亦即只有当实际也需要带宽时才消耗该带宽。在此，FlexRay通过一个或者两个在物理上分离的线路以分别最大为10Mbit/sec的数据率来进行通信。FlexRay也可以以较低的数据率来工作。借助这些线路所实现的通道在此对应于比特传输层、尤其是所谓的OSI（开放式体系架构（Open System Architecture））层模型的比特传输层。两个通道的使用主要用于冗余并且由此容错地传输消息，然而也可以传输不同的消息，由此接着使数据率翻倍。通常，消息借助差分信号来传输，也就是说通过连接线路传输的信号由通过两个线路传输的单个信号之差来得到。在层模型中在比特传输层之上的层被构造为使得该信号或者这些信号可能通过（多个）线路进行电传输或者光学传输或者以其它方式进行传输。

公知的用于FlexRay的收发器电路通常具有用于接收通过线路传输的数字信号的接收器电路。在这种接收器电路中，通常存在用于放大数字信号的高频放大器。这种公知的高频放大器的增益（Verstaerkung）（尤其是直接放大）与器件的温度和器件的制造散布（Fertigungsstreuung）有关。在公知的高频放大器的情况下，恒定的增益只能通过外部负反馈（闭环运行）来实现。外部负反馈在公知的放大器工作时在收发器电路中产生干扰性影响，因为负反馈可导致放大器的稳定性问题（振荡、爆震（Klingeln）等等）并且由于针对负反馈通常所使用的由电阻构成的网络造成对放大器的输入端的干扰性反作用。

除了闭环放大器之外，也公知双极型电路，由于在那里同样存在指数控制特性曲线。此外，作为纯的CMOS放大器还使用了具有MOS二极管的电路作为负载。这些电路仅仅对于小信号电平充分线形地运行。

发明内容

本发明的任务是提供一种高频放大器，该高频放大器的增益在很大程度上与放大器的器件的温度和散布无关，使得该放大器也可以在没有外部负反馈的情况下被应用于放大（尤其是用于FlexRay通信系统的）接收器电路的输入信号。

该任务通过一种具有权利要求1的特征的放大器以及通过一种具有权利要求5的特征的收发器电路来解决。根据本发明的放大器的有利的改进方案在从属权利要求中予以说明。总体上，本发明提供了一种增益与温度无关的放大器，尤其是提供了具有与温度无关的直接放大的放大器。

优选地，根据权利要求3，电流源的一个或多个晶体管、优选地多个并联连接的晶体管在弱反型的情况下运行，使得借助这些晶体管可以实现电流源的对于进行放大的晶体管级的温度补偿的运行所需的温度相关性。这些晶体管作为电流源的温度传感器工作。

放大器可以借助任意的半导体技术、然而优选地借助CMOS半导体技术来实现。

由于恒定的增益，所以可以取消在公知的放大器中所需的负反馈支路。由此，可以避免对输入信号的反作用。此外，根据本发明的放大器特别稳定地工作并且特征在于对振荡的倾向低。

此外，根据本发明的放大器需要半导体芯片上的比较小的面积。因为可用于制造放大器的现代CMOS技术允许比例如利用双极型技术所能够实现的晶体管更小的晶体管。

附图说明

本发明的其它特征和优点由以下描述得到，其中参照附图进一步阐述了本发明的示例性实施形式。在此，

图1示出了带有分别具有带有接收器电路的收发器电路的节点的总线系统；

图2示出了用于放大在图1中的接收器电路上的输入信号的放大器；

图3示出了绝缘层场效应晶体管（MOSFET）的示意图；以及

图4示出了具有负反馈支路的公知的放大器。

具体实施方式

图1示出了总线系统11，多个节点13被连接到该总线系统11上。总线系统11可以是FlexRay通信系统，并且因此该总线系统11可以根据FlexRay协会的规范来构造。

