CN1631014A - 具芯片上终止之差分线路驱动器 - Google Patents

Abstract

本案系揭露一种具有集成输出终止电阻器的差分线路驱动器。此种电阻器为一种控制晶体管与一种低精密度电阻器的组合，该晶体管基于一精确的电参考来校准电阻器之不精确。在一较佳实施例中，该晶体管系为一CMOS晶体管，而该电阻器则为一CMOS电阻器。由于穿过CMOS晶体管较小而有效的汲极－源极电压，CMOS晶体管与CMOS电阻器的组合比仅是CMOS晶体管其特色是有较高的线性度与精确度。另外，本案亦揭露集成输出终止电阻器、输出共享模式电压与输出振幅之独立的可程序性。该输出终止电阻器的数值、输出共享模式电压的数值与输出振幅的数值系相对于一精确的电参考而被独立地控制并且可连续不断地维持。因此，输出终止电阻的数值、输出共享模式电压的数值与输出振幅的数值对于在温度与供应电压中制程公差与变异较为不敏感。

Description

具芯片上终止之差分线路驱动器

发明领域

本案系关于CMOS发信与传输驱动器，特别是关于用以终止此等驱动器的装置与方法。

背景技术

典型地，在CMOS发信应用中所使用的传输驱动器通常是利用慎重的芯片外(off-chip)电阻器来进行输出终止。芯片外的组件会增加额外的系统费用，并且通常在芯片制造者控制范围之外，而造成系统表现的降低。一般地，芯片外的终止会引起未终止的由组件寄生(package parasitics)与内部电路所组成的电路部分，此等未终止的电路部分可在讯号线上极大的反应。

习用的具有集成开漏输出(open drain output)驱动器以及内部固定的或是外部固定的终止电阻器之装置与方法是极有限的，其仅提供固定的输出电压摆动与固定的共享模式电压位准。再者，集成开漏驱动器的输出电流系流经焊接导线与组件电感以产生经过外部终止电阻器的一电压讯号。经过至些电感的电压降落(voltage drop)会引起在较高切换速度的问题，而习用的系统与方法并不能提供输出驱动器源阻抗足够的电控。

因而，与使用慎重的芯片外电阻器相较之下，在芯片上建立终止电阻器是较为有利的。然而，CMOS应用过程并不提供可制造精确且对温度不敏感的电阻器之原料，再者，DC-耦合的系统需要一种在线路驱动器输出上的控制共享模式电压位准，而为了在线路长度及线路衰减未知处之应用，因而期望在芯片被嵌入后能够改变传输讯号的输出振幅。

因此，需要有一个新且改良的线路驱动器装置与方法，以提供精确的芯片上终止电阻器来改进系统效能、通用性与降低成本。像这样新与改良的线路驱动器装置应该能够准确地设定互相独立的内部输出终止电阻器的数值、输出共享模式电压的数值与输出讯号振幅的数值。此外，线路驱动器装置应该免受制程容许度、温度与供应电压变动而独立地维持此三种参数。而本案则针对此等与其它习知技术领域所无法解决的问题提供了解决办法。

发明概述

本案提供了一种针对高速CMOS发讯号与传输线路驱动器之芯片上终止电阻器的装置与方法。另外，本案亦提供一种具有在内部输出终止电阻器、输出共享模式电压位准的数值与输出讯号振幅的数值方面独立控制的完全集成差分线路驱动器。有助益的是，内部输出终止电阻器、输出共享模式电压位准的数值与输出讯号振幅的数值可基于精确的电参考而自动地校准。

因此，本案具有比习用技术更多的有利条件与优点，举例来说，本案可藉由排除外部终止组件之需求而提供在成本费用上的节省。另外，本案也提供了传输线路驱动器较好的电资源阻抗终止，也就是说，本案的系统与方法终止线路驱动器的输出，产生对于制程容许度、温度与供应变动不敏感的系统。再者，因为本案的系统与方法终止在芯片内部的驱动器，因而在线路驱动器的输出上，讯号线路的讯号反应会被保持在最小。有益地，输出电压摆动、输出共享模式电压位准与输出终止电阻器数值的后制造校准可独立地被执行。

如此，本案系可被利用在(但是并不是被限制)集成的线路驱动器、集成的输出缓冲器、高速数字发讯号与串行链接(high speeddigital signaling and serial links)。

本案进一步的目的、特征与优点将由以下的说明与附加的权利要求并参考所附图标而得以更加清楚。

图标简单说明

第1图系显示差开漏输出驱动器习用的外部终止系统之概要图标；

第2图系显示根据本案一个较佳实施例中，使用芯片上终止电阻器的线路驱动器一实施例之概要图标；

第3图系显示根据本案一个较佳实施例中，使用芯片上终止电阻器的输出线路驱动器第二个实施例之概要图标。

本案较佳实施例详细说明

第1图系显示用以终止集成电路(IC)10习用之系统与方法。典型地，IG 10系使用外部终止电阻器而被终止，例如电阻器12与电阻器14。IC 10包含至少两个焊垫(bonding pad)16与18，其系用以将输入晶体管20与22(举例而言)连接至外部终止电阻器12与14，而实际上，焊垫16与18系为使用导线接合24与26而以导线焊接至外部终止电阻器12与14。

