CN112737564A - 恒定摆率的信号驱动系统 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种恒定摆率的信号驱动系统，包括：阶梯电压产生单元，用于提供多路等差递变的电压信号；多路选择器，一输入端与所述阶梯电压产生单元相连以接收所述多个等差递变的电压信号，另一输入端与一控制信号产生单元相连，用于在所述控制信号产生单元发出的控制信号控制下对多路等差递变的电压信号进行选择性输出；电压跟随单元，与所述多路选择器相连，起隔离作用并提高驱动能力；输出跟随单元，与所述电压跟随单元相连，用于驱动后接的负载单元。
Description
技术领域
本公开涉及电路设计技术领域，尤其涉及一种恒定摆率的信号驱动系统。
背景技术
集成电路中低速数字接口普遍采用高低电平来表示信号的逻辑状态，如TTL(transistor transistor logic)电平、CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor PMOS+NMOS)电平、低压TTL电平、低压CMOS电平等。当信号逻辑电平发生变化时，信号上升沿下降沿非常陡峭，输出摆率极小，这样会引起电路瞬时功耗过高，引起电源完整性问题，输出摆率的波动还会引起信号传输过程中的阻抗不连续，产生电磁干扰，最终会引起电路功能失效或者导致整个系统无法正常工作，这种现象随着集成电路工艺尺寸的递减越来越明显。
因此，亟需能提供缓慢变化、输出摆率恒定的逻辑信号驱动电路以解决上述问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本公开提供了一种恒定摆率的信号驱动系统，以缓解现有技术中输出摆率过小导致电路瞬时功耗过高或输出摆率波动引起信号传输过程中的阻抗不连续，产生电磁干扰，导致电路功能失效或者导致整个系统无法正常工作等技术问题。
(二)技术方案
本公开提供一种恒定摆率的信号驱动系统，包括：阶梯电压产生单元，用于提供多路等差递变的电压信号；多路选择器，一输入端与所述阶梯电压产生单元相连以接收所述多个等差递变的电压信号，另一输入端与一控制信号产生单元相连，用于在所述控制信号产生单元发出的控制信号控制下对多路等差递变的电压信号进行选择性输出；电压跟随单元，与所述多路选择器相连，起隔离作用并提高驱动能力；输出跟随单元，与所述电压跟随单元相连，用于驱动后接的负载单元。
在本公开实施例中，所述阶梯电压产生单元包括串接的电流源、多个等值电阻、以及信号三极管模块。
在本公开实施例中，所述信号三极管模块的集电极与基极相连，射极接地。
在本公开实施例中，所述电压跟随单元为电压跟随器形式的运放，其输入电压与输出电压一致。
在本公开实施例中，所述输出跟随单元为驱动三极管模块以及偏置电流源构成的电流源偏置的射极跟随器。
在本公开实施例中，所述输出跟随单元的输入端连接驱动三极管模块的基极，输出端连接驱动三极管模块的射极，具有驱动重负载能力。
在本公开实施例中，满足所述驱动三极管模块与信号三极管模块的单元个数值之比为M1/M0与所述偏置电流源及电流源的电流值比值I1/I0相等，即：
使得信号三极管模块的发射结电压与驱动三极管模块的发射结电压相同。
在本公开实施例中，所述控制信号产生单元包括上升沿检测模块、下降沿检测模块以及可逆计数器，通过检测输入信号的上升沿或下降沿产生多路选择器所需的控制信号。
在本公开实施例中，所述等值电阻数量为n-1，当所述控制信号产生单元的输入信号的上升沿到来时，信号驱动系统最终输出电压信号从0V开始递增，递增台阶为ΔV，直至最终输出电压信号为(n-1)ΔV，则输出电压信号低电平为0V，高电平为(n-1)ΔV，当n趋于无穷大时，其输出电压信号的摆率SlewRate为：
