CN107615650A - 具有变压器反馈的驱动器 - Google Patents

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Abstract

在所描述的示例中，驱动器电路包含输入驱动级(202)、输出驱动级(204)和变压器(T1)。输入驱动级(202)被配置为接收差分输入信号，并且放大该差分输入信号。输出驱动级(204)被耦合至输入驱动级(202)，并且被配置为从输入驱动级(202)接收放大的差分输入信号，并且进一步放大该放大的差分输入信号。变压器(T1)被配置为从输出驱动级(204)传递电流到输入驱动级(202)。

Description

具有变压器反馈的驱动器
背景技术
高速数字通信依靠驱动器电路系统来通过电缆在电路板部件之间传输数字信号，或者在其它有线应用中提供信号以便由接收器电路处理。通常，差分驱动器具有电流型输出级或者电压型输出级，并且可以用于在典型的50欧姆电线中或者在其他应用中驱动信号。通常电流型驱动器包含在电源与电流源之间连接的一对晶体管，其中晶体管栅极接收差分输入信号，并且集电极驱动差分电流输出，所述差分电流输出可以由无源或有源网络(诸如针对很多有线应用来说是简单的电阻器)转换为电压。尽管电流型驱动器通常具有良好的谐波响应和线性阻抗匹配，但这些电路通常承受高功耗。电压型驱动器可以被构造为简单的发射极跟随器配置，并且与电流型驱动器相比提供降低的功耗，但是可能具有更差的谐波响应和线性阻抗匹配。随着数据速率持续增加，有线差分信号驱动器需要进一步改进。
发明内容
在包含经由变压器的反馈的驱动器电路的所述示例中，驱动器电路包含输入驱动级、输出驱动级和变压器。输入驱动级被配置为接收差分输入信号，并且放大该差分输入信号。输出驱动级被耦合至输入驱动级，并且被配置为从输入驱动级接收放大的差分输入信号并且进一步放大该放大的差分输入信号。变压器被配置为从输出驱动级传递电流到输入驱动级。
在另一实施方式中，驱动器电路包含：晶体管，其连接为差分放大器以接收差分输入信号；连接至该差分放大器作为发射极跟随器的晶体管；以及变压器，其被配置为从发射极跟随器的集电极端传递电流到差分放大器。变压器的第一线圈被连接到每个发射极跟随器的集电极端，并且变压器的第二线圈被耦合至差分放大器的每个晶体管的集电极端。
在进一步的实施方式中，驱动器电路包含差分前置驱动器和驱动器。差分前置驱动器包含被连接为差分放大器的晶体管。驱动器包含与差分前置驱动器连接作为发射极跟随器的晶体管以及驱动器电路输出端。每个发射极跟随器的基极端被连接到差分放大器的每个晶体管的集电极端。驱动器电路输出端被连接到发射极跟随器的发射极端。变压器被连接到差分前置驱动器和驱动器，以提供从驱动器到前置驱动器的正反馈电流。变压器的第一线圈被连接到每个发射极跟随器的集电极端，并且变压器的第二线圈被耦合至差分放大器的每个晶体管的集电极端。变压器的第一线圈和第二线圈中的每个线圈都包含中心抽头，用于电源与前置驱动器和驱动器的连接。
附图说明
图1示出根据各种实施例的电路中的信号传递组件的框图。
图2示出根据各种实施例的驱动器电路的示意图。
图3示出根据各种实施例的驱动器电路的示意图。
图4示出根据各种实施例的驱动器电路的示意图。
具体实施方式
如果第一装置耦合至第二装置，则该连接可以是通过直接电气连接，或者通过经由其它装置和其它连接的间接电气连接。同样，如果X基于Y，则X可以基于Y和任何数量的其它因数。
驱动器电路在多种电子系统中被用于从一个位置传输信号到另一位置。例如，驱动器电路可以被包含在集成电路上，以便放大或以其他方式提供电流和/或电压，该电流和/或电压足以将信号传递到设置于集成电路内部或外部的接收器电路。驱动器电路经常消耗由集成电路消耗的电流的显著部分。因此，在维持信号完整性的同时降低驱动器能耗的技术是合乎需要的。