各个节点13通过总线线路15直接地或者间接地经由星形耦合器17彼此连接。每个总线线路15都被构造为具有至少一个芯线对的线缆，所述至少一个芯线对包括分别形成电导体的两个芯线19。总线系统11因此具有用于传输数据的通道，所述用于传输数据的通道通过芯线对的芯线19来形成。在未示出的实施形式中，总线系统11可以具有多个通道、优选地两个通道，所述通道通过两个彼此分离的芯线对来实施（未示出）。通过使用两个通道可以通过在这两个通道上传输不同的数据来提高节点13之间的数据传输的有用数据率。由于总线系统在两个芯线对之一有故障时可以继续工作，所以得到了总线系统11的更高的故障安全性。

每个节点13都具有收发器电路21，该收发器电路21优选地被构造为集成电路。收发器电路21的第一总线端子BP和第二总线端子BM分别与总线线路15之一的芯线19之一相连接。

收发器电路21具有用于通过总线线路15接收数据的接收器电路23以及用于通过节点13连接到的那个总线线路15发送数据的发送器电路25。不仅接收器电路23而且发送器电路25都在收发器电路21之内与两个总线端子BP和BM相连接。不仅接收器电路23而且发送器电路25都被设立用于通过连接到相对应的收发器电路21上的总线线路15的芯线对来传输差分数字信号。

收发器电路21此外还具有逻辑单元27，该逻辑单元27与接收器电路23并且与发送器电路25相耦合。逻辑单元27具有用于将收发器电路21连接到例如由微控制器31或者微型计算机形成的控制电路上的端子。这些端子或连接到其上的线路形成了在收发器电路21和控制电路或微控制器31之间的接口29。

微控制器31具有用于控制在节点13之间通过总线线路15进行的通信过程的通信控制器33。通信控制器33被设立用于根据总线系统11的协议控制通信过程，尤其是用于实施总线系统11的介质访问方法。通信控制器33此外还可以被设立用于例如根据CRC方法来计算要通过总线线路15传输的数据帧的校验和，和/或被设立用于检验接收到的数据帧的校验和。

作为接口线路尤其是设置有：线路RxD，用于将收发器电路21通过总线线路15已接收到的数据从收发器电路21传输到通信控制器33；以及线路TxD，用于将收发器电路21应通过总线线路15发送的数据从通信控制器33传输到收发器电路21。接口29除了包括两个线路RxD和TxD之外还包括以下另外的线路34：这些另外的线路34例如用于在通信控制器33与收发器电路21之间交换控制信息。

微控制器31具有计算核35、存储器37（工作存储器和/或只读存储器）以及输入和输出装置39。微控制器31可以被设立用于实施另外的协议软件和/或应用程序。

在所示的实施形式中，通信控制器33被集成到微控制器31中。与此不同地，在未示出的实施形式中，通信控制器33被构造为与微控制器31分离的电路，优选地被构造为集成电路。

在图2中示出了接收器电路23的高频放大器61。高频放大器61可以用于放大在两个总线端子BP和BM上的数字信号。然而也可以设想的是，将放大器61置入其它电路、尤其是收发器电路21中。

放大器61总体被构造为差分放大器。该放大器61具有第一晶体管级63，该第一晶体管级63与第二晶体管级65并联连接。两个晶体管级63和65的并联电路与由晶体管M3的漏极-源极路径形成的共同的支路67串联连接。在这种情况下，共同的支路67的晶体管M3的漏极端子与第一晶体管级63的晶体管M1的源极端子以及与第二晶体管级65的晶体管M2的源极端子相连。晶体管M3的源极端子与放大器61的接地线路69相连。晶体管M1的漏极端子形成放大器61的反相输出端OUT_MINUS。晶体管M1的漏极端子此外还通过电阻M1与放大器61的供电电压线路71相连。以相对应的方式，晶体管M2的漏极端子与放大器61的非反相输出端OUT_PLUS相连以及通过电阻R2与供电电压线路71相连。晶体管M1、M2和M3被构建为n沟道绝缘层场效应晶体管（n沟道MOSFET）。

