CN105959033A - 全双工收发器电路及全双工收发器操作的方法 - Google Patents

Abstract

全双工收发器电路包含：线驱动器，用以输出第一电流及第二电流分别至第一节点以及至第二节点；第一电阻器，用以分流第一节点至接地端；第二电阻器，用以分流第二节点至接地端；第一电容器，用以耦接第一节点至第三节点；第二电容器，用以耦接第二节点至第三节点；运算放大器，用以接收来自参考节点的第一输入以及来自第三节点的第二输入，并于第四节点输出一输出电压；回授网路，包含并联连接的第三电阻器及第三电容器，用以提供自第四节点至第三节点的回授；以及具有特性阻抗的传输线，用以耦接第一节点至远端收发器电路。

Description

全双工收发器电路及全双工收发器操作的方法

技术领域

本发明是关于全双工收发器电路及全双工收发器操作的方法。

背景技术

本领域通常知识者应瞭解有关用于本揭示内容的微电子相关词汇及基本概念，例如：“电压”、“电流”、“接地端”、“电阻器”、“电容器”、“电阻”、“电容”、“讯号”、“节点”、“分流”、“差动”、“单端”、“共模”、“直流”、“阻抗”、“阻抗匹配”、“逻辑讯号”、“传输线”、“特性阻抗”、“开关”以及“运算放大器”。上述词汇及基本概念对本领域的通常知识者是显而易知的，因此，在此将不会做详细说明。

倘若逻辑讯号的状态为“高(或是“1”)，则表示为“有效”(asserted)。倘若逻辑讯号的状态为“低”(或是“0”)，则表示为“无效”(de-asserted)。

全双工收发器是一同时使用传输器传输第一讯号并使用接收器接收第二讯号的装置。实作上，部分的第一讯号往往会泄漏至接收器并与第二讯号结合，进而形成由接收器接收并进行处理的第三讯号。泄漏至接收器的部分第一讯号称为回音。因回音会损害接收器，所以回音需要被抑制。在美国专利公告号8,045,702中，该案的发明人教示了于全双工收发器使用混合电路以降低回音。然而，混合电路是基于差动讯号传递，其中由传输器传输的第一讯号以及由接收器接收的第二讯号皆为差动讯号。如先前技术所熟知，差动讯号包含第一终端(亦可称为正终端)以及第二终端(亦可称为负终端)。反观，单端讯号仅包含单一终端。虽然传递差动讯号提供众多优点，但因为单端讯号传递的复杂度较低，故常使用在多种应用中。

发明内容

本发明的实施例的一目的是，使用共享传输媒介的单端讯号传递方案以同时间地传输第一讯号及接收第二讯号，并同时避免第一讯号干扰第二讯号的接收操作。

本发明的实施例的一目的是，使用共享传输媒介的单端讯号传递方案以同时间地传输第一讯号及接收第二讯号，并同时避免第一讯号干扰第二讯号的接收操作以及保持好的电源完整性。

本发明的实施例的一目的是，使用共享传输媒介的单端讯号传递方案以同时间地传输第一讯号及接收第二讯号，并同时避免第一讯号干扰第二讯号的接收操作、保持好的电源完整性以及在决定直流操作点时给予高度的自由。

在一实施例中，一种全双工收发器电路包含线驱动器、第一电阻器、第二电阻器、第一电容器、第二电容器、运算放大器、回授网路以及具有特性阻抗的传输线。线驱动器用以输出第一电流及第二电流分别至第一节点及至第二节点。第一电阻器用以分流第一节点至接地端；第二电阻器用以分流第二节点至接地端。第一电容器用以耦接第一节点至第三节点；第二电容器用以耦接第二节点至第三节点。运算放大器用以接收来自参考节点的第一输入以及来自第三节点的第二输入，并于第四节点输出一输出电压。回授网路包含并联连接的第三电阻器和第三电容器，用以提供自第四节点至第三节点的回授。具有特性阻抗的传输线用以耦接第一节点至远端收发器。

