CN110187732B - 一种混合电压模和电流模pam-4高速驱动电路 - Google Patents

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    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • G05F1/561—Voltage to current converters

Abstract

一种混合电压模和电流模的四电平幅度调制(PAM‑4)驱动电路，包括电压模支路和电流模支路。电压模支路包括两个输入反相器(Mp1,Mn1,Mp2,Mn2)和两个串联电阻R1，差分输入信号为(VMSBp，VMSBn)；电流模支路包括作为偏置电流源的Mp5管，差分输入对管Mp3和Mp4，和一对匹配电阻R2，差分输入信号为(VLSBp，VLSBn)。驱动电路的差分输出信号为(Voutp，Voutn)。输入信号分别通过电压模和电流模的方式调制输出电平的幅度，从而产生四电平。本发明结合了传统的电压模驱动电路和电流模驱动电路，电压模驱动电路作为2倍权重支路，具有很好的线性度以及较低的功耗；电流模驱动电路作为1倍权重支路，扩大了驱动电路的差分最大输出摆幅，其最大差分输出摆幅可达1.5倍的电源电压。

Description

一种混合电压模和电流模PAM-4高速驱动电路
技术领域
本发明属于集成电路设计技术领域，特别涉及一种混合电压模和电流模PAM-4高速驱动电路。
背景技术
芯片间互连以及背板数据通信要求下一代I/O的数据率支持每通道56Gb/s，甚至112Gb/s。为了在高速设计下减轻均衡负担，采用多阶调制技术提高信号频谱的利用率。而四电平幅度调制信号(PAM-4)应用于高速数据通信引入了新的问题。相比于NRZ，PAM-4眼图的高度减小为原来的1/3，在噪声功率不变的情况下，PAM-4信号的信噪比降低了9.5dB。因此，高速PAM-4发射机的设计的难点在于如何在保持高线性度的条件下提高输出摆幅。目前PAM-4驱动电路有两种结构：电压模结构(Source-series terminated，SST)和电流模结构(Current Mode，CM)。电流模PAM-4驱动电路可以提供很大的输出摆幅，但在大输出摆幅下，输出线性度很差；电压模PAM-4驱动电路输出具有很高的线性度，但其最大差分输出摆幅受电源电压VDD的限制，最大为VDD/2。
图1是传统的CM PAM-4驱动电路原理图，MOS管Mp1为尾电流源管，其栅极偏置电平为VMbias，提供的偏置电流为IMSB。Mp1管的漏极连接差分输入对管Mp3和Mp4管的源极。Mp3和Mp4管的栅极分别接差分输入信号VMSBp和VMSBn。MOS管Mp2为另一尾电流源管，其栅极偏置电平为VLbias，提供的偏置电流为ILSB。Mp2管的漏极连接差分输入对管Mp5和Mp6管的源极。Mp5和Mp6管的栅极分别接差分输入信号VLSBp和VLSBn。Mp3和Mp5管的漏极共同连接近端负载电阻RL，输出信号为VTXN；Mp4和Mp6管的漏极共同连接另一近端负载电阻RL，输出信号为VTXP。
CM PAM-4驱动电路的输出摆幅由两个尾电流源IMSB和ILSB决定，且满足关系IMSB＝2ILSB。当尾电流较大时，驱动电路有较大的输出电压摆幅。但随着输出电压摆幅的增大，两个尾电流源管进入线性区，其电流随输出电压摆幅的变化而变化，因此CM PAM-4输出电压信号的线性度在输出摆幅较大的情况下很差。
为了解决图1中CM PAM4驱动电路输出信号线性度差的问题，可采用图2中SSTPAM-4驱动电路，3/2 RL和3RL为近端匹配电阻，RL为远端匹配电阻，(VMSBp，VMSBn)和(VLSBp，VLSBn)为两路差分输入信号，(VTXP，VTXN)为差分输出信号，MSB支路作为2倍权重支路，LSB支路作为1倍权重支路。SST PAM-4驱动电路通过电阻之间的比例关系确定输出电压，所以SSTPAM-4驱动电路具有很高的线性度，但SST PAM-4驱动电路的最大差分输出摆幅为电源电压，在不提高电源电压的情况下，无法提供更大的输出摆幅。