在示例性实施例中，相对于常规的驱动器实施方式，该驱动器电路在维持或改进驱动特性的同时降低了总体能耗。该驱动器电路的实施例通过与驱动器电路的输入级和输出级耦合的变压器施加正反馈。正反馈响应于输出级中的电流在输入级中感生出电流。因此，相对于常规驱动器，该驱动器的实施例可以在提供等效或改进性能的同时明显降低能耗(如高达40％)。
图1示出根据各种实施例的包含信号传递组件的系统100的框图。系统100包含信号源104、驱动器电路102、接收器电路106和信号目的地108。在一些实施例中，驱动器电路102可以被包含在信号源104中，和/或接收器电路106可以被包含在信号目的地108中。信号源104可以是产生信号110的任意电路。例如，信号源104可以是产生将被信号目的地108应用的时钟信号的时钟发生器，或者可以是产生将被信号目的地108应用的数据的数据源。信号110可以是差分信号，其中一个差分信号包含一对信号，其中每个信号是另一个信号的反相。
驱动器电路102接收信号110并且调节信号110以便传输到接收器电路106作为信号112。信号112也可以是差分信号。由驱动器电路102施加的调节可以包含电压和/或电流的放大以及阻抗匹配。驱动器电路102包含耦合正反馈的变压器，其相对于提供等效性能的常规驱动器有利地降低了能耗。
接收器电路106检测由驱动器电路102传输的信号112，调节所接收的信号112，并将该接收的信号提供给信号目的地108。在一些实施例中，接收器电路106可以被布置以检测差分信号并将差分信号转换为单端信号。驱动器电路102和接收器电路106可以被形成在同一集成电路中，或形成在不同集成电路中，或者形成在分立电路中。
图2示出根据各种实施例的驱动器电路102的示意图。驱动器电路102包含输入驱动级202和输出驱动级204。输入驱动级202驱动输出驱动级204。输入驱动级202和输出驱动级204也可以分别被称为前置驱动器和驱动器。输入驱动级202包含晶体管Q1和晶体管Q2、电阻器R1和电阻器R2以及电流源I1。晶体管Q1和晶体管Q2被连接并布置以形成差分放大器。差分输入信号110的两个相位驱动晶体管Q1和晶体管Q2的基极端。晶体管Q1和晶体管Q2的发射极被耦合至电流源I1。流过电流源I1以及晶体管Q1和晶体管Q2的电流可以被称为I_PRE_DRV。
输入驱动级202的输出取自于晶体管Q1和晶体管Q2的集电极并且被施加到输出驱动级204。输出驱动级204包含晶体管Q3和晶体管Q4、电阻器R3和电阻器R4、场效应晶体管(FET)M1和M2以及电流源I2。晶体管Q1和晶体管Q2的输出被施加到晶体管Q3和晶体管Q4的基极，作为输入施加到输出驱动级204。晶体管Q3和晶体管Q4被布置并连接成发射极跟随器。在晶体管Q3和晶体管Q4的发射极处提供驱动器电路102的输出端OUTN和OUTP。晶体管Q1、晶体管Q2、晶体管Q3和晶体管Q4可以是NPN双极结型晶体管。
FET M1和FET M2被耦合至晶体管Q3和晶体管Q4的发射极。更具体地，FET M1和FETM2的漏极端分别经由电阻器R3和电阻器R4耦合至晶体管Q3和晶体管Q4的发射极。电阻器R3和电阻器R4为驱动器电路102驱动的负载阻抗(例如接收器电路106的输入阻抗)提供阻抗匹配。FET M1和FET M2的栅极端分别连接到晶体管Q4和晶体管Q3的发射极并被其驱动。FETM1和FET M2可以是N沟道场效应晶体管(FET)。
FET M1和FET M2的源极端被耦合至电流源I2。流过电流源I2、晶体管Q3和晶体管Q4以及FET M1和FET M2的电流可以被称为I_DRV。
输出驱动级204也经由变压器T1耦合至输入驱动级202。变压器T1包含绕组或线圈C1和C2。线圈C1可以是变压器T1的初级线圈，并且线圈C2可以是变压器T1的次级线圈。线圈C2电连接输出驱动级204的晶体管Q3和晶体管Q4的集电极端。线圈C1电连接输入驱动级202中的电阻器R1和电阻器R2。线圈C1和线圈C2中的每个线圈都包含中心抽头，该中心抽头连接到给输入驱动级202和输出驱动级204供电的供电电压(例如Vcc)。可以基于驱动器电路102的特定参数来选择变压器T1的各种参数。例如，如果输出驱动级204中的电流明显高于输入级202中的电流，则线圈C1中的匝数相对于线圈C2中的匝数可以被减少。相反地，如果输出级204中的电流不高于输入级202中的电流，则线圈C1中的匝数可以被增加。