晶体管M3与n沟道MOSFET M4共同形成电流镜73。晶体管M3的栅极端子与晶体管M4的栅极端子和漏极端子相连。晶体管M4的源极端子与放大器61的接地线路69相连。p沟道MOSFET M5的漏极-源极路径被布置在供电电压线路71与晶体管M4的漏极端子之间。

放大器61具有环形电流源（Ringstromquelle）75，该环形电流源75通过p沟道MOSFET M6和M7以及通过n沟道MOSFET M8、M9、M10和M11来形成。晶体管M6的漏极端子与并联连接的晶体管M9、M10和M11的漏极端子相连。三个晶体管M9、M10和M11的源极端子通过电阻R3与接地线路69相连。这三个晶体管M9、M10和M11的栅极端子与晶体管M8的栅极端子相连。晶体管M8的源极端子与接地线路69相连，并且晶体管M8的漏极端子被连接到晶体管M7的漏极端子上。晶体管M7的源极端子与供电电压线路71相连。晶体管M7的栅极端子被连接到晶体管M6的栅极端子上和漏极端子上。

在放大器61工作时，环形电流源75产生与温度有关的电流。在这种情况下，并联连接的晶体管M9、M10和M11充当温度传感器。由环形电流源75产生的电流借助晶体管M5和电流镜73被转移到放大器61的共同的支路67上。环形电流源75的电流变换比可以任意选择；该电流变换比优选为1。

放大器61优选地被构造为使得各个晶体管M1-M11彼此在热学上相互耦合。例如，放大器61可以被布置在集成电路的同一芯片上，使得在放大器61的各个构件之间得到良好的热耦合。

放大器61被设计为使得至少晶体管M1和M2（优选地晶体管M1、M2、M8、M9、M10和M11）在弱反型（英语为weak inversion）的工作范围中工作。在弱反型的情况下的工作可以通过适当选择晶体管M1、M2、M8、M9、M10、M11的工作点来实现。在这种情况下，工作点例如可以被选择为使得在晶体管M1、M2、M8、M9、M10、M11的栅极-源极电压V_gs与阈值电压V_th之间的差小于或等于100mV。也就是说，V_gs-V_th＜＝100mV。

当晶体管M1和M2在弱反型的情况下工作时，MOS晶体管的增益接着在很大程度上与至少借助来制造晶体管的技术的这种参数无关，这些参数带有用于制造放大器61的制造工艺的比较大的制造公差。对于增益gm适用：

gm＝Id*e/（n*k*T），

其中

e代表元电荷1.602*10^-19As，

k代表玻尔兹曼常数1.38*10^-23Vas/K，以及

T代表放大器61的以开为单位测量的温度。参数e、k、T与技术无关。

参数n描述了MOS晶体管的输入信号通过在栅极和沟道之间的第一电容Cgch和在沟道和本体（Bulk）之间的第二电容Cchsub的电容性分配（kapazitive Teilung）（参见图3）。参数n被计算为

n=（Cgch+Cchsub）/Cgch

第一电容Cgch通过MOS晶体管的栅极氧化物的氧化物厚度来确定。这是每个CMOS工艺的核心参数并且遭受最精确的可能控制以及因此必要时遭受小的制造公差。

第二电容Cchsub与在沟道和本体之间的空间电荷区的宽度有关。该宽度遵循体电压（Bulkspannung）的方根并且遵循本体掺杂的方根的倒数。这意味着：误差增大与掺杂的改变或者体电压不成比例（unterproportional）（例如参见R. Mueller的“Bauelemente der Halbleiter Elektronik”（施普林格出版社，1987年）以及Willy M. C. Sansen的“Analog Design Essentials”（施普林格出版社，2006年））。在实践中，参数n大多在1.2到1.6之间的范围中变动。