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种混合电压模和电流模PAM-4高速驱动电路，该驱动电路可以产生大摆幅、高线性度的PAM-4信号，为下一代I/O接口电路的设计提供一种新的方案。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种混合电压模和电流模PAM-4高速驱动电路，其特征在于，包括电压模支路和电流模支路，其中电压模支路作为2倍权重支路(即其调制的输出电压变化幅度是电流模调制变化的2倍)，具有很好的线性度以及较低的功耗，其包括两个输入反相器和分别连接于两个输入反相器输出端的两个负载电阻R1，差分输入信号为(VMSBp，VMSBn)；电流模支路作为1倍权重支路，扩大了驱动电路的差分最大输出摆幅，其最大差分输出摆幅可达1.5倍的电源电压，其包括作为偏置电流源的MOS管Mp5，差分输入对管Mp3和Mp4，以及分别连接在差分输入对管Mp3和Mp4漏极的一对匹配电阻R2，差分输入信号为(VLSBp，VLSBn)；输入信号(VMSBp，VMSBn)和(VLSBp，VLSBn)分别通过电压模和电流模的方式调制输出电平的幅度，从而产生四电平，最终的差分输出信号为(VTXP，VTXN)，其中负载电阻R1及反相器导通电阻r和匹配电阻R2满足(r+R1)//R2＝RL，RL为终端匹配电阻。
所述电压模支路中，MOS管Mp1和Mn1构成输入反相器一，MOS管Mp2和Mn2构成输入反相器二，VMSBp作为反相器一的输入信号，VMSBn作为输入反相器二的输入信号，一个负载电阻R1连接在输入反相器一的输出端，输出信号为VTXP；另一个负载电阻R1连接在输入反相器二的输出端，输出信号为VTXN。
所述电流模支路中，MOS管Mp5的栅极偏置电压为Vbias，MOS管Mp5的漏极连接差分输入对管Mp3和Mp4的源极，差分输入对管Mp3和Mp4的栅极分别接差分输入信号VLSBp和VLSBn，Mp3管的漏极连接一个匹配电阻R2，输出信号为VTXP；Mp4管的漏极连接另一个匹配电阻R2，输出信号为VTXN。
与现有技术相比，本发明驱动电路结合了传统的SST和CM PAM-4驱动电路的结构，从而保留了传统SST和CM PAM-4驱动电路的优点，使得驱动电路能输出大摆幅高线性度的PAM-4数据，有效解决了目前现有的PAM-4驱动电路存在的问题。
附图说明
图1是传统电压模PAM-4驱动电路原理图。
图2是传统电流模PAM-4驱动电路原理图。
图3是混合电压模电流模PAM-4驱动电路原理图。
图4是最大输出摆幅条件的混合电压模电流模PAM-4驱动电路原理图。
图5是几种驱动电路输出摆幅和线性度对比。。
具体实施方式
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
图3是本发明提出的驱动电路的原理图，MOS管Mp1和Mn1构成一个反相器，Mp2和Mn2构成另一反相器，这两个反相器用于SST驱动电路；MOS管Mp5为偏置电流源，Mp3和Mp4是CM电路的差分输入对管；R1和R2是混合驱动电路的负载电阻，RL为远端电阻。电压Vbias为CM驱动电路中作为电流源的MOS管Mp5的栅极偏置电压，(VMSBp，VMSBn)和(VLSBp，VLSBn)为两路差分输入信号，(VTXP，VTXN)为差分输出信号。本发明采用混合SST和CM的结构，提高了SST驱动电路的输出摆幅和CM驱动电路的线性度。
具体地，
(1)当发射机发送差分数据(MSB,LSB)＝(0,0)时，即(VMSBp＝0，VMSBn＝VDD；VLSBp＝0，VLSBn＝VDD)，MOS管Mp1,Mp3,Mn2导通，MOS管Mp2,Mp4,Mn1关断，输出信号VTXP的电压为
Figure BDA0002068219710000041
输出信号VTXN的电压为level 0＝0V，其中Vdd为电源电压。
(2)当发射机发送差分数据(MSB,LSB)＝(0,1)时，即(VMSBp＝0，VMSBn＝VDD；VLSBp＝VDD，VLSBn＝0)，MOS管Mp1,Mp4,Mn2导通，MOS管Mp2,Mp3,Mn1关断，输出信号VTXP的电压为
Figure BDA0002068219710000042
