CN1142710A - 由一个推挽桥式放大器组成的电压信号线路驱动器 - Google Patents

Abstract

简言之，根据本发明的一个实施例，一个电压信号线路驱动器(例如，900)包括一个适于连接一个负载(例如，115)的推挽桥式放大器电路。该桥式放大电路适于由一个电信号驱动。该电压信号线路驱动器的特征在于该桥式电路还包括一个电子电路元件(例如，300)，该元件适于连接一个依赖该电信号的桥式电路中的信号线路以便减少在该负载(例如，115)两端产生的不希望的输出信号幅度的变化。

Description

由一个推挽桥式放大器组 成的电压信号线路驱动器

本发明涉及电压信号线路驱动器，尤其涉及例如可用于电信中的电压信号线路驱动器或电压线路驱动器。

电压信号线路驱动器在电信系统中的用途是众所周知的。例如，在1989年的IEEE国际固态电路会议上由J.P.Hein和R.J.Starke发表的“用于DSI局内环境的单个芯片数字信号接口”的论文将电压信号线路驱动器作为数字信号接口的一部分进行说明。其他的论文包括由H.Her-mann和R.Koch在1990年IEEE固态电路期刊第25卷第3号中发表的“用于22.8欧姆负载的1.544兆位/秒CMOS线路驱动器以及在1987年IEEE国际固态电路会议上由K.J.Stern，N.S.Sooch，D.J.Knapp和M.A.Nix发表的“用于T₁终端的单片线路接口电路”。

在电信应用中，信令标准，如北美DSI标准根据预定输出电压脉冲模型提供具有多电压电平或幅度的输出电压脉冲。例如，请查看AT&T微电子公司1992年3月的T7290 DSI/T₁/CEPT线路接口的数据单。在低压环境下，由于输出电压信号幅度产生不希望的变化，这种模型至少部分难以实现。因此，尤其对于低压环境，电压信号线路驱动器需要使由该电压信号线路驱动器所产生的输出电压信号幅度呈现较小的可变性。

简单地说，根据本发明的一个实施例，一个电压信号线路驱动器包括一个适于连接一个负载的推挽桥式放大器电路。桥式电路宜用电信号驱动。该电压信号线路驱动器的特征在于，该桥式电路还包括根据电信号连到桥式电路中的信号通路的电子电路元件以便减小该负载上不希望的输出电压信号幅度变化。

根据本发明的另一实施例，一个集成电路包括一个连接到具有相应的第一和第二终端的负载的推挽桥式放大器电路。两个放大器配置和两个晶体管连接以便形成该推挽桥式放大器电路。该放大器配置适合于用电信号驱动，每一个配置具有一信号接点与一个相应的负载终端相连接。每个晶体管将负载的一个相应的终端与如一个电压源的电源相连接。该集成电路的特征在于该桥式电路还包括一个被连接的电子电路以便至少部分地抵消由至少两个晶体管中的一个所引起的在该负载中的不希望的输出电压信号幅度变化。

根据本发明的另一实施例，一个电压信号线路驱动器包括被连接以便形成一个推挽桥式放大器电路的两个放大器配置和两个晶体管，减小该电压信号线路驱动器的输出信号幅度的不希望的变化的方法的特征在于，该方法包括以下步骤，即提供一个输入信号和电控制信号给桥式电路，以使至少两个晶体管中的一个晶体管具有依赖该输入信号的压降；并且由于在两个晶体管中的至少一个晶体管上的压降，在桥式电路中产生幅度和极性至少部分偏离输出信号部分的电压降。

有关结构和操作方法，连同它的特点、目的和优点的本发明在阅读附图时通过参照以下的详细说明可能最好理解。在附图中；

图1是一个根据本发明的一个电压信号线路的实施例的电路图。

图2是一个描述可以通过一个电压信号脉冲来满足的DS1脉冲形状模型的曲线图，该电压信号脉冲是通过根据本发明的一个电压信号线路驱动器的实施例所产生的。

图3是一个描述电信号的时序图，该电信号与图1所说明的根据本发明的一个电压信号线路驱动器的实施例相联系。

电压信号线路驱动器是用来提供在长距离通信的通信线路上进行传输的电压信号或电压信号脉冲。在这样的环境中，所提供的该电压信号脉冲可以通信线路，如铜双绞线之类传输，但本发明并不限制在这一范围。其他通信线路如同轴电缆等也可以使用电压信号线路驱动器。

