CN103188178B - 低压线路驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低压线路驱动器。该线路驱动器包括感测在差动输出节点存在的差动电压的跨导级。该跨导级复制差动电压的一小部分，并生成与复制的差动电压对应的差动输出电流。差动输出电流流过将差动输出电流镜像到差动输出节点的电流镜级。线路驱动器由此将跨导级从差动输出节点解耦。较低的线路驱动器电压供应（例如1.8V）可以因此向差动输出节点供应。从线路驱动器电压供应分离的跨导级电压供应可以为跨导级提供供电电压。

Description

低压线路驱动器

技术领域

本发明涉及用于通信网络的线路驱动器。特别地，本方涉及用于诸如以太网网络的通信网络的低压线路驱动器。

背景技术

线路驱动器通常通过响应于输入信号生成差动输出电压从而跨网络传输线路来传输信息。线路驱动器也为网络传输线路提供通常100欧的终端阻抗。终端阻抗有时实施为实际电阻器（例如，物理上100欧的电阻器），或更普遍实施为其中复杂有源电路模拟电阻器的有源终端级。需要适合于使用较低电压供应（例如，1.8V）的较小规模电路制造工艺（例如，28nm工艺）的新的有源终端架构。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了线路驱动器以及用于驱动通信线路的方法：

（1）一种线路驱动器，包括：

差动输出节点，其特征在于对应的电压余度；以及

用于驱动所述差动输出节点的电路，所述电路被连接到所述差动输出节点而不被堆叠在所述差动输出节点下面，借此所述电路的操作从所述电压余度解耦并且从而不受所述电压余度限制。