在一实施例中，第一电流与第二电流互补。在一实施例中，第一电阻器的阻值大约等于特性阻抗的阻值。在一实施例中，第二电阻器的阻值大约为第一电阻器的阻值的一半。在一实施例中，第一电容器的容值大约等于第二电容器的容值。在一实施例中，第一节点处的总阻抗大约等于第二节点处的总阻抗。在一实施例中，线驱动器包含电流源、第一开关以及第二开关，电流源用以提供定电流，第一开关用以当逻辑讯号为有效(asserted)时将定电流转向至第一节点；第二开关用以当逻辑讯号为无效(de-asserted)时将定电流转向至第二节点。

在一实施例中，一种方法包含下列步骤：输出第一电流及第二电流分别至第一节点及至第二节点；使用第一电阻器分流第一节点至接地端；使用第二电阻器分流第二节点至接地端；使用第一电容器耦接第一节点至第三节点；使用第二电容器耦接第二节点至第三节点；耦接参考节点至运算放大器的第一输入端；耦接第三节点至运算放大器的第二输入端；耦接运算放大器的输出端至第四节点；借由包含并联连接的第三电阻与第三电容的回授网路耦接第四节点至第三节点；使用具特性阻抗的传输线耦接第一节点至远端收发器。

在一实施例中，第一电流与第二电流互补。在一实施例中，第一电阻器的阻值大约等于特性阻抗的阻值。在一实施例中，第二电阻器的阻值大约为第一电阻器的阻值的一半。在一实施例中，第一电容器的容值大约等于第二电容器的容值。在一实施例中，第一节点处的总阻抗大约等于第二节点处的总阻抗。在一实施例中，输出第一电流及第二电流分别至第一节点至第二节点的步骤包含：当逻辑讯号为有效时，转向从电流源的定电流至第一节点，以及该逻辑讯号为无效时，转向从电流源的定电流至第二节点。

附图说明

图1为根据本发明一实施例所绘示的一全双工收发器的示意图；以及

图2为适用于图1的全双工收发器的线驱动器的示意图。

【符号说明】

100：全双工收发器

101～105：节点

110：传输线

120：线驱动器

130：回授网路

140：输入网路

150：运算放大器

V₁～V₄、V_REF：电压

C₁～C₃：电容器

R₁～R₃：电阻器

Z₀：特性阻抗

I₁～I₂、I_C：电流

210：电流源

220：开关网路

221～222：开关

D～DB：逻辑讯号

VDD：电源供应节点

具体实施方式

本揭示内容的实施例是关于全双工收发器电路。当说明书描述认为实施本揭示内容的较佳模式的数个范例性实施例时，应了解到本揭示内容可由多种方式实作，并不限于下述特定范例，或范例特征的实作方式。于其他例中，不显示或描述熟知的内容以避免混淆本揭示内容的态样。

在本揭示内容中，逻辑讯号具有两种状态：“高”及“低”，亦可被改写为“1”及“0”。为了简洁起见，当逻辑讯号于“高”(“低”)状态时，可简单表示逻辑讯号为“高”(“低”)。同样地，为了简洁起见，有时可省略引号，简单表示逻辑讯号为高(低)，亦可表示为逻辑讯号为1(0)，意味著在本文中已经完成描述逻辑讯号状态的声明。

本揭示内容是从工程的观点出发，其中当第一数量与第二数量的差值小于一指定容忍量时，其说明第一数量“等于”第二数量。举例来说，如果指定容忍量为0.5毫伏(mV)，100.2mV被视为等于100mV。换句话说，当我们描述“X等于Y”时，表示“X几乎等于Y，且X和Y的差值小于所关注的指令容忍量”。同样地，在数学表示中，“＝”符号在工程师的观点表示“等于”。同样地，当我们描述“X为常数”，表示“X几乎是常数”；当我们描述“X为零”，表示“X小于所关注的指定容忍量，因此可被忽略”。

