CN103391108B - 功率节省驱动结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及功率节省驱动结构，公开了用于提供功率节省的驱动器结构的多种实施方式，该驱动器结构支持在全双工模式中的轨到轨操作。驱动器被配置为驱动通过传输媒介的双工信号。混合器件被配置为从双工信号恢复接收信号。接收信号由远程的收发器产生。驱动器被配置为至少部分基于由混合器件恢复的接收信号来驱动双工信号。

Description

功率节省驱动结构

技术领域

本发明涉及功率节省（power-efficient）驱动结构。

背景技术

与较新形式的以太网相比，10Base-T以太网在线路驱动器处采用5.0V的较大的线路电压摆幅。100Base-T以太网采用2.0V的线路电压摆幅，而1000Base-T以太网采用4.0V的线路电压摆幅。为了处理这些不同的特性，多模式以太网收发器可以采用多个线路驱动器。该线路驱动器可以是电流模式线路驱动器和/或电压模式线路驱动器。

电流模式线路驱动器可以对应于具有浮动电流源的诺顿等效电路。因为电流源为高阻抗，所以驱动器的输出阻抗可以由与负载并联的终端电阻形成。由电流模式线路驱动器使用的电流可以为高，这是因为由电流源看到的阻抗为与负载阻抗并联的终端阻抗。例如，电流的一半可以由终端阻抗消耗。因此，需要更多的电流以建立通过负载的电压摆幅，该负载在远端处端接线路。

相反，通过电压模式线路驱动器，不同的电压源可以以非常低的阻抗来驱动线路。本地终端阻抗可以与电压源串联并且可以消耗例如电压源一半的电压降。相比于电压模式线路驱动器，电流模式线路驱动器可以从较低的供电电压驱动并且可以更容易实现但是可能消耗更多的功率。

发明内容

本发明提供了一种收发器，包括：驱动器，被配置为驱动通过传输媒介的双工信号；混合器件，被配置为从双工信号恢复接收信号，接收信号由远程的收发器产生；并且其中，驱动器被配置为至少部分基于由混合器件恢复的接收信号来驱动双工信号。

优选地，双工信号包括接收信号和由收发器产生的发送信号。

优选地，驱动器被配置为从改变比例的发送信号和接收信号的差来驱动双工信号。

优选地，发送信号由收发器中的电流模式数模转换器产生。

优选地，驱动器对应于电压控制电流源。

优选地，驱动器被配置为用于B类操作。

优选地，驱动器被配置为用于AB类操作。

优选地，驱动器提供内部有源终端。

优选地，双工信号为全双工信号，并且驱动器被配置为用于轨到轨操作，该轨到轨操作用于全双工信号。

优选地，驱动器被配置为对于双工信号提供H桥驱动器拓扑。

优选地，驱动器被配置为支持多个不同的物理媒介相关模式。

优选地，不同的物理媒介相关模式具有多个不同的电压摆幅。

本发明还提供了一种系统，包括：用于驱动通过传输媒介的双工信号的装置；用于从双工信号恢复接收信号的装置，接收信号由远程的收发器产生；并且其中，用于驱动的装置被配置为至少部分基于由用于恢复的装置恢复的接收信号来驱动双工信号。

优选地，用于驱动的装置被配置为用于B类操作或AB类操作。

本发明还提供了一种用于在收发器中驱动双工信号的方法，包括：使用驱动器来驱动通过传输媒介的双工信号；使用混合器件从双工信号中恢复接收信号，接收信号由远程的收发器产生；并且其中，驱动还包括至少部分基于由混合器件恢复的接收信号来驱动双工信号。

优选地，该方法还包括：使用数模转换器来产生发送信号；并且其中，驱动还包括从改变比例的发送信号和接收信号的差来驱动双工信号。

优选地，驱动器是电压控制电流源。

优选地，驱动器被配置为用于轨到轨操作。

优选地，该方法还包括：将收发器配置为用于采用第一电压摆幅的第一物理媒介相关模式；将收发器重新配置为用于采用第二电压摆幅的第二物理媒介相关模式，第二电压摆幅与第一电压摆幅不同；并且其中，驱动器支持第一电压摆幅和第二电压摆幅。

优选地，驱动器被配置为通过轨到轨操作对于双工信号提供H桥驱动器拓扑。

附图说明

本公开的多个方面可以通过参考附图来更好地理解。在附图中的部件不必须按照比例，而是重点在于清楚地示出本公开的原理。此外，在附图中，相似的参考数字指定遍及多个示图中的相应的部分。

