CN102402239B - 具高输出电压的低电压传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具高输出电压的低电压传输装置，包括：一保护电路；第一终端电阻，其第一端耦接至第一电压源，其第二端耦接至该保护电路；第二终端电阻，其第一端耦接至第一电压源，其第二端耦接至保护电路；第一终端电阻的第二端以及第二终端电阻的第二端提供一差动输出对；一电流开关，耦接至该保护电路；一电流源，耦接至电流开关；以及，一预驱电路可产生一控制信号至电流开关，使得差动输出对可产生一输出电流；预驱电路接收第二电压源，且第一电压源高于第二电压源。

Description

具高输出电压的低电压传输装置

技术领域

本发明是有关于一种传输装置(transmitter)，且特别是有关于一种具高输出电压的低电压传输装置。

背景技术

众所周知，利用高速串行介面(Hi-speed serial interface)的传接器(Transceiver)可提高数据的传输速率，例如，高解析度多媒体介面(HighDefinition Interface，简称HDMI)、显示端介面(Display Port interface)、或者通用串行总线(USB)介面。

以HDMI的规格书(specification)为例，传输装置(transmitter)需要在接收装置的终端电阻(termination resistor)上产生小电压摆幅信号(smallvoltage swing signal)。此小电压摆幅信号在高电压3.3V以及低电压2.8V之间变化。

一般来说，为了能够快速地处理数据，传输装置内的控制电路皆由低电压源(例如1.2V)所供应，并且在低电压之下操作。而为了要在传输装置的输出端产生高输出电压(例如3.3V)，一般都会提供一电位切换器(level shifter)，先将低电压的数字信号转换为高电压的数字信号。之后，利用高电压的数字信号来使传输装置产生高输出电压。

请参照图1，其所绘示了为已知传输装置与接收装置的连接示意图。电阻Rt1、Rt2为传输装置100内的终端电阻，而电阻Rr1、Rr2为接收装置160内的终端电阻，而此架构即为高速串行介面的双终端结构。

传输装置100包括：N至1串行器(N to 1serializer)110、预驱电路(Pre-driver)120、电流开关(current switch)130、电流源(current source)Is、与终端电阻Rt1、Rt2。电流开关130包括第一晶体管M1与第二晶体管M2，且第一晶体管M1与第二晶体管M2为n型场效应晶体管(FET)。

终端电阻Rt1、Rt2的一端连接至高电压源(Vdd1)，例如3.3V，终端电阻Rt1、Rt2的另一端的节点d1、d2可视为传输装置100的差动对(differential pair)输出端。再者，第一晶体管M1与第二晶体管M2的漏极分别连接至节点d1、d2；第一晶体管M1与第二晶体管M2的源极连接至电流源Is的一端；而电流源Is的另一端连接至接地端。电流源Is可提供电流开关130适当的偏压使得差动对输出端d1、d2上的小电压摆幅信号符合规格书的规范。

N至1串行器110可接受并行(parallel)的N个位元并转换成为串行信号。预驱电路120接收串行信号后产生第一控制信号与第二控制信号至第一晶体管M1与第二晶体管M2的栅极。

接收装置160包括：终端电阻Rr1、Rr2。终端电阻Rr1、Rr2的一端连接至高电压源(Vdd1)，例如3.3V，终端电阻Rr1、Rr2的另一端的节点d3、d4可视为接收装置160的差动对输入端。再者，传输装置100的差动对输出端d1、d2与接收装置160的差动对输入端d3、d4之间连接传输线(transmission lines)150。

当传输装置100动作时，N至1串行器110可接受N个位元并转换成为串行信号。预驱电路120接收串行信号后产生第一控制信号与第二控制信号，并控制第一晶体管M1与第二晶体管M2。因此，差动对输出端d1、d2会产生输出电流流经传输线150以及接收装置160的终端电阻Rr1、Rr2，使得差动对输入端d3、d4上产生电压差(voltage difference)信号。而根据差动对输入端d3、d4上的电压差信号，接收装置160即可取得原始的串行信号。

由于传输装置100必须输出3.3V的高电压，因此电流开关130、与电流源Is所需的电子元件必须为高电压元件(High voltage device，HV device)。例如，第一晶体管M1与第二晶体管M2必须为高电压元件。当第一晶体管M1与第二晶体管M2属于高电压元件时，其栅极氧化层(gate oxide)会较厚。然而，高电压元件的运作速度不够快，使得已知技术的传输装置100的数据传输率(bit rate)低于1GHz。