在一个典型的长距离通信环境中，美国国家标准协会(ANS1)已规定将如图2所说明的DS1脉冲波形模型作为一种数字信号标准，但本发明并没有被限制在这一范围。例如，可以使用CEPT(欧洲邮电管理联合会)脉冲波形模型或别的脉冲模型。例如，可查阅ANS1建议书T1.102和CC1TT(国际电报电话咨询委员会)建议书G.703。对于图2所描述的曲线图，水平轴对应于以毫微秒为单位计量的时间持续长度，而垂直轴对应于归一化的电压电平或归一化的电压信号脉冲幅度。在如具有一种三伏直流(DC)电源的低压环境下，可能难以始终获得或提供在如图2所说明的一种电压模型范围内的电压信号脉冲。由于各种原因，这可能确实如此，这些原因包括例如由于制造加工的统计特性以及在电路工作期间出现的接点温度变化所造成的集成电路加工容差。这些由该电压信号线路驱动器所产生的输出电压信号变化在低压环境下变得特别明显，在该环境下，这样的电压变化或异常现象的较小余量有利于为有效通信达到满意的电路工作，但本发明并不限制在低压环境范围。例如，即使不使用低压电源时，也可望能减小这些输出电压信号的变化。

图1示出了根据本发明的电压信号线路驱动器的实施例900。图1中电压信号线驱动被认为是嵌入集成电路芯片(IC)中，但本发明不限制在这一范围。在图1所说明的实施例中，电压信号线路驱动器900包括在电气上与一个分别具有第一和第二终端110和120的负载115相连接的推挽桥式放大器电路。例如，负载115可以包括一个变压器线圈，但本发明并没有限制在这一范围。

推挽桥式放大器电路是为人们所熟知的技术，例如，该技术在A.S.Sedra和K.C.Smith编著的可从Harcourt Brace Jovanovich大学出版买到的第三版的微电子学电路第9章中所述的，这里用作参考文件。同样，推挽放大器电路也被编入由J.Millman编著、从McGraw-Hill公司(1979)可买到的微电子学第18章中。在本文中，术语“推挽”放大器电路指利用电路中多于一个方向的电流以在负载两端获得较小动率输出的放大器电路。因此，这种电路通常包括两个放大器或两个放大器配置以便起到“推挽”作用。同样，术语“桥”指的是在电路中利用负载作为在两个放大器或放大器配置的相应的信号端口或接点之间的桥。因此，实际上结果是，与具有一个终端接地的负载的常规放大器电路相比，产生了加倍的输出信号的电压变化。

如所说明的那样，电压信号线路驱动器900用于连接一个电源，在这种情况下是一个直流(DC)电压源V_DD，以及用于由图1所说明的电压信号(V₁-V_BUS)的电信号来驱动。在一种典型的应用中，所发送的电压脉冲可以被预均衡以减小由于在有限带宽的介质或信道上传输产生的码间干扰，如图2由脉冲模型所说明的。但本发明并没有限制在这一范围。为了满足以上所说明的ANS1标准，该传输脉冲在通过双绞铜线传输660英尺以后应满足(符合)图2所说明的模型。

电压信号线路驱动器900的工作可以参考图3所示的时序图进行说明。当然，应理解，相对电压电平和时间间隔不是按比例绘制的。例如，在负载115两端产生电压脉冲的电路工作顺序可以按如下所述实现。对于这个特殊的实施例，如在图3所示的时间t₀和t₁之间的，当电压信号线路驱动器900产生零电压输出时，预驱动器放大器100和200就偏置为弱电流状态。因此，如图3所说明的在时间t₀和t₁之间，当数字控制信号CLAMPP和CLAMPN都为“低”电平时，由于晶体管500和400的作用，终端120和110的电压被“拉”到V_DD。为产生脉冲的正半部分，放大器100可以首先加偏置成强电流方式。当然，根据本发明，不必使用这种弱的和强的偏流方式工作来达到满意的电路工作。例如，可以使用以预定偏置下只具有一种工作方式的放大器。