其中，T为时钟周期，信号驱动系统能够通过设置时钟周期、ΔV、n参数来获得不同斜率的输出电压信号，以及高电平电压，以满足不同应用需求。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开恒定摆率的信号驱动系统至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)控制信号产生单元基于时钟周期依次选择递增的台阶电压输出，输出摆率恒定可控不随负载变化；
(2)巧妙地优化了阶梯电压产生单元及输出跟随单元，使其中与工艺，温度变化趋势不同的发射结电压相互抵消从而获得一致的输出信号，提高了芯片生产良率。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1示意性示出了本公开实施例的恒定摆率的信号驱动系统的组成结构示意图；
图2示意性示出了本公开实施例的恒定摆率的信号驱动系统的时序波形图；
图3示意性示出了本公开实施例的恒定摆率的信号驱动系统中控制信号产生单元的组成结构示意图；
附图标记：
I0-电流值为I0的电流源；C0、C1、C2...Cn-1-阶梯电压产生单元的n个电压输出输出节点；A0、A1、A2...An-2、An-1-多路选择器的n个输入端；Q0-信号三极管模块；CON-控制信号；OUT-多路选择器的的输出信号端口；VA-多路选择器的输出电压信号；VB-电压跟随单元的输出电压信号；I1-偏置电流；Q1-驱动三极管模块；CL-负载电容；RL-负载电阻；VOUT-最终输出电压信号；CLK-时钟信号；IN-输入逻辑信号；INC-递增脉冲信号；DEC-递减脉冲信号。
具体实施方式
本公开提供了一种恒定摆率的信号驱动系统，利用控制信号产生单元基于时钟周期依次选择递增的台阶电压输出，输出摆率恒定可控，不随负载变化。
在实现本公开的过程中发明人发现，在信号输出节点串联电阻或者并联电容能降低输出信号的摆率，获得缓慢变化的上升时间或下降时间，对提高电源完整性、降低电磁兼容有改善效果，但此方法增加了电路生产的成本，而且易受集成电路工艺而变化，或者易受温度、电源电压而变化。从而巧妙地设计了阶梯电压产生单元及输出跟随单元，使其中与随工艺，温度变化趋势不同的发射结电压相互抵消从而获得一致的输出信号，提高了芯片生产良率。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开实施例中，提供一种恒定摆率的信号驱动系统，结合图1至图3所示，所述恒定摆率的信号驱动系统，包括：
阶梯电压产生单元，包括串接的电流源、多个等值电阻、以及信号三极管模块，用于提供多路等差递变的电压信号；
多路选择器，一输入端与所述阶梯电压产生单元相连以接收所述多个等差递变的电压信号，另一输入端与一控制信号产生单元相连，用于在所述控制信号产生单元发出的控制信号控制下对多路等差递变的电压信号进行选择性输出；
电压跟随单元，与所述多路选择器相连，起隔离作用并提高驱动能力；
输出跟随单元，与所述电压跟随单元相连，包括驱动三极管模块以及偏置电流源构成的电流源偏置的射极跟随器，用于驱动后接的负载单元。
在本公开实施例中，所述阶梯电压产生单元，包括n-1个阻值为R的电阻以串联形式连接，最上端连接一电流值为I0的电流源至电源端，每个电阻产生的压降为ΔV＝I0*R；最下端连接信号三极管模块Q0到地，其集电极与基极相连，发射极接地，该信号三极管模块Q0的单元个数值(M值)为M0，在电流值为I0的电流源的作用下产生的发射结电压为VBE0，n-1个电阻形成n个电压输出结点，从下到上依次为C0、C1、C2...Cn-1，输出电压分别为VBE0、VBE0+ΔV、VBE0+2ΔV...VBE0+(n-1)ΔV。其中(n-1)ΔV等于高电平电压。