在本揭示内容中，电阻器的阻值代表该电阻器的电阻大小，且电容器的容值表示该电容器的电容大小。

图1为根据本发明一实施例所绘示的全双工收发器100的示意图，全双工收发器100使用单端讯号传递，并可降低同时收发造成的回音。全双工收发器100包含线驱动器120、第一电阻器R₁、第二电阻器R₂、输入网路104、运算放大器150、回授网路130以及具有特性阻抗Z₀的传输线110。线驱动器120用以输出第一电流I₁以及第二电流I₂分别至第一节点101和第二节点102，其中于第一节点101处的电压和于第二节点处102的电压分别以第一电压V₁以及第二电压V₂表示。第一电阻器R₁用以将第一节点101分流至接地端。第二电阻器R₂用以将第二节点102分流至接地端。输入网路104包含第一电容器C₁以及第二电容器C₂，第一电容器C₁用以将第一节点101耦接至第三节点103，第二电容器C₂用以将第二节点102耦接至第三节点103，其中于第三节点103处的电压以第三电压V₃表示。运算放大器150用以接收来自直流参考电压V_REF的参考节点105的第一输入(以“+”符号表示)，以及接收来自第三节点103的第二输入(以“-”符号表示)，并于第四节点104输出第四电压V₄。回授网路130包含并联连接的第三电阻R₃和第三电容C₃，用以提供运算放大器150自第四节点104至第三节点103的负回授；以及具有特性阻抗Z₀的传输线110用以将第一节点101耦接至远端收发器(未绘于图1中)。

线驱动器120输出互补的第一电流I₁以及第二电流I₂，因此第一电流I₁与第二电流I₂的总合保持不变。换句话说，无论第一电流I＝增加多少量，则第二电流I₂必须减少相同的量，反之亦然。

第一电阻R₁用以提供于第一节点101处的阻抗匹配。在一实施例中，第一电阻R₁的阻值等于传输线110特性阻抗Z₀的阻值，借此有效地实现第一节点101处的阻抗匹配。

第二电阻R₂用以替线驱动器120建立平衡的负载；“平衡的负载”表示于第二节点102处的总阻抗等于第一节点101处的总阻抗，因此对线驱动器120来说，第一节点101便与第二节点102阻抗平衡。在一实施例中，第二电阻器R₂的阻值等于第一电阻器R₁的阻值的一半，且第一电容器C₁的容值等于第二电容器C₂的容值；若是第一电阻器R₁的阻值等于特性阻抗Z₀的阻值便能有效地实现平衡负载的目的。

运算放大器150、输入网路140和回授网路130组成反向放大器。相关领域的熟知该项技艺者应理解，反向放大器的增益等于回授网路130的阻抗和输入网路140的阻抗的比值。回授网路130的阻抗是为R₃/(1+sR₃C₃)。第一电压V₁与第二电压V₂两者皆为反向放大器的输入，且两者看进去输入网路140的阻抗分别为1/sC₁与1/sC₂。因此，第四电压V₄是为第一电压V₁与第二电压V₂的加权总合，并能表达如以下方程式：

$V_4\left(s\right)=-\left(\frac{{\mathrm{sR}}_3{C}_1}{1+{\mathrm{sR}}_3{C}_3}\right)\·V_1\left(s\right)-\left(\frac{{\mathrm{sR}}_3{C}_2}{1+{\mathrm{sR}}_3{C}_3}\right)\·V_2\left(s\right)---\left(1\right)$

在此，变数“s”表示拉普拉斯转换变数，其为相关领域的熟知该项技艺者所熟知且广泛地被使用，所以在此不多加赘述。当第一电容器C₁的容值与第二电容器C₂的容值相同，且为一共同容值C_I时，我们能将方程式(1)改写为

$V_4\left(s\right)=-\left(\frac{{\mathrm{sR}}_3{C}_I}{1+{\mathrm{sR}}_3{C}_3}\right)\·\left(V_1\right(s)+V_2(s\left)\right)---\left(2\right)$

由于全双工的本质，第一电压V₁包含TX(代表传输)成分以及RX(代表接收)成分。TX成分是由第一电流I₁决定，而RX成分是由在远端收发器的输出电压决定。相较之下，第二电压V₂几乎仅由第二电流I₂决定且几乎与远端收发器的输出电压无关。由于第三节点103为虚接地，且运算放大器150为负回授架构，因此提供第一节点101与第二节点102间良好的隔离。如此一来，我们能将方程式(2)改写为