除了电流开关130、与电流源Is所需的电子元件必须为高电压元件之外，预驱电路120内的部份电子元件也必须为高电压元件。请参照图2，其所绘示了已知预驱电路120示意图，包括一电位切换器121与四个反相器(inverter)122～128，电位切换器121包括：第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、第六晶体管M6，第三晶体管M3与第四晶体管M4为n型场效应晶体管，第五晶体管M5与第六晶体管M6为p型场效应晶体管。

第五晶体管M5与第六晶体管M6源极连接至高电压源(Vdd1)，第五晶体管M5与第六晶体管M6栅极连接至第五晶体管M5漏极，而第六晶体管M6漏极为电位切换器121的输出端。再者，第三晶体管M3与第四晶体管M4漏极各别连接至第五晶体管M5与第六晶体管M6漏极；第三晶体管M3与第四晶体管M4源极连接至接地端；第三晶体管M3与第四晶体管M4栅极为电位切换器121的二输入端。

第一反相器122与第二反相器124串接，第一反相器122接收串行信号，第一反相器122输出端连接至第四晶体管M4栅极，第二反相器124输出端连接至第三晶体管M3栅极。由图2可知，第一反相器122与第二反相器124的电压源为一低电压源(Vdd2)，第一反相器122与第二反相器124的电子元件为低电压元件(lowvoltage device，LV device)。亦即，串行信号、第一反相器122、第二反相器124所产生的数字信号其高电位为1.2V且低电位为0V。

电位切换器121可接收高电位为1.2V以及低电位为0V的数字信号并输出高电位为3.3V以及低电位为0V的数字信号。第三反相器126与第四反相器128串接，第三反相器126连接至电位切换器121输出端。由图2可知，电位切换器121、第三反相器126、与第四反相器128的电压源为一高电压源(Vdd1)，因此，组成电位切换器121、第三反相器126、与第四反相器128的电子元件系为高电压元件，第三反相器126、与第四反相器128所产生的第二控制信号与第一控制信号的高电位为3.3V且低电位为0V。

由图1与图2可知，已知传输装置内会有许多高电压元件。这些高电压元件会增加布局面积，并且会造成传输装置的数据传输率无法提高，因而影响传输装置的效能。

发明内容

本发明的目的在于提出一种具高输出电压的低电压传输装置，使得传输装置的数据传输速度大幅增加，并且传输装置内的电子元件容易排列，且IC的布局面积缩小。

本发明提出一种传输装置，包括：保护电路；第一终端电阻，其第一端耦接至第一电压源，其第二端耦接至保护电路；第二终端电阻，其第一端耦接至第一电压源，其第二端耦接至保护电路；第一终端电阻的第二端以及第二终端电阻的第二端为一差动输出对；电流开关，耦接至保护电路；电流源，耦接至电流开关；以及，预驱电路可产生控制信号至电流开关，使得差动输出对可产生输出电流；预驱电路接收第二电压源，且第一电压源高于第二电压源。

为能更进一步了解本发明特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而附图仅提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

本发明藉由下列附图及说明，俾得一更深入的了解：

图1所绘示为已知传输装置与接收装置的连接示意图。

图2所绘示为已知预驱电路示意图。

图3所绘示为本发明实施例传输装置示意图。

图4所绘示为本发明实施例传输装置的详细电路图。

图5A、B、C为本发明实施例的偏压电路。

图6所示为本发明实施例的预驱电路。

主要元件符号说明

本发明附图中所包含的各元件列示如下：

100传输装置        110N至1串行器

120预驱电路        121电位切换器

122第一反相器      124第二反相器

126第三反相器      128第四反相器

130电流开关        150传输线

160接收装置        300传输装置

310N至1串行器      320预驱电路

325偏压电路        330电流开关

340保护电路        350电流源

626第一反相器      628第二反相器

具体实施方式

请参照图3，其所绘示了本发明实施例传输装置300示意图，包括：N至1串行器(N to 1serializer)310、预驱电路320、电流开关330、保护电路(protectioncircuit)340、电流源350、与终端电阻Rt1、Rt2。较佳地，保护电路340内的电子元件为高电压元件，而N至1串行器310、预驱电路320、电流开关330、与电流源350内的电子元件皆由低电压元件所组成。亦即，保护电路340、电流开关330与电流源350利用电路串接(coscode)的方式，使得保护电路340有效地防止电流开关330、与电流源350受到高电压源(Vdd1)的冲击而损坏。由于N至1串行器310、预驱电路320、电流开关330、与电流源350皆由低电压元件所组成，因此传输装置300的电子元件容易排列，使得IC的布局面积缩小，同时，传输装置300可大幅度地提高数据传输速度。