其次，在时间t₁，如图3所说明的，数字控制信号CLAMPP可以提供一个“高”电压信号，因此，电驱动图1中的开关425将放大器100的一个输入端连接到V_BUS。所图1所示，由于晶体管400的作用，因此，数字控制信号CLAMPP产生一个“开路”电路，而由于开关425工作产生一个“短路”电路。同样，开关325也将通过一个相反形式的数字控制信号CLAMPP驱动。当然，人们将懂得，这些开关可以用许多不同方式，如CMOS传输门电路来实现。此外，本例中的CLAMPP信号使晶体管600起一个“开路”电路作用。因此，电流将从V_DD经过晶体管500在本实施例中为CMOS P-沟道晶体管或半导体设备，经过负载115，晶体管700，在本实施例中为CMOS n-沟道晶体管或半导体设备流到地。在电路工作期间，放大器配置405起着一个线性放大器作用。

如图3所示，当到达时间t₂时，该电压信号线路驱动器就完成输出电压脉冲的正半部分。在时间t₂，放大器100与提供电压信号V_BUS的总线断开，而终端110在由信号CLAMPP提供的数字信号控制下被“拉”到V_DD。

如所说明的那样，那么输出电压脉冲的负半部分将通过类似于刚才关于正半部分所说明的方法在时间t₂和t₃之间产生。在这期间，现在放大器配置505与上面所说明的放大器配置405不同，用作一个线性放大器。如在本实施例中所述，每一个放大器配置如405和505包括一个折叠式共射共基极放大器如100或200，该放大器具有一对CMOS n-沟道半导体器件如700和800或600和850。在本实施例中，CMOS n-沟道半导体器件被用作每个放大器配置中的一个输出驱动器，但本发明没有限制在这一范围。在这个特殊实施例中，晶体管600和700的栅电容将分别给放大器配置505和405提供频率补偿。同样，为了在低压环境中满足如图2所示的模型，输出驱动器晶体管600和700的电流处理能力可以相当大。

根据本发明，如图1所示，电压信号线路驱动器的实施例的一种方式是，输出驱动器晶体管是用CMOS n-沟道半导体器件来实现的。通常CMOS n-沟道半导体器件比起CMOS P-沟道半导体器件具有更高的速度和较大的电流处理能力，这至少部分因为CMOS n-沟道的电子相对于空穴具有更大的移动性。用n-沟道器件代替P-沟道器件还将导致较大的闭环带宽。这一附加能力在低压环境中是有用的，这至少部分因为高电压不适于引起大的信号转变。对于图1所示的实施例，CMOS P-沟道半导体器件是用来作为在数字信号控制下工作的电流源或开关。

n-沟道和P-沟道CMOS半导体器件的这种分配消除了当该电压信号线路驱动器没有驱动该负载时，通过在阈值电压对半导体器件600和700加预偏置来改进电压信号线路驱动器的速度的需要。相反，例如，在以前所引用的Hein和Starke论文中说明的电压信号线路驱动器中就利用了预偏置方法。因此，相对于预偏压方法根据本发明的方法改善了电源效率。此外，该CMOS n-沟道半导体器件始终是工作在饱和区，而不进入该三极管工作区内。从而得到该驱动器的相对高的开环增益，随后将在大于足够边界(margin)的模型范围内提供一种脉冲输出。如上所述，根据本发明的电压信号线路驱动器可以采用CMOS n-沟道器件来执行该线性驱动功能，而不是用CMOS P-沟道器件。如图3所示，为达此目的，该推挽桥式放大器电路的输出电压信号与V_DD有关，而不是与地有关。

根据本发明的电压信号线路驱动器的另一方面与CMOS半导体器件400和500的两端的电压降有关。通常，这个电压降的变化与在电路工作期间出现的连接点温度变化硅或IC制造加工容差为强相关。该电压降还与信号有关，因为通过CMOS器件的电流与提供给放大器100或200的输入信号成比例。在输出电压脉冲具有多个电压电平的应用中，如图2所说明的北美DS1标准，CMOS半导体器件400或500两端的电压降的可变性可能导致不满意的电压输出信号，至少相对于该脉冲模型是如此。这一部分因为这个电压降是在CMOS P-沟道半导体器件两端，一部分是因为在低压环境下该电路电流电平比较高。其它的原因是希望减小甚至消除(如可能)由半导体器件400或500两端的电压降引起的电压输出信号幅度的变化。为达此目的，可采用一种技术，该技术是将如在本实施例中的晶体管或CMOS P-沟道半导体器件300之类的电子电路元件连接到输入信号通路或取决于该输入信号的信号通路中。如上所述，器件400和500两端的电压降与信号相关。通过使图1中推挽桥式放大器电路即400或500的CMOS P-沟道半导体器件中的电流密度与半导体器件300中的电流密度相匹配，对半导体器件400或500两端的电压降有贡献的电压输出信号幅度的变化可以减小。通过这一技术，在半导体器件300两端提供了一个补偿电压降。结果，在输出电压脉冲电平或幅度之间可获得较大的一致性。现在可以明白，对于图1所述的实施例，提供给放大器100和200的输入信号被提供作为图1所述的通过电阻350的电流，结果在该电阻两端产生电压。该电流是通过一个数字—模拟转换器(DAC)提供的，但本发明范围不限制在这一方面。这个电流信号如图1和图3中的I_DAC所示。虽然未作说明，当然，人们将懂得DAC或其他电流源可以在包括电压信号线路驱动器的相同的IC中提供。