输出信号VTXN的电压为
Figure BDA0002068219710000043
(3)当发射机发送差分数据(MSB,LSB)＝(1,0)时，即(VMSBp＝VDD，VMSBn＝0；VLSBp＝0，VLSBn＝VDD)，MOS管Mp2,Mp3,Mn1导通，MOS管Mp1,Mp4,Mn2关断，输出信号VTXP的电压为
Figure BDA0002068219710000044
输出信号VTXN的电压为
Figure BDA0002068219710000045
(4)当发射机发送差分数据(MSB,LSB)＝(1,1)时，即(VMSBp＝VDD，VMSBn＝0；VLSBp＝VDD，VLSBn＝0)，MOS管Mp2,Mp4,Mn1导通，MOS管Mp1,Mp3,Mn2关断，输出信号VTXP的电压为level 0＝0V，输出信号VTXN的电压为
Figure BDA0002068219710000046
因此，CM支路电流需满足公式
Figure BDA0002068219710000047
其差分输出摆幅为
Figure BDA0002068219710000048
当R1＝RL，R2∝∞，其最大差分输出摆幅为1.5倍的电源电压。
图4是最大差分输出摆幅条件下的混合电压模电流模PAM-4驱动电路原理图，R2取消。
图5是3种PAM-4驱动电路的线性度与输出摆幅的仿真结果，仿真电源电压均为1.2V，“CM Driver，VDD＝1.2V”代表的圆点短虚线是图1所示传统CM PAM-4驱动电路的线性度与输出摆幅的变化曲线；“SST Driver，VDD＝1.2V”代表的三角形是图2所示传统的SSTPAM-4驱动电路的线性度与输出摆幅的变化曲线；“Hybrid Driver，VDD＝1.2V”代表的方块实线是本发明提出的图3所示的混合电压模电流模驱动电路的线性度与输出摆幅的变化曲线。由图可见，传统CM PAM-4驱动电路线性度在差分输出摆幅大于1.2V时恶化严重小于85％，传统的SST PAM-4驱动电路的线性度很高，但差分输出摆幅固定在1.2V,而本发明提出的驱动电路具有输出摆幅可调不受限与电源电压，并且当差分输出摆幅达到1.5V时线性度依然大于93％，可以得出本发明提出的驱动电路具有更大摆幅和很好的线性度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种混合电压模和电流模PAM-4高速驱动电路，其特征在于，包括电压模支路和电流模支路，其中电压模支路作为2倍权重支路，包括两个输入反相器和分别连接于两个输入反相器输出端的两个负载电阻R1，差分输入信号为(VMSBp，VMSBn)；电流模支路作为1倍权重支路，包括作为偏置电流源的MOS管Mp5，差分输入对管Mp3和Mp4，以及分别连接在差分输入对管Mp3和Mp4漏极的一对匹配电阻R2，差分输入信号为(VLSBp，VLSBn)；输入信号(VMSBp，VMSBn)和(VLSBp，VLSBn)分别通过电压模和电流模的方式调制输出电平的幅度，从而产生四电平，最终的差分输出信号为(VTXP，VTXN)，其中负载电阻R1及反相器导通电阻r和匹配电阻R2满足(r+R1)//R2＝RL，RL为终端匹配电阻。
2.根据权利要求1所述混合电压模和电流模PAM-4高速驱动电路，其特征在于，所述电压模支路中，MOS管Mp1和Mn1构成输入反相器一，MOS管Mp2和Mn2构成输入反相器二，VMSBp作为反相器一的输入信号，VMSBn作为输入反相器二的输入信号，一个负载电阻R1连接在输入反相器一的输出端，输出信号为VTXP；另一个负载电阻R1连接在输入反相器二的输出端，输出信号为VTXN。
3.根据权利要求1所述混合电压模和电流模PAM-4高速驱动电路，其特征在于，所述电流模支路中，MOS管Mp5的栅极偏置电压为Vbias，MOS管Mp5的漏极连接差分输入对管Mp3和Mp4的源极，差分输入对管Mp3和Mp4的栅极分别接差分输入信号VLSBp和VLSBn，Mp3管的漏极连接一个匹配电阻R2，输出信号为VTXP；Mp4管的漏极连接另一个匹配电阻R2，输出信号为VTXN。
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