$V_4\left(s\right)=-\left(\frac{{\mathrm{sR}}_3{C}_I}{1+{\mathrm{sR}}_3{C}_3}\right)\·\left(V_{1TX}\right(s)+V_{1RX}(s)+V_2(s\left)\right)---\left(3\right)$

在此，V_1TX是第一电压V₁的TX成分且V_1RX是第一电压V₁的RX成分。我们亦可写成

V_1TX(s)＝I₁(s)Z₁(s) (4)

以及

V₂(s)＝I₂(s)Z₂(s) (5)

在此，Z₁是第一节点101处的总阻抗，且Z₂是第二节点102处的总阻抗。如先前所述，第一电阻器R₁、第二电阻器R₂、第一电容器C₁以及第二电容器C₂用以提供线驱动器120平衡的负载，因此Z₁等于Z₂。令Z₁与Z₂皆等于Z_L。接著，我们能将方程式(3)改写为

$V_4\left(s\right)=-\left(\frac{{\mathrm{sR}}_3{C}_I}{1+{\mathrm{sR}}_3{C}_3}\right)\·\left(I_1\right(s)+I_2(s\left)\right)\·Z_L\left(s\right)-\left(\frac{{\mathrm{sR}}_3{C}_I}{1+{\mathrm{sR}}_3{C}_3}\right)\·V_{1RX}\left(s\right)---\left(6\right)$

如先前所述，第一电流I₁与第二电流I2互补，因此(I₁(s)+I₂(s))为定值，(I₁(s)+I₂(s))除了在直流以外均为零。然而，在直流时，为零。因此，始终为零。如此一来，方程式(6)可简化为

$V_4\left(s\right)=-\left(\frac{{\mathrm{sR}}_3{C}_I}{1+{\mathrm{sR}}_3{C}_3}\right)\·V_{1RX}\left(s\right)---\left(7\right)$

换句话说，当TX成分被有效去除后，第四电压V₄仅包含第一电压V₁的RX成分。如此一来，全双工收发器100即可实现优异的回音消除表现。

举例来说，但非用以限定本发明，在一实施例中，Z₀为50Ohm(欧姆)，R₁为50Ohm，R₂为25Ohm，C₁为100fF(毫微微法拉)，C₂为100fF，C₃为50fF，以及R₃为1Mohm(兆欧姆)。

运算放大器的实现方式是为相关领域的熟知该项技艺者所熟知，在此不多加赘述。

图2描述适用于图1的线驱动器120的线驱动器200的示意图。线驱动器200包含电流源210以及开关网路220。电流源210用以输出定电流I_C；开关网路220包含第一开关221与第二开关222，用以接收定电流I_C并输出第一电流I₁至图1的第一节点101，以及输出第二电流I₂至图1的第二节点102。在此，“VDD”表示电源供应节点。第一开关221由逻辑讯号D控制，第二开关222由和逻辑讯号D互补的另一个逻辑讯号DB控制。当逻辑讯号D为1，逻辑讯号DB为0，则第一开关221导通，第二开关222断开，第一电流I₁等于I_C，且第二电流I₂为零。当逻辑讯号D为0，逻辑讯号DB为1，则第一开关221断开，第二开关222导通，第一电流I₁为零，且第二电流I₂等于I_C。由于互补的特性，无论逻辑讯号D的状态为何，(I₁+I₂)始终等于I_C。因此，第一电流I₁与第二电流I₂为互补。电流源与开关等元件为相关领域的熟知该项技艺者所熟知，在此不多加赘述。