如图1所示，与该推挽桥式放大器电路中使用半导体器件300相联系的上述优点可通过考虑电路工作来说明，其中数字控制信号CLAMPP为高电平，而数字控制信号CLAMPN为低电平。在刚才所述的环境下，可以用以下等式来说明电路工作。 $V_{R2}=V_{\mathrm{BUS}}(1+\frac{R_2}{R_1})-V_1\frac{R_2}{R_1}----\left(1\right)$

这里，对本实施例，R₂/R₁是指电阻250对电阻150或电阻450对电阻550的相对电阻值。这个等式是描述接线端110的电压信号。等式1可以进行代数变换成接线端110的电压信号的以下等式。 $V_{R2}=-(1+\frac{R_2}{R_1})V_{\mathrm{in}}+{V_1}^{-}----\left(2\right)$ 此处，V_in＝V₁-V_BUS同样，接线端120的电压信号用以下等式提供。

V_T2＝V_1B                                     (3)

其中在本实施例中，当半导体器件是在它的三极管工作区(tri-odregion of operation)时，V_1B是半导体器件500两端的电压降。合并等式(3)和(2)，就得出下列负载115两端的电压降的等式。 $V_{T2R2}=(1+\frac{R_2}{R_1})V_{\mathrm{in}}+V_{1B}-V_1----\left(4\right)$

后一个等式说明，通过调节半导体器件300和500中的电流密度，对于本特殊实施例，例如可以使归因于V_1B-V₁的上述等式中的电压接近于0。这样，通过调节与该电阻值比率有关的比例因子，电压信号V_in将出现在负载115两端。在这个特殊例子中，半导体偿。如在本实施例中当数字控制信号CLAMPP和CLAMPN通过改变电压幅度电平转换状态时，在电路工作期间，半导体器件300也可以给半导体器件400至少提供一种部分电压补偿。当然，本发明并不限制于特殊信令规定的范围，如本特殊实施例中有关CLAMPP和CLAMPN信号的规定。因为根据上述说明，半导体器件400或500两端的电压降的变化可能是由于IC加工容限和温度变化引起的，因此，该作用将减小可能出现在输出电压信号中的电压幅度的变化。现在可以明白，根据本发明的电压信号线路驱动器的优点，即使推挽桥式放大器电路中的晶体管或半导体器件如400和500不工作在三极管工作区也可获得。

因此，出现在电压信号线路驱动器负载两端的输出电压信号幅度中不希望的变化可以根据下面的方法来减少。如图1所述，根据本发明的电压信号线路驱动器可以包括两个放大器配置，如405和505，以及两个晶体管，如CMOSP-沟道半导体器件400和500构成一个推挽桥式放大器电路。根据说明，该放大器配置具有一个在电气上与负载115的相应终端连接的端口或接点。在电路工作期间，如上所述一个输入信号如V₁-V_BUS和数字控制信号如CLAMPP和CLAMPN，可以提供给该桥式电路，使得在电路工作期间，根据输入信号在任何特定时间，两个半导体器件如400和500中的一个在其两端具有电压降。对于图1所述的实施例，该特殊的器件由于工作在它的三极管工作区可能有电压降。因此，至少有一个晶体管或器件具有影响该电压信号线路驱动器的输出电压信号的电压降。电压信号可以被产生，至少部分地使偏离归因于两个半导体器件中之一的电压降，该半导体器件的电压或电压降影响电压信号线路驱动器的输出电压信号。如上所述，这个至少部分补偿的电压信号可以通过连接在输入信号线路或取决于该输入信号的信号线路中的一个晶体管来提供，如图1所示，CMOS P-沟道半导体器件的信号线路，通过半导体器件300提供。例如，参照图1，在电路工作期间，半导体器件300和半导体器件400或500的电流密度视情况基本上是匹配的。因此，半导体器件400或500两端的电压降通过器件300两端的电压降可以至少部分补偿，以便减小电压信号线路驱动器的输出电压信号幅度中不希望的变化。这些不希望的变化包括，例如，由于接点温度变化或IC加工容限所产生的变化，如在这种特殊实施例中工作在三极管工作区时，这些变化将影响器件400或500两端的电压降。