（2）根据（1）所述的线路驱动器，其中：

所述差动输出节点被配置为连接到引起所述电压余度的第一电压供应；以及

所述电路被配置为连接到与所述第一电压供应分离的第二电压供应。

（3）根据（1）所述的线路驱动器，其中，所述电路包括：

跨导级，被耦接到所述差动输出节点，所述跨导级包括：

用于所述差动输出节点的有源终端级，适于感测在所述差动输出节点上的差动电压，并生成与所述差动电压对应的差动输出电流；以及

所述有源终端级的跨导输出端，被配置为运送所述差动输出电流。

（4）根据（3）所述的线路驱动器，进一步包括：

电流镜级，被连接到所述差动输出节点和所述跨导输出端，所述电流镜级被配置为将所述差动输出电流镜像到所述差动输出节点。

（5）根据（3）所述的线路驱动器，其中，所述跨导级进一步包括：

放大器，被配置为复制所述差动电压的一小部分用于生成所述差动输出电流。

（6）根据（1）所述的线路驱动器，进一步包括：

差动输入节点，适于在所述差动输出节点生成指定输出电压。

（7）根据（6）所述的线路驱动器，其中，所述差动输入节点中的至少一个被耦接到放大器输入端，所述放大器输入端也被耦接到所述差动输入节点中的至少一个。

（8）一种用于驱动通信线路的方法，所述方法包括：

在耦接到差动输出节点的跨导级中感测所述差动输出节点上的差动电压；

在所述跨导级的跨导输出端生成与所述差动电压对应的差动输出电流；以及

将所述差动输出电流镜像到所述差动输出节点。

（9）根据（8）所述的方法，进一步包括：

向差动输出节点提供线路驱动器电压供应；以及

向所述跨导级提供从所述线路驱动器电压供应分离的跨导级电压供应。

（10）根据（8）所述的方法，进一步包括：

向所述跨导级施加差动输入电流以驱动所述差动输出节点。

（11）根据（8）所述的方法，进一步包括：

向所述跨导级中的耦接到所述差动输入节点中的至少一个的放大器输入端施加差动输入电流以驱动所述差动输出节点。

（12）根据（8）所述的方法，进一步包括：

向所述电流镜级中的晶体管施加差动输入电流以驱动所述差动输出节点。

（13）根据（8）所述的方法，进一步包括：

复制放大器级中的所述差动电压的一小部分，其中所述放大器级被配置为由所述差动电压的一小部分生成所述差动输出电流。

（14）根据（8）所述的方法，进一步包括：

用约100欧的阻抗主动终止所述差动输出节点。

（15）一种线路驱动器，包括：

差动输出节点，包括用于耦接线路驱动器电压供应输入端的第一输出节点和第二输出节点；

跨导级，包括：

跨导级电压供应输入端；

第一放大器，包括：

第一输入端，连接到所述第一输出节点；

第一输出端；以及

第一输出电流路径，响应于所述第一输出端和第一反馈电阻器；

第二放大器，包括：

第二输入端，连接到所述第二输出节点；

第二输出端；以及

第二输出电流路径，响应于所述第二输出端和第二反馈电阻器；以及

电流镜级，包括：

第一电流镜，适于将所述第一输出电流路径中的电流镜像到所述第一输出节点；以及

第二电流镜，适于将所述第二输出电流路径中的电流镜像到所述第二输出节点。

（16）根据（15）所述的线路驱动器，其中，所述第一电流镜包括：

所述第一输出电流路径中的二极管接法晶体管；以及

镜像晶体管，被连接到所述二极管接法晶体管和所述第一输出节点。

（17）根据（16）所述的线路驱动器，其中，所述镜像晶体管包括关于实施所选镜像比的所述二极管接法晶体管的几何形状。

（18）根据（17）所述的线路驱动器，其中，所述跨导级进一步包括：

第一分压器，被连接到所述第一输出节点和所述第一输入端。

（19）根据（15）所述的线路驱动器，进一步包括：

差动输入节点，适于在所述差动输出节点生成指定输出电压。

（20）根据（19）所述的线路驱动器，其中，所述差动输入节点包括：

第一差动输入端，耦接到所述第一放大器的所述第一输入端；以及

第二差动输入端，耦接到所述第二放大器的所述第二输入端。

附图说明

参考以下附图和描述可更好地理解本系统。在附图中，相似参考号遍及不同附图指代对应部分。

图1示出有源终端电路堆叠在输出节点下的现有技术线路驱动器。

图2示出新线路驱动器。

图3示出新线路驱动器的详细电路图。

图4示出线路驱动器的可替换实施。

图5示出线路驱动器的可替换实施。

图6示出线路驱动器的可替换实施。

图7示出通过通信线路传输数据的技术的流程图。

具体实施方式

图1示出现有技术线路驱动器100，其中跨导级102堆叠在差动输出节点tdp104和tdn106下。在跨导级102中，有源终端电路108可以在差动输出节点104和106之间模拟100欧的物理电阻。为此，有源终端电路108可以感测差动输出节点104和106上的电压，并直接产生通过差动输出节点104和106的等于电压差除以100欧的电流。

有源终端电路108中的电路堆叠在差动输出节点104和106下面。换而言之，有源终端电路108中的电路位于差动输出节点104和106下面（例如，与差动输出节点104和106串联），并产生差动电流通过连接到放大器输出端的晶体管直接进入差动输出节点104和106。因此，稍微高的线路驱动器电压供应（例如，2.5V）用来使差动输出节点104和106偏压，并为有源终端电路108适当运行提供充足的余度（headroom）。例如，在2.5V，差动输出节点104和106的电压可以降低至2.5V-1.25V=1.25V，这是用于运行在差动输出节点104和106下面堆叠的有源电路的适当电压余度。然而，将线路驱动器电压供应减小到1.8伏将最小电压减小到约1.8V-1.25V=550mV，在550mV的操作电压会难以或不可能适当地操作堆叠在差动输出节点104和106下面的有源电路。

图2示出可以用减小的线路驱动器电压供应例如1.8V操作的线路驱动器200。线路驱动器200将跨导级202从堆叠在差动输出节点104和106下面分离或解耦。线路驱动器200不产生直接进入差动输出节点104和106的电流。代替地，跨导级202产生局部差动电流，并且电流转换（transfer）级206（例如，电流镜）在差动输出节点104和106生成对应的差动电流。

此外，跨导级202可以由与向差动输出节点104和106供应线路驱动器供电电压的相同或分离电压源直接供电。例如，包括放大器和其它电路部件（或被配置为驱动差动输出节点104、106的任何其它电路）的跨导级202可以从芯片电压供应204（例如，1.8V的供应）直接供电。芯片电压供应204通过跨导级电压供应输入端212连接到跨导级202。