在某些实施方式(例如线性驱动实施方式)中，输出驱动级204中流动的电流(即I_drv)可以是输入驱动级202中流动的电流(即I_pre_drv)的4-5倍大，这是因为输出驱动级204需要驱动更大的负载(例如50欧姆的负载)。驱动器电路102采用在输出驱动级204中流动的相对较大的电流，以经由变压器T1向输入驱动级202提供反馈。经由从输入驱动级202的Q1或Q2接收的信号激活晶体管Q3或晶体管Q4将导致电流在线圈C2中流动。在线圈C2中流动的电流在线圈C1中感生出相应的电流。相应地，晶体管Q3或晶体管Q4的激活在输入驱动级202中经由变压器T1产生正反馈。该正反馈加速了输入驱动级202的操作。经由变压器反馈到输入驱动级202的电流补偿输入驱动级202中的寄生电容，并且不加载驱动器电路102的输出。
驱动器电路102在输入驱动级202和输出驱动级204之间不包含前馈路径。从输入驱动级202穿过变压器T1的前馈路径被发射极跟随器晶体管Q3和Q4的集电极断开。因为前馈路径被断开，所以输入驱动级仅看到线圈C1的效果并且没有附加的负载被传递。
看向线圈C1，输入驱动级202看到电流I_pre_drv+I_drv*k，其中k是变压器T1的匝数比。因为I_drv＝M*I_pre_drv(例如其中M是4到6)，所以线圈C1中的有效电流是I_pre_drv*(M*k+1)。相应地，在驱动器电路102的实施例中，相对于采用简单峰化(peaking)电感器的驱动器，线圈C1的尺寸可以降低到其1/(M*k+1)。
相对于使用峰化的简单电感器，变压器T1也明显降低电磁发射。驱动器电路102的实施例可以改变变压器T1的匝数和/或匝数比来控制施加到输入驱动级202的反馈电流和/或峰化参数。
在保持通过变压器T1的反馈的益处的同时，可以以任何数量的方式来修改驱动器电路102。图3示出根据各种实施例的驱动器电路302的示意图。驱动器电路302与驱动器电路102相似。驱动器电路302包含输入驱动级202和输出驱动级304。输入驱动级202驱动输出驱动级304。输入驱动级202包含晶体管Q1和晶体管Q2、电阻器R1和电阻器R2以及电流源I1。晶体管Q1和晶体管Q2被连接并布置以形成差分放大器。差分输入信号110的两个相位驱动晶体管Q1和晶体管Q2的基极端。晶体管Q1和晶体管Q2的发射极端被耦合至电流源I1。
输入驱动级202的输出取自于晶体管Q1和晶体管Q2的集电极并且被施加到输出驱动级304。输出驱动级204包含晶体管Q3和晶体管Q4、电阻器R3和电阻器R4、场效应晶体管(FET)M1和场效应晶体管M2以及电流源I2。晶体管Q1和晶体管Q2的输出被施加到晶体管Q3和晶体管Q4的基极，作为输出驱动级204的输入。晶体管Q3和晶体管Q4被布置并连接为发射极跟随器。在晶体管Q3和晶体管Q4的发射极处提供驱动器电路102的输出端OUTP和OUTN。晶体管Q1、晶体管Q2、晶体管Q3和晶体管Q4可以是NPN双极结型晶体管。
FET M1和FET M2耦合至晶体管Q3和晶体管Q4的发射极。更具体地，FET M1和FETM2的漏极端分别经由电阻器R3和电阻器R4耦合至晶体管Q3和晶体管Q4的发射极。电阻器R3和电阻器R4为驱动器电路102驱动的负载阻抗(例如接收器电路106的输入阻抗)提供阻抗匹配。FET M1和FET M2的栅极端分别连接到晶体管Q4和晶体管Q3的发射极并被其驱动。FETM1和FET M2的源极端分别耦合至电流源I3和电流源I4。FET M1和FET M2可以是N沟道FET。在一些实施例中，FET M1和FET M2可以用不同类型的晶体管(如双极结型晶体管)代替。