然而这里仅对本发明的某些特征进行解释和说明，许多修改、替代、变换等对那些熟悉此技术的人来说都是可行的。因此，可以理解，只要是在本发明的真正精神范围之内，附加的权利要求书将包含所有这些修改和变换。

Claims (10)

1.一种电压信号线路驱动器(例如，900)包括一个适于连接一个负载(例如，115)的推挽桥式放大器电路，

所述的桥式电路适于由一种电信号来驱动，

所述的电压信号线路驱动器(例如，900)的特征在于，所述的桥式电路还包括一个适于连接到取决于该电信号的桥式电路中的信号通路电子电路元件(例如，300)，以便在桥式电路工作期间减小负载(例如，115)两端出现的不希望的输出电压信号幅度变化。

2.如权利要求1的电压信号线路驱动器(例如，900)，其中所述桥式电路适于连接一个电源；

所述电子元件(例如，300)适于连接到该电源和该电信号之间的所述桥式电路中。

3.如权利要求1的电压信号线路驱动器(例如，900)，其中所述桥式电路包括被连接以便构成一个推挽桥式放大器电路的两个放大器配置(例如，405，505)和两个晶体管(例如，700，600)。

4.如权利要求3的电压信号线路驱动器(例如，900)其中，所述电子电路元件(例如，300)包括一个晶体管(例如，300)。

5.如权利要求2的电压信号线路驱动器(例如，900)，其中电源包括一个三伏直流(DC)电源。

6.一个集成电路包括：

一个适于连接到具有相应的第一和第二终端(例如，110，120)的负载(例如，115)的推挽桥式放大器电路，

被连接以便形成所述推挽桥式放大器电路的两个放大器配置(例如，405，505)和两个晶体管(例如，600，700)，

所述放大器配置(例如，405，505)适于由一个电信号驱动，每个配置具有连接该负载(例如115)的一个相应终端(例如，110，120)的信号接点，

所述晶体管(例如，600，700)中的每一个晶体管适于将负载(例如，115)的相应终端(例如，110，120)之一与一个电源连接；

所述集成电路的特征在于，所述桥式电路还包括一个电子电路元件(例如，300)，该元件被连接以便至少部分补偿由于至少所述晶体管(例如，600，700)之一在负载(例如，115)两端所引起的不希望的输出电压信号幅度的变化。

7.一种减小电压信号线路驱动器(例如，900)的输出信号的幅度中不希望的变化的方法；

所述电压信号线路驱动器(例如900)包括连接，以便形成一个推挽桥式放大器电路的两个放大器配置(例如，405，505)和两个晶体管(例如，600，700)；

所述方法的特征在于，该方法包括以下步骤：

提供一个输入信号和电控制信号给所述桥式电路，以便使所述两个晶体管(例如，600，700)中至少一个晶体管有依赖于输入信号的其两端的电压降；以及

在所述桥式电路中产生具有幅度和极性的电压降，至少部分补偿由于在所述两个晶体管(例如，600，700)中的至少一个晶体管两端的电压降所产生的部分输出信号。

8.如权利要求7的方法，其中晶体管(例如，600，700)中的每一个都具有电流密度，在所述桥式电路中产生电压降的步骤包括，使经过所述两个晶体管(例如，600，700)中至少一个的电流密度大体上与流经连接在依赖所述电压信号线路驱动器(例如，900)的输入信号的信号通路中的晶体管(例如，300)的电流密度相匹配。

9.如权利要求8的方法，其中所述两个晶体管(例如，600，700)中的每一个晶体管包括一个CMOS P-沟道半导体器件(例如，600，700)；

产生一个输入信号和电控制信号的步骤包括，提供一个输入信号和电控制信号给所述桥式电路以便使所述两个CMOS P-沟道半导体器件(例如，600，700)中至少一个在其两端具有依赖输入信号的电压降。

10.如权利要求9的方法，其中连接在依赖输入信号的信号通路中的所述晶体管(例如，300)包括一个CMOS P-沟道半导体器件(例如，300)。

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