注意尽管芯片电压供应204也提供线路驱动器供电电压（例如，1.8V），但跨导级202不堆叠在差动输出节点104和106下面，并且不需要用由这样的配置导致的减小电压余度来操作。结果，使用减小的电压余度将跨导级202从操作解耦，并且可以使用全范围的较低供电电压（例如，1.8V）正确操作跨导级202，在该范围中难以或不可能使用由堆叠在差动输出节点104和106下面导致的减小余度范围（例如，550mV）来操作。换而言之，不再由差动输出节点104和106上存在的电压范围将跨导级202限于其操作电压范围。

差动输出节点104和106可以是包括线路驱动器200的物理线路驱动器集成电路封装上的输出引脚或焊点。差动输出节点104和106通过片外变压器208连接。在变压器上的抽头210（例如，中心抽头）向差动输出节点104和106提供用于供电电压的线路驱动器电压供应输入端。线路驱动器供电电压可以是例如1.8V。变压器208可以是将差动输出节点104和106从将不同装置、系统或网络互连的物理差动输出线路隔离的变压器电路的部分。变压器电路再现差动输出节点104和106两端之间的电压差到被驱动的实际差动输出线路上。

跨导级202感测电压差Vtdp-Vtdn，并响应于电压差生成电流。例如，对于100欧的有源终端，跨导级202生成通过差动输出节点104和106的电流，该电流在电流转换级206之后是约（Vtdp-Vtdn）/100。电流转换级206（例如，电流镜）将跨导级202中生成的电流复制到差动输出节点104和106。换而言之，差动输出电流不由跨导级202在差动输出节点104和106中直接生成。极少或没有余度需要转移差动电流输出到差动输出节点104和106。此外，在一些实施中，跨导级202实施相对低的电流（小于通过差动输出节点104和106的全部期望输出电流），同时电流迁移级206实施电流增益，从而实现通过差动输出节点104和106的期望输出电流。换而言之，在电流迁移级206中的电流增益不需要是1:1，但代替地可以被设定为在跨导级202中实现希望的功率效率。

在一个实施中，跨导级202是有源终端级。有源终端级可以采用基于电压感测电阻器网络用反馈环控制晶体管的运算放大器。电流迁移级206以提供期望的终端阻抗所需要的量复制跨导级中生成的电流到差动输出节点104和106。然而，跨导级202可以用除了有源终端电路之外的其它方式实施，并且电流迁移级206可以用除了电流镜之外的其它方式实施。

图3示出线路驱动器200的详细电路图300。线路驱动器包括差动输出节点104和106。差动输出节点104和106可以通过具有中心抽头304的片外变压器302连接。中心抽头304提供线路驱动器供电电压（例如，1.8V）连接到的线路驱动器电压供应输入端。

跨导级306被耦接到差动输出节点104和106。跨导级306包括跨导级电压供应输入端（连接到例如芯片电压供应204），并且该跨导级电压供应输入端可以与线路驱动器电压供应输入端相同或分离。在该实例中，跨导级306是用于差动输出节点104和106的有源终端级。有源终端级感测差动输出节点104和106上的差动电压，并且在将差动输出电流镜像到差动输出节点104和106时，产生与跨差动输出节点104和106两端的期望阻抗（例如，100欧）匹配的差动输出电流（如在下面更详细解释）。

有源终端级的跨导输出端308运送（carry）对应于差动电压的差动输出电流。在图3中的例子中，差动输出电流流过Mgm1晶体管的漏极连接310和Mgm2晶体管的漏极连接312。差动输出电流不直接向差动输出节点104和106提供。

代替地，电流镜级314连接到差动输出节点104和106以及跨导输出端308。电流镜级314生成（例如，通过电流镜像化）到差动输出节点104和106的差动输出电流的版本。在图3中示出的例子中，由M1in和M1out形成的电流镜将流过漏极连接310的部分差动输出电流镜像到差动输出节点tdp。相似地，由M2in和M2out形成的电流镜将流过漏极连接312的部分差动输出电流镜像到差动输出节点tdn。

线路驱动器300也包括差动输入节点316（Isig_p）和318（Isig_n）。差动输入节点316和318强制电流在差动输出节点104和106生成指定输出电压。在图3中的例子中，差动输入节点316和318分别耦接到非反相运算放大器节点320和322。在差动输入节点316和318上施加的（force，强制）电流改变在非反相运算放大器节点320和322存在的电压，并因此改变在差动输出节点104和106的输出电压。特别地，跨导级306在跨导输出端308产生对应的电流变化，并且电流镜级314在差动输出节点104和106生成对应电流，从而维持期望的有源终端阻抗。