请参照图4，其所绘示了本发明实施例传输装置300的详细电路图。电流开关330包括第一n型晶体管Mn1与第二n型晶体管Mn2；保护电路340包括偏压电路325以及第三n型晶体管Mn3与第四n型晶体管Mn4；以及，电流源350包括第五n型晶体管Mn5。

终端电阻Rt1、Rt2的一端连接至高电压源(Vdd1)，例如3.3V，终端电阻Rt1、Rt2的另一端的节点d1、d2提供差动对输出端。第三n型晶体管Mn3与第四n型晶体管Mn4的漏极分别连接至节点d1、d2；第三n型晶体管Mn3与第四n型晶体管Mn4的源极分别连接至第一n型晶体管Mn1与第二n型晶体管Mn2的漏极；第三n型晶体管Mn3与第四n型晶体管Mn4的栅极连接至偏压电路325，以接收第一偏压(Vb1)。

第一n型晶体管Mn1与第二n型晶体管Mn2的源极连接至第五n型晶体管Mn5漏极；第五n型晶体管Mn5源极连接至接地端；第五n型晶体管Mn5栅极接收第二偏压(Vb2)。

N至1串行器310可接受N个位元并转换成为串行信号。预驱电路320接收串行信号后产生第一控制信号与第二控制信号，以控制第一n型晶体管Mn1与第二n型晶体管Mn2，使得差动对输出端d1、d2可产生输出电流至传输线。

于此实施例中，保护电路340中的偏压电路325可提供第一偏压(Vb1)至高电压元件的第三n型晶体管Mn3以及第四n型晶体管Mn4。因此，电流开关330内的第一n型晶体管Mn1与第二n型晶体管Mn2所承受的电压会落在低电压元件所能忍受电压范围，例如低电压源的1.2倍(即1.44V)。换句话说，于传输装置300正常操作时，只要确认偏压电路325所提供的第一偏压(Vb1)减去第一n型晶体管Mn1与第二n型晶体管Mn2的临限电压(Vth)小于1.44V即可。举例来说，假设第一n型晶体管Mn1与第二n型晶体管Mn2的临限电压(Vth)为1V，则偏压电路325所提供的第一偏压(Vb1)小于2.44V即可。

举例而言，偏压电路325可以有以下几种实现方式：(I)如图5A所示，利用电阻分压电路来实现，亦即控制第一电阻(R1)与第二电阻(R2)的电阻值，并输出固定的第一偏压(Vb1)，使其小于2.44V。(II)如图5B所示，利用带隙参考电路(bandgap reference circuit)所输出的固定电压作为第一偏压(Vb1)，且控制第一偏压(Vb1)小于2.44V。(III)自我复制偏压电路(self replica biasingcircuit)。

请参照图5C，其所绘示为自我复制偏压电路示意图。包括：复制电阻Rt 1’、第一n型复制晶体管Mn1’、第三n型复制晶体管Mn3’、第五n型复制晶体管Mn5’。复制电阻Rt1’为终端电阻Rt 1的复制品，第一n型复制晶体管Mn1’为第一n型晶体管Mn1的复制品；第三n型复制晶体管Mn3’为第三n型晶体管Mn3的复制品；第五n型复制晶体管Mn5’为第五n型晶体管Mn5的复制品。复制电阻Rt1’一端连接至高电压源(Vdd1)，复制电阻Rt1’另一端可输出第一偏压(Vb1)，且连接至第三n型复制晶体管Mn3’的漏极与栅极；第一n型复制晶体管Mn1’的漏极连接至第三n型复制晶体管Mn3’的源极；第一n型复制晶体管Mn1’的栅极连接至低电压源(Vdd2)，第一n型复制晶体管Mn1’的源极连接至第五n型复制晶体管Mn5’的漏极；第五n型复制晶体管Mn5’的栅极连接至第二偏压(Vb2)，第五n型复制晶体管Mn5’的源极连接至接地端。因此，图5C的自我复制偏压电路所产生的第一偏压(Vb1)会随着输出装置的偏压改变而动态地改变，并且调整第一偏压(Vb1)小于2.44V。预驱电路320内的电子元件皆为低电压元件，且不再需要电位切换器。