在本公开实施例中，所述多路选择器具有n个输入端，分别为A0、A1、A2...An-2、An-1，与阶梯电压产生单元C0、C1、C2...Cn-1端口连接，其输出信号端口OUT与电压跟随单元输入端连接，其控制信号输入端口与控制信号产生单元的输出端连接，当输入的控制信号CON＝0时，输出信号端口OUT与A0连接、CON＝1时，输出信号端口OUT与A1连接依此类推，当控制信号CON＝n-1时输出信号端口OUT与输入端An-1连接，因此当控制信号CON由0逐次递增到n-1时，多路选择器的输出电压信号VA以ΔV为阶梯由VBE0递增至VBE0+(n-1)ΔV，如果n足够大，可近似认为此过程中VA以线性方式从VBE0递增至VBE0+(n-1)ΔV。
所述电压跟随单元用于隔离前后两级电路并提供较大的驱动能力以驱动后级电路，其输入电压与输出电压一致。可由一连接成电压跟随器形式的运放构成，输入端与多路选择器的输出信号端口OUT连接，输出端与后接的输出跟随单元的输入端连接，由于其具有较大的输入阻抗电压，跟随电路不会对前面多路选择器及阶梯电压产生单元产生影响，又由其具有较小的输出阻抗，能提供较大的驱动能力以驱动后级电路，从而实现了前后级电路的隔离；电压跟随单元的输出电压信号VB与输入电压信号VA一致。
所述输出跟随单元包括驱动三极管模块以及偏置电流源构成的电流源偏置的射极跟随器，该输出跟随单元输入端为驱动三极管模块Q1的基极，与所述电压跟随单元输出端相连，输出端为驱动三极管模块Q1的射极，其具有驱动重负载能力；所述驱动三极管模块Q1的单元个数值为M1，在偏置电流为I1的偏置电流源的作用下，驱动三极管模块的发射结压降为VBE1。
所述输出跟随单元与后接的负载单元相连，所述负载单元包括负载电容CL以及负载电阻RL，最终输出电压信号为VOUT，由该电路特点可以得出：
VOUT＝VB-VBE1；
输出跟随单元的输入电压信号VB分别为：VBE0、VBE0+ΔV、VBE0+2ΔV...VBE0+(n-1)ΔV时，其输出电压信号VOUT分别为：VBE0-VBE1、VBE0-VBE1+ΔV、VBE0-VBE1+2ΔV...VBE0-VBE1+(n-1)ΔV。
由于三极管模块的发射结压降随电流，温度，工艺偏差变化而变化，且对于不同参数的三极管变化趋势不一定相同，因此对于前述信号三极管模块Q0及驱动三极管模块Q1，阶梯电压产生单元中的信号三极管模块Q0主要用于信号产生，无需驱动能力，其尺寸不宜设计过大，同时流经Q0的电流尽可能小以避免功耗浪费；而输出跟随单元中的驱动三极管模块Q1用于驱动重负载，其尺寸大，偏置电流大是不可避免的，因此这两个三极管的尺寸不同，偏置电流不同，通过使驱动三极管模块Q1与信号三极管模块Q0的M值之比M1/M0与所述偏置电流源及电流源的电流比值I1/I0相等，即：
从而可得到信号三极管模块Q0的发射结电压与驱动三极管模块Q1的发射结电压相同的效果，即VBE0＝VBE1；结合前述分析，当输出跟随单元输入的电压信号VB分别为：VBE0、VBE0+ΔV、VBE0+2ΔV、...VBE0+(n-1)ΔV时，其输出信号VOUT分别为：0、ΔV、2ΔV、...(n-1)ΔV。
所述控制信号产生单元包括上升沿检测模块、下降沿检测模块以及可逆计数器，其输入时钟信号(CLK)周期为T，通过检测输入逻辑信号(IN)的上升沿或下降沿产生多路选择器所需的控制信号，当系统将逻辑信号IN输入控制信号产生单元时，上升沿检测模块在检测到逻辑信号IN上升沿后给出一递增(INC)脉冲信号，在该脉冲触发下，可逆计数器从0开始递增，每个时钟周期加1，直至n-1，后保持不变；在IN下降沿到来时，下降沿检测模块给出递减(DEC)脉冲信号，此时可逆计数器由n-1开始递减每个时钟周期减1，直至0。