跨导级306包括带有放大器输入级324和326的运算放大器325和327。运算放大器325和327在包括在放大器输出级328和330中的Mgm1和Mgm2晶体管的源极节点复制在差动输出节点104和106上存在的差动电压的一小部分（fraction）。放大器输出级328和330在跨导输出端308生成差动输出电流。为此，跨导级306使用耦接到运算放大器非反相输入端的电压感测网络感测在差动输出节点104和106上存在的差动电压。电压感测网络为每个运算放大器形成负反馈环。

电压感测网络实施为由R1和R2形成的分压器。R1和R2的值可以大幅变化。在一个实施中，R1的值是约1K欧，R2的值是约10K欧。跨导级306在尾电阻器Rt两端呈现差动输出节点104和106上存在的差动电压的缩放版本（如由R1和R2设定）。尾电阻器Rt分尾电流Itail从而形成流过Mgm1晶体管的漏极连接310和Mgm2晶体管的漏极连接312的差动输出电流。

尾电阻器Rt可以根据跨导级306呈现的期望阻抗来改变电阻。在一个实施中，尾电阻器Rt为约5欧以下。然而，为了容易制作或制造可以通过例如改变电流镜级314的增益来调节尾电阻器Rt的电阻。

由线路驱动器300呈现的分量值和阻抗Z由以下方程涉及：

$Z=\frac{(R1+R2)}{\mathrm{Rt}+\mathrm{kR}1}\mathrm{Rt}$

其中k是M1in、M2in、M1out、M2out之间的镜像比（例如，在电流镜级314中的增益）（例如在1:4和1:10之间）。

在线路驱动器300中，在差动输出节点104和106上的差动电压被电阻器R1和R2分压，并耦接到运算放大器的非反相输入端。与晶体管Mgm1和Mgm2一起的运算放大器的负反馈复制尾电阻器Rt两端的差动电压的缩放版本。差动电压的缩放版本产生位于跨导级306的差动电流。电流镜314然后使用晶体管对M1in和M1out、M2in和M2out将差动电流镜像到差动输出节点104和106，从而维持期望的终端阻抗。

图4示出可替换实例线路驱动器400。代替在运算放大器的非反相输入端供应信号电流，在线路驱动器400中，信号电流Isig_n318和Isig_p316在M1in和M2in晶体管的镜像节点供应或移除。特别地，在图4中的例子中，信号电流在配置为二极管的M1in和M2in晶体管的基极连接添加或移除。

图5示出另一可替换实施线路驱动器500，特别地线路驱动器500具有与上面描述的不同的跨导级。与上面说明的设计相似，在线路驱动器500中，跨导级502馈入电流镜504。差动输出节点txp506和txm508不在跨导级502上面堆叠。代替地，跨导级502生成适合于在差动输出节点506和508两端之间提供期望输出阻抗的差动电流。该差动输出电流流过跨导输出端510（例如，连接到晶体管T1和T2的二极管的漏极连接）。电流镜504然后在差动输出节点506和508产生差动电流从而实现期望的终端阻抗。差动输入电流被施加在差动输入节点512（ip）和514（im）上，以在差动输出节点506和508生成期望的差动输出。

图6示出另一可替换实施线路驱动器600，特别地线路驱动器600具有与上面描述的不同的跨导级。与上面说明的设计相似，在线路驱动器600中，跨导级602馈入电流镜604。差动输出节点txp606和txm608不在跨导级602上面堆叠。代替地，跨导级602生成适合与在差动输出节点606和608两端之间提供期望输出阻抗的差动电流。该差动输出电流流过跨导输出端610（例如，连接晶体管T1和T2的二极管的漏极连接）。电流镜604然后在差动输出节点606和608产生差动电流从而实现期望的终端阻抗。差动输入电流被施加在差动输入节点612（ip）和614（im）上，以在差动输出节点606和608生成期望的差动输出。

图7示出用于驱动通信线路的方法700。提供线路驱动器，其中，跨导级不在差动输出节点下面堆叠（702）。跨导级感测在差动输出节点上存在的差动电压（704）。跨导级在跨导输出端生成与差动输出节点上的差动电压对应的差动输出电流（706）。差动输出电流在差动输出节点两端实施期望的输出阻抗（例如，100欧）。跨导级可以实施差动输出节点的有源终端（例如，给予期望输出阻抗的出现）。