如图6所示为本发明实施例的预驱电路，包括串接的第一反相器626与第二反相器628。第一反相器626接收串行信号，第一反相器626输出端连接至第一n型晶体管Mn1栅极，第二反相器628输出端连接至第二n型晶体管Mn2栅极。第一反相器626与第二反相器628的电压源为一低电压源(Vdd2)，亦即，串行信号、第一反相器626、第二反相器628所产生的数字信号其高电位为1.2V且低电位为0V。

本发明的优点在于提供一种具高输出电压的低电压传输装置，使得传输装置的数据传输速度可以大幅增加，并且传输装置内的电子元件容易排列，且IC的布局面积缩小。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉本技术领域者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求书所界定为准。

Claims (8)

1.一种传输装置，包括：

一保护电路，该保护电路由多个高电压元件所组成；

第一终端电阻，其第一端连接至第一电压源，其第二端耦接至该保护电路；

第二终端电阻，其第一端耦接至该第一电压源，其第二端耦接至该保护电路；其中，该第一终端电阻的该第二端以及该第二终端电阻的该第二端提供一差动输出对；

一电流开关，耦接至该保护电路，该电流开关由多个低电压元件所组成；

一电流源，耦接至该电流开关；以及

一预驱电路耦接至该电流开关，用以控制该电流开关，使得该差动输出对产生一输出电流；

一N至1串行器，接收一N位元信号并转换为一串行信号至该预驱电路，使得该预驱电路产生第一控制信号与第二控制信号至该电流开关；

其中，该预驱电路接收第二电压源，且该第一电压源高于该第二电压源；

其中，该保护电路限制该电流开关所承受的电压落在低电压元件所能忍受的电压范围，

其中该电流开关包括：第一n型晶体管，其栅极接收该第一控制信号，漏极连接至该保护电路，源极连接至该电流源；以及第二n型晶体管，其栅极接收该第二控制信号，漏极连接至该保护电路，源极连接至该电流源；

其中该保护电路包括：一偏压电路，输出第一偏压；第三n型晶体管，其栅极接收该第一偏压，漏极连接至该第一终端电阻的该第二端，源极连接至该第一n型晶体管的漏极；以及第四n型晶体管，其栅极接收该第一偏压，漏极连接至该第二终端电阻的该第二端，源极连接至该第二n型晶体管的漏极，该偏压电路、第三n型晶体管和该第四n型晶体管；

其中该电流源包括：第五n型晶体管，其栅极接收第二偏压，漏极连接至该第一n型晶体管与该第二n型晶体管的源极，源极连接至一接地端；

其中，该偏压电路为一自我复制偏压电路，包括：

一复制电阻，该复制电阻的第一端连接至该第一电压源，该复制电阻的第二端可输出该第一偏压；

第三n型复制晶体管，其漏极与栅极连接至该复制电阻的该第二端；

第一n型复制晶体管，其漏极连接至该第三n型复制晶体管的源极，栅极连接至该第二电压源；以及

第五n型复制晶体管，其漏极连接至该第一n型复制晶体管的源极，栅极接收该第二偏压，源极连接至该接地端；

其中，该复制电阻为该第一终端电阻的复制品，该第一n型复制晶体管为该第一n型晶体管的复制品；该第三n型复制晶体管为该第三n型晶体管的复制品；该第五n型复制晶体管为该第五n型晶体管的复制品。

2.如权利要求1所述的传输装置，其特征在于，该差动输出对可连接至一接收装置的一差动输入对，使得该接收装置可接收该输出装置的该输出电流。

3.如权利要求1所述的传输装置，其特征在于，该预驱电路包括串接的第一反相器与第二反相器，该第一反相器输入端接收该串接信号，该第一反相器输出端输出该第二控制信号，该第二反相器输出端输出该第一控制信号。

4.如权利要求1所述的传输装置，其特征在于，该N至1串行器由多个低电压元件所组成。

5.如权利要求1所述的传输装置，其特征在于，该偏压电路为一带隙参考电路，输出固定的该第一偏压。

6.如权利要求1所述的传输装置，其特征在于，该偏压电路包括串接的第一电阻与第二电阻连接于该第一电压源与该接地端之间，且该第一电阻与该第二电阻连接的节点产生固定的该第一偏压。

7.如权利要求1所述的传输装置，其特征在于，该第一电压源为3.3V，该第二电压源为1.2V。

8.如权利要求1所述的传输装置，其特征在于，该预驱电路及该电流源由多个低电压元件所组成。

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