图1是示出了示例性双工通信系统的框图。

图2是示出了根据本公开的实施方式的另一示例性双工通信系统的框图。

图3是示出了根据本公开的实施方式的图2的示例性双工通信系统的一个示例性实现方式的电路级示图。

图4是示出了根据本公开的实施方式的图2的示例性双工通信系统中的在收发器中实现的功能的一个示例的流程图。

具体实施方式

本公开涉及使用合并的双工电流的功率节省的线路驱动器结构。该线路驱动器结构可以提供用于全双工发射的B类（或AB类）轨到轨操作。由于在分别处理双工电流（例如，发送和接收信号）时的损耗，先前的线路驱动器较不节省功率。此外，在发送电压和接收电压两者都处于它们的最大值的情况下，先前的线路驱动器采用额外的输出电压空间从而维持线性操作。相反，通过轨到轨操作，电压从最大可用电压（例如，电源电压）到最小可用电压（例如，接地电压）摆动。相比于采用额外输出电压空间的驱动器，轨到轨操作导致更低的功率损耗。

此外，一些多模式以太网收发器可以利用多个线路驱动器从而适用于多种模式。例如，先前的多模式以太网收发器可以包括用于一个以上的模式的电压模式线路驱动器，以及用于一个以上的其他模式的电流模式线路驱动器。当在电流模式中时，本文中描述的线路驱动器结构提供功率节省的操作，它还可以被用于简化先前采用多个线路驱动器的收发器设计。而且，电压模式的线路驱动器可以使用较高的电源电压，同时本文中描述的电流模式的线路驱动器支持通过轨到轨操作进行缩放的处理。

图1是示出了示例性双工通信系统100的框图。双工通信系统100包括收发器103、传输媒介106以及远程的收发器109。在双工通信系统100中，在收发器103和远程的收发器109能够通过同一传输媒介106同时通信的情况下，操作的全双工模式可以被支持。双工通信系统100可以对应于以太网通信、数字用户线路（DSL）通信、线缆调制解调器通信和/或其他可以是有线或无线的通信系统。传输媒介106可以对应于诸如，例如双绞线、同轴线缆等的有线电传输媒介。在图1的示例中，一对变压器112a和112b可以在传输媒介106的端部提供电共模隔离。

虽然本公开讨论了模拟电流和电压的形式的电子信号，但是应当理解本发明的原理可以扩展至涉及光强度调制或电磁场调制的基于电磁波的信号，诸如射频信号、红外信号、光学信号等。因此，传输媒介106可以包括诸如光纤等的光学传输媒介等，和/或携带诸如射频波、红外线等信号的无线传输媒介。

收发器103例如可以包括电流源115、负载阻抗（R_负载）118、混合器件（混合器件）121、混合器件电流源124以及其他部件。远程的收发器109可以包括，例如，电流源127、负载阻抗（R_负载）130、混合器件133、混合器件电流源136以及其他组件。远程的收发器109可以是或可以不是收发器103的镜像。在图1中，由收发器103产生的发送信号被表示为i_tx（电流）或V_tx（电压），并且由远程的收发器109产生的接收信号被表示为i_rx（电流）或V_rx（电压）。电流和电压之间的关系为i_rx=V_rx/R_{负 载}和i_tx=V_tx/R_负载。

在图1的示例中，电流源115被配置为提供2×i_tx的电流从而导致所看到的通过R_负载118的最大电流，该最大电流为i_tx+i_rx。类似地，电流源127被配置为提供2×ir_rx的电流从而导致所看到的通过R_负载130的最大电流，该最大电流为i_tx+i_rx。每个电源电压同样翻倍，这导致相对于在没有双工操作时的与发送信号本身相关联的功耗，功耗变为四倍。在传输媒介106上的双工输出信号被指定为i_o或V_o。输出电压V_o对应于V_tx+V_rx的和，输出电流i_o对应于差i_tx-i_rx。

混合器件121被配置为从双工信号V_o恢复接收信号V_rx。因为混合器件121具有对本地产生的发送信号的访问，所以混合器件121被配置为从双工信号中消除发送信号，从而恢复接收信号。混合器件121包括产生i_tx/m的电流的混合器件电流源124，i_tx/m的电流是本地产生的发送信号的小复制。选择因数m以减少电流消耗。

混合器件133被配置为从双工信号V_o恢复发送信号V_tx。因为混合器件133具有对本地产生的发送信号的访问，所以混合器件133被配置为从双工信号中消除接收信号，从而恢复发送信号。混合器件133包括产生i_rx/m的电流的混合器件电流源136。

图2是示出了根据本公开的实施方式的另一示例性双工通信系统的框图。双工通信系统200包括收发器203、传输媒介206以及远程的收发器209。在双工通信系统200中，在收发器203和远程的收发器209能够通过同一传输媒介206同时通信的情况下，操作的全双工模式可以被支持。双工通信系统200可以对应于以太网通信、数字用户线路（DSL）通信、线缆调制解调器通信和/或其他可以是有线或无线的通信系统。传输媒介206可以对应于诸如，例如双绞线、同轴线缆、光纤线缆等的有线电传输媒介。一对的变压器112（图1）可以在传输媒介206的端部提供电共模隔离。