再次参阅图1。全双工收发器100除了提供优异的回音消除表现之外还有其他优点。首先，如先前所述，线驱动器120看到平衡的负载以及由线驱动器120输出的总电流为定值(因为第一电流I₁与第二电流I₂互补)。线驱动器120由电源供应电路(产生电源供应电压的电路，比如说在图1所示的电源供应节点VDD)所供电。由于自线驱动器120输出的电流总合为常数，线驱动器120所需来自电源供应电路的电源亦为常数。这对于电源供应电路来说是个优点，因为相较于所需电源无论何时皆在变化的情况来说，所需电源为定值的情况下电源供应电路能更轻易地维持稳定的电源供应电压。如此一来，随着单端讯号传递带来的不良电源完整性的问题即可获得改善。再者，输入网路140提供电容耦合至运算放大器150，此将允许第四电压V₄的直流值等于参考电压V_REF，而不用考虑第一电压V₁或第二电压V₂的直流值。换句话说，我们能借由设定参考电压V_REF以控制第四电压V₄的直流值，而不需考虑第一电压V₁或第二电压V₂的直流值。借此给予电路设计者在决定运算放大器150的直流操作点时高度的自由。

虽然本揭示内容已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本揭示内容，任何熟习此技艺者，在不脱离本揭示内容的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本揭示内容的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (10)

1.一种全双工收发器电路，包含：

一线驱动器，用以输出一第一电流至一第一节点以及一第二电流至一第二节点；

一第一电阻器，用以分流该第一节点至接地端；

一第二电阻器，用以分流该第二节点至接地端；

一第一电容器，用以耦接该第一节点至一第三节点；

一第二电容器，用以耦接该第二节点至该第三节点；

一运算放大器，用以接收来自一参考节点的一第一输入以及来自该第三节点的一第二输入，并于一第四节点输出一输出电压；

一回授网路，包含并联连接的一第三电阻器与一第三电容器，用以提供自该第四节点至该第三节点的一回授；以及

一具特性阻抗的传输线，用以将该第一节点耦接至一远端收发器。

2.根据权利要求1所述的全双工收发器电路，其中该第一电流与该第二电流互补。

3.根据权利要求2所述的全双工收发器电路，其中该第一电阻器的阻值大约等于该特性阻抗的阻值。

4.根据权利要求3所述的全双工收发器电路，其中该第二电阻器的阻值大约为该第一电阻器的阻值的一半。

5.根据权利要求4所述的全双工收发器电路，其中该第一电容器的容值大约等于该第二电容器的容值。

6.根据权利要求5所述的全双工收发器电路，其中在该第一节点处的总阻抗大约等于在该第二节点处的总阻抗。

7.根据权利要求1所述的全双工收发器电路，其中该线驱动器包含：

一电流源，用以提供一定电流；

一第一开关，用以当一逻辑讯号为有效时将该定电流摆向至该第一节点；以及

一第二开关，用以当该逻辑讯号为无效时将该定电流摆向至该第二节点。

8.一种全双工收发器操作的方法，包含：

输出一第一电流至一第一节点以及一第二电流至一第二节点；

使用一第一电阻器分流该第一节点至接地端；

使用一第二电阻器分流该第二节点至接地端；

使用一第一电容器耦接该第一节点至一第三节点；

使用一第二电容器耦接该第二节点至该第三节点；

耦接一参考节点至一运算放大器的一第一输入端；

耦接该第三节点至该运算放大器的一第二输入端；

耦接该运算放大器的一输出端至一第四节点；

借由包含并联连接的一第三电阻与一第三电容的一回授网路耦接该第四节点至该第三节点；

使用一具特性阻抗的传输线耦接该第一节点至一远端收发器。

9.根据权利要求8所述的方法，其中该第一电流与该第二电流互补；该第一电阻器的阻值大约等于该特性阻抗的阻值；该第二电阻器的阻值大约为该第一电阻器的阻值的一半；该第一电容器的容值大约等于该第二电容器的容值；以及该第一节点处的总阻抗大约等于该第二节点处的总阻抗。

10.根据权利要求8所述的方法，其中输出该第一电流至该第一节点以及该第二电流至该第二节点的步骤包含：

当一逻辑讯号为有效时，自一电流源将一定电流摆向至该第一节点，以及当该逻辑讯号为无效时，自该电流源将该定电流摆向至该第二节点。