结合前述分析，当输入信号IN的上升沿到来时，电路最终输出电压信号VOUT从0V开始递增，递增台阶为ΔV直至(n-1)ΔV。输出信号低电平为0V，高电平为(n-1)ΔV，当n足够大时，可近似认为其输出信号的摆率SlewRate为：
其中，T为时钟周期，电路可通过设置T、ΔV、n等参数来获得不同的斜率，以及高电平电压，以满足不同应用需求。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开恒定摆率的信号驱动系统有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供了一种恒定摆率的信号驱动系统，包括阶梯电压产生单元、多路选择器、电压跟随单元，输出跟随单元，以及控制信号产生单元；阶梯电压产生单元产生多路阶梯电压，并叠加一个信号三极管模块的VBE0电压；多路选择器在控制信号的控制下选择选择多路阶梯电压中的一路进行输出，电压跟随器用于提供较大的驱动能力以驱动后级输出跟随单元，输出跟随单元提供1∶1的电压驱动能力，同时减去一个与阶梯电压产生单元中叠加的VBE0值一致的电压(VBE1)并最终驱动负载单元，本发明能实现输出信号以固定阶梯为步长上升或者下降的功能，从而获得不随负载变化的恒定输出摆率，有效降低信号电磁干扰。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种恒定摆率的信号驱动系统，包括：
阶梯电压产生单元，用于提供多路等差递变的电压信号；
多路选择器，一输入端与所述阶梯电压产生单元相连以接收所述多个等差递变的电压信号，另一输入端与一控制信号产生单元相连，用于在所述控制信号产生单元发出的控制信号控制下对多路等差递变的电压信号进行选择性输出；
电压跟随单元，与所述多路选择器相连，起隔离作用并提高驱动能力；
输出跟随单元，与所述电压跟随单元相连，用于驱动后接的负载单元。
2.根据权利要求1所述的恒定摆率的信号驱动系统，所述阶梯电压产生单元包括串接的电流源、多个等值电阻、以及信号三极管模块。
3.根据权利要求2所述的恒定摆率的信号驱动系统，所述信号三极管模块的集电极与基极相连，射极接地。
4.根据权利要求3所述的恒定摆率的信号驱动系统，所述电压跟随单元为电压跟随器形式的运放，其输入电压与输出电压一致。
5.根据权利要求4所述的恒定摆率的信号驱动系统，所述输出跟随单元为驱动三极管模块以及偏置电流源构成的电流源偏置的射极跟随器。
6.根据权利要求5所述的恒定摆率的信号驱动系统，所述输出跟随单元的输入端连接驱动三极管模块的基极，输出端连接驱动三极管模块的射极，具有驱动重负载能力。
7.根据权利要求1所述的恒定摆率的信号驱动系统，满足所述驱动三极管模块与信号三极管模块的单元个数值之比为M1/M0与所述偏置电流源及电流源的电流值比值I1/I0相等，即：
使得信号三极管模块的发射结电压与驱动三极管模块的发射结电压相同。
8.根据权利要求1所述的恒定摆率的信号驱动系统，所述控制信号产生单元包括上升沿检测模块、下降沿检测模块以及可逆计数器，通过检测输入信号的上升沿或下降沿产生多路选择器所需的控制信号。
9.根据权利要求8所述的恒定摆率的信号驱动系统，所述等值电阻数量为n-1，当所述控制信号产生单元的输入信号的上升沿到来时，信号驱动系统最终输出电压信号从0V开始递增，递增台阶为ΔV，直至最终输出电压信号为(n-1)ΔV，则输出电压信号低电平为0V，高电平为(n-1)ΔV，当n趋于无穷大时，其输出电压信号的摆率SlewRate为：
其中，T为时钟周期，信号驱动系统能够通过设置时钟周期、ΔV、n参数来获得不同斜率的输出电压信号，以及高电平电压，以满足不同应用需求。
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