在传输媒介206上的双工输出信号被表示为i_o或V_o。输出电压V_o对应于发送信号V_tx加上接收信号V_rx的和。输出电流i_o对应于发送电流i_tx和接收电流i_rx之间的差。

远程的收发器209可以与收发器203相同或不同。在一个实施方式中，远程的收发器209可以对应于远程的收发器109（图1）。如该示例中所示，远程的收发器209可以包括生成2×i_tx的电流的电流源212，以及负载阻抗（R_负载）215。远程的收发器209也可以包括混合器件133（图1）和未示出的附加电路。

收发器203包括电流模式数模转换器（IDAC）218、电压控制电流源221、混合器件224以及其他部件。IDAC218将数字数据信号225看作输入并且产生发送信号i_tx/m，其中m可以远大于1，例如10或一些其他因数。混合器件224被用于从在传输媒介206上出现的双工信号恢复接收信号。混合器件阻抗（R_混合器件）226可以远大于收发器203在电压控制电流源221处的负载阻抗（R_负载）。混合器件224生成带有一些衰减的接收信号V_rx227以及作为对电压控制电流源221的控制输入的控制信号V_c。

电压控制电流源221可以是具有k/R_负载的Gm值的Gm单元，其中k=2或其他值。控制信号V_c对应于除以常数因数k的发送电压和接收电压之间的差V_tx-V_rx，其中例如k=2或其他值。通过在混合器件224端口（cp、cn）处将V_tx=i_tx×R_负载叠加在-V_o/2上来从V_o中提取控制信号V_c。接收信号输入V_rx227是可以从差分节点处容易地获得的，在该差分节点处，V_tx在混合器件224的电阻串上不可用（空值，null）。

通过使用轨到轨电压摆幅和双工电流的局部消除，图2中所示的结构使双工驱动能够接近效率节省的基本极限。电压控制电流源221可以使用B类或AB类输出级从而直接从电源处获得i_o。在图2中所示的结构下，当V_tx=V_rx=V_max并且i_o（V_tx-V_rx）/R_负载=0时，在B类或AB类输出级中，在最大电压摆幅的情况下，没有使用额外的电压空间。因此，电压控制电流源221可以消除分别处理双工电流的开销并且可以使轨到轨操作是功率节省的。

使用依照推挽配置的两个晶体管器件的B类输出级可以提供极好的功率节省性。然而，B类输出级也可以遭受由从一个器件切换至另一器件导致的交叉失真。在一些情况下，可以使用AB类输出级来代替。AB类输出级采用小的静态电流，使得当没有使用器件时这些器件不完全断开。因此，AB类级为了有利于线性而牺牲了一些功率节省性。

图3示出了根据本公开的实施方式的示例性双工通信系统200（图2）的一个示例性实施方式的电路级示图。如图2中所示，双工通信系统200包括收发器203、传输媒介206以及远程的收发器209。收发器203包括IDAC218、作为驱动器的电压控制电流源221、混合器件224以及其他部件。

在示例性实施方式中，以电阻230、233、236、239、242和245来示出混合器件224。虽然被描述为电阻，但是这样的电阻可以对应于其他具有阻抗值的部件。在一个示例中，电阻230和233可以具有（k+2）/4×m×R_负载的值，电阻236和242可以具有（1/3）×（k+2）/4×m×R_负载的值，以及电阻239和245可以具有（2/3）×（k+2）/4×m×R_负载的值，其中k=2或其他因数。接收电压V_rx+在电阻236和239之间分割，同时接收电压V_rx-在电阻242和245之间分割。混合器件电流i_h从电阻245流向输出端口on并且混合器件电流i_h从电阻239流向输出端口op。i_h的值可以接近于零并且可以忽略。

为了根据输出线性的应用，电压控制电流源221可以包括驱动（m/k）×R_负载的复制负载电阻255的闭环电压缓冲器251、254以及放大并且复制i_m=V_c/（m/k）×R_负载=i_o/m的小复制电流的电流镜257、260，该小复制电流通过该电阻225而流向负载R_负载215。如图2中所示，电流镜增益m可以被选择为远大于1，例如10或其他值。电压控制电流源221的对应于电流镜257、260的B类或AB类输出级可以形成H桥驱动器拓扑，该H桥驱动器拓扑的特征在于内部有源终端以及全双工模式中的轨到轨操作。

应注意，可以重新配置收发器203的操作以用于使用图2和图3中所示的同样的驱动电路的多个不同的物理媒介相关（PMD）模式。这些不同的PMD模式可以使用不同的电压摆幅。例如，同样的驱动器电路可以根据需要被配置为支持10Base-T以太网或1000Base-T以太网。