输出驱动级304经由变压器T1耦合至输入驱动级202。变压器T1包含绕组或线圈C1和C2。线圈C1可以是变压器T1的初级线圈，而线圈C2可以是变压器T1的次级线圈。线圈C2电连接输出驱动级304中的晶体管Q3和晶体管Q4的集电极端。线圈C1电连接输入驱动级202中的电阻器R1和电阻器R2。线圈C1和线圈C2中的每个线圈都包含中心抽头，该中心抽头连接到给输入驱动级202和输出驱动级304供电的供电电压(例如Vcc)。
输出驱动级304包含耦合至FET M1和FET M2的漏极的RC阻抗电路306。阻抗电路306包含耦合至FET M1和FET M2的漏极的电阻器R5，以及与电阻器R5并联耦合至FET M1和FET M2的漏极的电容C1。在一些实施方式中，电容C1和电阻器R5的尺寸被调整以完全或至少部分消除由驱动器电路302所驱动的电路的寄生电容。例如，驱动器电路302的某些实施例包含电容C1，该电容与驱动器电路302所驱动的电路的寄生电容具有相同的量级。因而，由于输出驱动级304中的FET M1和FET M2的交叉耦合，从输出驱动级304的输出端看向输出网络，阻抗电路306呈现负阻抗。因此，焊盘(pad)和布线电容CP可以由阻抗电路306至少部分消除，由此至少部分减少提供给接收器电路106的数据的边沿速率(上升时间，下降时间)的限制。此外，电路306的组件R5和C1可以以最小的成本被引入到驱动器电路302的集成电路实施方式中，并且对驱动器电路302的功耗无明显影响。
驱动器电路102可以在本公开的范围内以多种附加方式进行修改。此类实施方式通常可以包含在输入级中耦合至输出级的发射极跟随器的差分输入放大器，以及提供从输出级到输入级的电流的反馈变压器。例如，用于在集成电路中驱动信号的驱动器电路102的实施方式可以不包含FET M1和FET M2，但是可以包含输入驱动级202、发射极跟随器晶体管Q3和Q4以及反馈变压器T1。
图4示出根据各种多种实例的驱动器电路402的示意图。驱动器402与如图1所示的驱动器102类似，但是包含改进的输出驱动级404，该输出驱动级404增加了布置成发射极跟随器的晶体管Q5和晶体管Q6以驱动MOSFET M1和MOSFET M2。晶体管Q5通常与晶体管Q3并联，且晶体管Q6通常与晶体管Q4并联。晶体管Q5的集电极耦合至变压器T1的线圈C2和晶体管Q3的集电极。晶体管Q5的基极耦合至晶体管Q1的集电极和晶体管Q3的基极。晶体管Q5的发射极耦合至电流源I5和MOSFET M2的栅极。MOSFET M2被晶体管Q5的发射极驱动。
晶体管Q6的集电极耦合至变压器T1的线圈C2和晶体管Q4的集电极。晶体管Q6的基极耦合至晶体管Q2的集电极和晶体管Q4的基极。晶体管Q6的发射极耦合至电流源I6和MOSFET M1的栅极。MOSFET M1被晶体管Q6的发射极驱动。通过使用晶体管Q5和晶体管Q6来驱动MOSFET M1和MOSFET M2，而不是使用晶体管Q3和晶体管Q4来驱动MOSFET M1和M2，驱动器402可以为输出信号112提供改进的驱动响应(如降低的电容负载)。
可以在驱动器电路的各种实施例中实现MOSFET驱动晶体管Q5和Q6。例如，图3所示的驱动器302可以被修改以包含MOSFET驱动晶体管Q5和Q6。
在权利要求的范围内，对所描述的实施例进行修改是可能的，并且其它实施例也是可能的。

Claims (20)

1.一种驱动器电路，其包括：
输入驱动级，其被配置为：接收差分输入信号；并且放大所述差分输入信号；
输出驱动级，其被耦合至所述输入驱动级并被配置为：从所述输入驱动级接收放大的差分输入信号；并且放大所述放大的差分输入信号；以及
变压器，其被配置为从所述输出驱动级传递电流至所述输入驱动级。
2.根据权利要求1所述的驱动器电路，其中所述输入驱动级包含电流型放大器，并且所述输出驱动级包含电压型放大器。
3.根据权利要求1所述的驱动器电路，其中所述输入驱动级包含布置成差分对的晶体管。
4.根据权利要求3所述的驱动器电路，其中所述输出驱动级包含耦合至所述差分对作为发射极跟随器的晶体管。