放大器61的增益gain、即级M1、M2、R1、R2被计算为：

gain=R1*I_bias*e/（n*k*T）。

只要M1和M2在弱反型的情况下工作，则该等式适用。值I_bias代表通过晶体管M3的漏极-源极路径的电流。增益gain通过产生与温度成比例的电流而与温度无关。该电流通过环形电流源75、即通过晶体管M6-M11以及通过电阻R3产生。晶体管M8至M11同样在弱反型的情况下工作。对于通过晶体管M3的漏极-源极路径的电流，得到：

I_bias=In（m）*n*k*T/（R3*e），

其中参数m=W/L代表在晶体管M9-M11和M8的沟道宽度与沟道长度之间的比例。在所示的实施形式中，m=3。通过将最后的等式代入倒数第二个等式得到：

gain=R1*In（m）/R3。

比例R1/R3通过电阻的几何形状来确定并且与工艺无关。参数m同样是纯的几何比例。因此，增益与工艺参数和温度无关。

优选的是，所使用的器件可以良好配对地实现。

在公知的放大器中，通常MOSFET在强反型的工作范围中工作。但是，此处其它等式也适用于各个晶体管的增益gm：

gm_强反型=2*K′*（V_gs-V_th）*W/L

K′包含不仅与工艺、与半导体材料而且与温度有关的参数。

与项V_gs-V_th有关的是电流的方根。

V_gs-V_th=（L*I_bias/（W*K′））^1/2

由于这些相互关系，在强反型的情况下不可能构建在开环运行中工作的与温度和工艺参数无关的放大器。

图4示出了公知的放大器77。为了实现稳定的放大，公知的放大器77在闭环运行中被采用。此处所示的闭环电路77具有通过电阻R′1、R′2、R′3和R′4形成的外部负反馈并且因此对输入端IN_PLUS和IN_MINUS有反作用，而且常常也忍受稳定性问题之苦。也就是说，根据负载和通过电阻R′1、R′2、R′3和R′4调整的增益，公知的闭环放大器77易于爆震或者易于振荡。

Claims

1.一种用于总线系统（11）的收发器电路（21）的高频差分放大器（61），其具有带有绝缘层场效应晶体管M1、M2的两个晶体管级（63，65）和连接到所述两个晶体管级（63，65）上的共同的支路（67），用于使晶体管级（63，65）彼此耦合，其中与共同的支路（67）相关有高频差分放大器（61）的用于产生穿过共同的支路（67）流动的工作电流（I_bias）的电流源（75），其特征在于，晶体管级（63，65）被设立用于在弱反型的情况下驱动绝缘层场效应晶体管M1、M2，以及电流源（75）被构造用于补偿至少一个绝缘层场效应晶体管M1、M2的增益的温度相关性，使得工作电流（I_bias）与高频差分放大器（61）的温度（T）有关。

2.根据权利要求1所述的高频差分放大器（61），其特征在于，由电流源（75）产生的工作电流（I_bias）至少与高频差分放大器（61）的温度（T）成比例。

3.根据权利要求1或2所述的高频差分放大器（61），其特征在于，电流源（75）包括另外的绝缘层场效应晶体管M6、M7、M8、M9、M10、M11，并且电流源（75）被设立用于在弱反型的情况下驱动绝缘层场效应晶体管M9、M10、M11中的至少一个。

4.根据权利要求1或2所述的高频差分放大器（61），其特征在于，电流源是用于产生工作电流（I_bias）的环形电流源（75），并且放大器（61）具有用于将工作电流（I_bias）注入共同的支路（67）中的电流镜（73）。

5.一种用于总线系统的收发器电路（21），其具有高频差分放大器（61），所述高频差分放大器（61）具有带有绝缘层场效应晶体管M1、M2的两个晶体管级（63，65）和连接到所述两个晶体管级（63，65）上的共同的支路（67），用于使晶体管级（63，65）彼此耦合，其中与共同的支路（67）相关有高频差分放大器（61）的用于产生穿过共同的支路（67）流动的工作电流（I_bias）的电流源（75），其特征在于，高频差分放大器（61）根据上述权利要求之一来构造。