连接到跨导输出端的电流镜级接收差动输出电流。电流镜级将差动输出电流镜像到差动输出节点（708）。为将差动输出节点驱动到用于传输数据的期望输出电压，差动输入端可以将差动电流施加到跨导级（710）。作为实例，差动电流可以在运算放大器325和327的非反相输入端施加，或在连接到晶体管M1in和M2in的二极管施加，如在图3和图4中所示。该操作按需要继续。

除感测差动输出节点两端之间的差动电压以及将差动电流（在跨导级中生成）镜像回到差动输出节点之外，在上面描述的新线路驱动器将跨导级从差动输出节点充分解耦。与使用具有2.5V供应的有源终端电路的线路驱动器比较，本线路驱动器容许将电压供应（例如，中心抽头电压）降低到1.8V。减小的电压供应使得系统功率减小28%或更多。

此外，1.8V供应通常在28nm产品中可用，并且使用可用的1.8V供应消除生成（例如，用另外的电路）分离的2.5V供应的需求。此外，1.8V供应与在28nm工艺中使用的厚氧化物晶体管的电压容差兼容，这意味着不需要如果2.5V供应用于线路驱动器则需要的专用晶体管设计（或其它电路开销以避免过压状况）。

Claims (8)

1.一种线路驱动器，包括：

差动输出节点，其特征在于对应的电压余度；以及

用于驱动所述差动输出节点的电路，所述电路被连接到所述差动输出节点而不被堆叠在所述差动输出节点下面，借此所述电路的操作从所述电压余度解耦并且从而不受所述电压余度限制；

所述电路包括：

跨导级，被耦接到所述差动输出节点，所述跨导级包括：

用于所述差动输出节点的有源终端级，适于感测在所述差动输出节点上的差动电压，并生成与所述差动电压对应的差动输出电流；以及

所述有源终端级的跨导输出端，被配置为运送所述差动输出电流；

所述线路驱动器进一步包括：

电流镜级，被连接到所述差动输出节点和所述跨导输出端，所述电流镜级被配置为将差动输出电流镜像到所述差动输出节点，所述差动输出电流对应于由所述电路感测到的所述差动输出节点上的差动电压。

2.根据权利要求1所述的线路驱动器，其中：

所述差动输出节点被配置为连接到引起所述电压余度的第一电压供应；以及

所述电路被配置为连接到与所述第一电压供应分离的第二电压供应。

3.一种用于驱动通信线路的方法，所述方法包括：

在耦接到差动输出节点的跨导级中感测所述差动输出节点上的差动电压；

在所述跨导级的跨导输出端生成与所述差动电压对应的差动输出电流；以及

将所述差动输出电流镜像到所述差动输出节点。

4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括：

向差动输出节点提供线路驱动器电压供应；以及

向所述跨导级提供从所述线路驱动器电压供应分离的跨导级电压供应。

5.根据权利要求3所述的方法，进一步包括：

向所述跨导级中的耦接到所述差动输入节点中的至少一个的放大器输入端施加差动输入电流以驱动所述差动输出节点。

6.根据权利要求3所述的方法，进一步包括：

复制放大器级中的所述差动电压的一小部分，其中所述放大器级被配置为由所述差动电压的一小部分生成所述差动输出电流。

7.一种线路驱动器，包括：

差动输出节点，包括用于耦接线路驱动器电压供应输入端的第一输出节点和第二输出节点；

跨导级，包括：

跨导级电压供应输入端；

第一放大器，包括：

第一输入端，连接到所述第一输出节点；

第一输出端；以及

第一输出电流路径，响应于所述第一输出端和第一反馈电阻器；

第二放大器，包括：

第二输入端，连接到所述第二输出节点；

第二输出端；以及

第二输出电流路径，响应于所述第二输出端和第二反馈电阻器；以及

电流镜级，包括：

第一电流镜，适于将所述第一输出电流路径中的电流镜像到所述第一输出节点；以及

第二电流镜，适于将所述第二输出电流路径中的电流镜像到所述第二输出节点。

8.根据权利要求7所述的线路驱动器，其中，所述第一电流镜包括：

所述第一输出电流路径中的二极管接法晶体管；以及

镜像晶体管，被连接到所述二极管接法晶体管和所述第一输出节点。