5.根据权利要求4所述的驱动器电路，其中所述变压器的第一线圈被电耦合至所述差分对的每个所述晶体管的集电极端，并且所述变压器的第二线圈被电耦合至每个所述发射极跟随器的集电极端。
6.根据权利要求5所述的驱动器电路，其中激活所述发射极跟随器会启动从所述输出驱动级传递电流到所述输入驱动级。
7.根据权利要求4所述的驱动器电路，其中所述输出驱动级包含：
差分输出端，一个所述输出端连接到每个所述发射极跟随器的发射极端；以及
场效应晶体管即FET，其中每个所述FET的漏极端经由电阻器耦合至每个所述输出端。
8.根据权利要求1所述的驱动器电路，其中所述变压器的第一线圈被电耦合至所述输入驱动级，并且所述变压器的第二线圈被电耦合至所述输出驱动级，而且电源被连接到所述第一线圈和所述第二线圈中每一个的中心抽头上。
9.根据权利要求1所述的驱动器电路，其中从所述输出驱动级传递到所述输入驱动级的电流是所述输入驱动级的电流、所述输出驱动级的增益以及所述变压器的匝数比的函数。
10.一种驱动器电路，其包括：
晶体管，其连接为差分放大器以接收差分输入信号；
连接至所述差分放大器作为发射极跟随器的晶体管；以及
变压器，其被配置为从所述发射极跟随器的集电极端传递电流到所述差分放大器，其中所述变压器的第一线圈被连接至每个所述发射极跟随器的集电极端，并且所述变压器的第二线圈被耦合至所述差分放大器的每个所述晶体管的集电极端。
11.根据权利要求10所述的驱动器电路，其中每个所述发射极跟随器的基极端被连接到所述差分放大器的每个所述晶体管的集电极端。
12.根据权利要求10所述的驱动器电路，其中由所述差分放大器的所述集电极端处的信号激活所述发射极跟随器会在所述变压器的所述第二线圈中感生电流。
13.根据权利要求12所述的驱动器电路，其中在所述变压器的所述第二线圈中感生的电流是所述发射极跟随器中的电流和所述变压器的匝数比的函数。
14.根据权利要求10所述的驱动器电路，其中所述变压器的所述第一线圈和所述第二线圈中的每一个包含中心抽头，并且电源被连接到每个中心抽头。
15.根据权利要求10所述的驱动器电路，其进一步包括：
差分输出端，每个所述差分输出端被连接到一个所述发射极跟随器的发射极端；
电阻器，每个所述电阻器的第一端被连接到一个所述差分输出端；以及
输出晶体管，每个所述输出晶体管的一端被连接到一个所述电阻器的第二端。
16.根据权利要求15所述的驱动器电路，其中每个所述输出晶体管的控制端被连接到一个所述差分输出端。
17.一种驱动器电路，其包括：
差分前置驱动器，其包含连接为差分放大器的晶体管；以及
驱动器，其包含：作为发射极跟随器连接至所述差分前置驱动器的晶体管，其中每个所述发射极跟随器的基极端被连接到所述差分放大器的每个所述晶体管的集电极端；以及驱动器电路输出端，其被连接到所述发射极跟随器的发射极端；以及
变压器，其被连接到所述差分前置驱动器和所述驱动器以提供从所述驱动器到所述前置驱动器的正反馈电流；
其中所述变压器的第一线圈被连接到每个所述发射极跟随器的集电极端，并且所述变压器的第二线圈被耦合至所述差分放大器的每个所述晶体管的集电极端；以及
其中所述变压器的所述第一线圈和所述第二线圈中的每一个包含中心抽头，用于连接电源至所述前置驱动器和所述驱动器。
18.根据权利要求17所述的驱动器电路，其中由所述差分放大器的所述晶体管的所述集电极端处的信号激活所述发射极跟随器会在所述前置驱动器中感生正反馈电流。
19.根据权利要求18所述的驱动器电路，其中在所述前置驱动器中感生的正反馈电流是所述发射极跟随器中的电流和所述变压器的匝数比的函数。
20.根据权利要求18所述的驱动器电路，其进一步包括：
电阻器，每个所述电阻器的第一端被连接到一个所述驱动器电路输出端；
金属氧化物半导体场效应晶体管即FET，每个所述场效应晶体管的漏极端被连接到一个所述电阻器的第二端，并且每个所述场效应晶体管的栅极端被连接到一个所述驱动器电路输出端。
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