图4是示出了根据本公开的实施方式的示例性双工通信系统200（图2）中的在收发器中实现的功能的一个示例的流程图。应理解，图4的流程图仅提供多个不同类型的功能配置的示例，该多个不同类型的功能配置可以被采用从而实现如本文中所描述的收发器203的操作。

开始于参考数字403，收发器203使用诸如IDAC218（图2）的数模转换器来从数字数据信号225产生发送信号。在参考数字406中，收发器203使用包括电压控制电流源221（图2）的驱动器，至少部分地基于发送信号，驱动通过传输媒介206的双工信号（图2）。

在参考数字409中，收发器203使用混合器件224（图2），从双工电压信号恢复由远程的收发器209（图2）产生的接收信号。在参考数字412中，至少部分基于由混合器件224恢复的接收信号以及由IDAC218产生的发送信号，收发器203驱动通过传输媒介206的双工电流信号。此后，在流程图中示出的收发器203的操作结束。

图4的流程图示出了收发器203的部分的实现方式的功能和操作。如果以硬件实施，那么每个框都可以表示电路或多个互相连接的电路以实现规定的逻辑功能。如果以软件实施，那么每个框都可以表示包括程序指令以实现规定的逻辑功能的代码的模块、片段或部分。程序指令可以以源代码或机器代码的形式来实施，该源代码包括以编程语言写成人类可读语句，该机器代码包括可以由诸如计算机系统或其他系统中的处理器的合适的执行系统来识别的数字指令。机器代码可以从源代码转换等。

虽然图4的流程图示出了具体地执行顺序，但是应当理解执行顺序可以不同于所示出的。例如，两个以上的框的执行顺序相对于示出的顺序可以是混乱的。而且，图4中连续示出的两个以上的框可以同时执行或具有部分同时性。此外，在一些实施方式中，图4中所示的一个以上的框可以被跳过或省略。此外，为了提高效用、记账结算、性能测量或提供故障检修帮助等目的，任意数量的计数器、静态变量、警告标志或消息可以被添加至本文中描述的逻辑流程。应当理解全部这些变形都在本公开的范围内。

应当强调，本公开的上述实施方式仅是为了清楚理解本公开的原理而提出的实施方式的可能的示例。在不充分偏离本公开的实质和原理的条件下，可以对上述实施方式进行多种变形和修改。全部的这些修改和变形都旨在被包含在本文中本公开的范围内，并且由所附权利要求来保护。

Claims (8)

1.一种收发器，包括：

混合器件，被配置为从通过传输媒介通信的双工信号恢复接收信号，所述接收信号由远程的收发器产生；以及

驱动器，被配置为驱动通过所述传输媒介的所述双工信号，所述驱动器包括电路系统，所述电路系统：

至少部分基于由所述混合器件恢复的所述接收信号来驱动所述双工信号，

当所述驱动器在全双工操作模式中操作时提供轨到轨电压摆幅，并且

当所述驱动器在所述全双工操作模式中操作时局部消除双工信号电流，

其中，所述双工信号包括由所述收发器产生的发送信号。

2.根据权利要求1所述的收发器，其中，所述驱动器包括电压控制电流源。

3.根据权利要求1所述的收发器，其中，所述驱动器被配置为用于B类操作或AB类操作。

4.根据权利要求1所述的收发器，其中，所述驱动器提供内部有源终端。

5.一种双工通信系统，包括：

用于从通过传输媒介通信的双工信号恢复接收信号的装置，所述接收信号由远程的收发器产生；以及

用于驱动通过所述传输媒介的所述双工信号的装置，所述双工信号包括由所述收发器产生的发送信号，

其中，用于所述驱动的装置：

至少部分基于由用于所述恢复的装置恢复的所述接收信号来驱动所述双工信号，

当所述驱动器在全双工操作模式中操作时提供轨到轨电压摆幅，并且

当所述驱动器在所述全双工操作模式中操作时局部消除双工信号电流。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，用于所述驱动的装置被配置为用于B类操作或AB类操作。

7.一种用于在收发器中驱动双工信号的方法，包括：

使用混合器件从所述双工信号中恢复接收信号，所述接收信号由远程的收发器产生；以及

使用驱动器来驱动通过传输媒介的所述双工信号，所述双工信号包括由所述收发器产生的发送信号，

其中，所述驱动包括：

至少部分基于由所述混合器件恢复的所述接收信号来驱动所述双工信号，

当所述驱动器在全双工操作模式中操作时使用轨到轨电压摆幅驱动所述双工信号，并且

当所述驱动器在所述全双工操作模式中操作时局部消除双工信号电流。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括：

使用数模转换器来产生发送信号；并且

其中，所述驱动还包括从改变比例的所述发送信号和所述接收信号的差来驱动所述双工信号。