输入晶体管20与22系藉由电流源28而被连接至一负供应电压，并且外部终止电阻器12与14则被连接至一正电源供应电压30，在此种方式下，可以达成芯片终止。

典型地，IC 10系为一种具有外部终止电阻器12与14的差分开漏输出驱动器，此等的线路驱动器由于仅提供固定的输出电压摆动与固定的共享模式位准，因而已限制了其用途与功能。再者，集成开漏驱动器的输出电流其流经导线24与26以及组件电感以产生经过外部终止电阻器12与14的电压讯号。而由这些电感所引起的电压降落会导致在较高切换速度上的问体。另外，与第1图中所显示的线路驱动器组态并不提供足够的源阻抗(source impedance)的电控。

请参阅第2图，为本案的一个实施例，其提供了可调整的芯片上终止、可调整的共享模式电压控制与可调整的输出电压摆动控制。此外，本案可被并入至通常需要外部输出终止电阻器的集成电路中，举例而言，本案可被并入至线路驱动器中。

在本案之一较佳实施例中，系提供了两个独立控制的回路，其中第一控制回路，输出终止回路50，其控制输出终止电阻(OTR)，而第二回路，共享模式电压控制回路51，则控制输出共享模式电压。

输出终止回路50包含一阻抗终止误差放大器52或是类似的装置、一终止电阻器复制品54、最好是两个输出终止电阻器56与58以及一电流镜66或是在线路68与72上分别提供电流“i_REXT”及“i_REP”之类似的装置。

一误差放大器52的负终端59系与焊垫60连接，而焊垫60则被连接至一外部参考电阻器62。另外，负终端59也藉由线路68而与电流镜66交流，用以接收电流i_REXT。一误差放大器52的正终端70系被连接至电流镜66，用以接收电流i_REP，且其亦被连接至终止电阻器复制品54的高电压端。

终止电阻器复制品54包含一具有电阻“RREP”的复制电阻器76与复制晶体管78，其中具有电阻“RREP”的复制电阻器76与复制晶体管78系为串联连接。输出终止电阻器56与58通常包含分别具有电阻“RTERM1”与“RTERM2”的输出电阻器80与80’，以及输出晶体管82与82’，其与终止电阻器56、58亦为串联连接。然而，本案系计议终止电阻器复制品54仅包含一晶体管，像是复制晶体管78或是类似的装置。另外，本案亦计议输出终止电阻器56与58仅包含晶体管，像是输出晶体管82与82’或是类似的装置。复制晶体管78与输出晶体管82、82’其最好是CMOS晶体管，而电阻器78、80与80’则最好是CMOS电阻器。其它的制程技术，像是PMOS，也可被用在复制晶体管78与输出晶体管82、82’上。

继续参考第2图，将重新探讨输出终止回路50的操作，而为了说明的目的，将仅做出以下的假定：

(1)终止电阻器复制品54系为输出终止电阻器56、58的拷贝，使得这些电阻器以及该等晶体管大约有相同的大小：RTERM1＝RTERM2＝RREP，以及NTERM2＝NTERM2＝NREP；

(2)乘法因子A(电流IREXT与电流IREF2的比率)，以及乘法因子B(电流IREP与电流IREF2的比率)，两者皆等于或是大约等于1.0；以及

(3)乘法因子D(电流ITAIL与电流IREF的比率)被设定为大约1.0。

因此，当以下将进一步描述时，其系采用电流i_REXT＝i_REP，以及i_REF＝i_TAIL。

输出终止回路50调整误差放大器52的输出电压vterm_ctr1直到在正终端70上的输入电压vsense_rep等于在负终端59上的vsense_rext时。于是，电流i_REXT乘以外部参考电阻器62等于经过终止电阻器复制品54的电流i_REP乘以复制电阻器76的RREF与复制电阻器78的NREP之结合电阻。因此，提供了以下的关系式：vsense_rext＝vsense_rep＝(rext*i_REXT)＝[R(NREP)+RREP]*i_REP。

复制晶体管78系在三极体区域中运作，因而其运转状态像是具有晶体管数值的电压控制的电阻器，其中该晶体管数值系由晶体管闸极电压所控制，而至某种程度时则由晶体管汲极-源极电压所控制。

因为终止电阻器复制品54系为输出终止电阻器56与58的拷贝，因而输出终止电阻器的电阻值系由外部电阻器62所决定。由于来自电阻器76的理想值之偏差系参考外部电阻器而连续地被校正，内部的CMOS电阻器76可不管制程容许度或是温度-相依(temperature-dependency)而以任何的材料来制成。因为外部电阻器62以及内部复合电阻器接被连接至相同的负供应电压，因而可显著降低VSS供应噪声的效应，而VSS供应噪声对于在输出终止回路50中的比较而言是非常普遍的。

请继续参考第2图，以下将描述共享模式电压控制回路51。共享模式电压控制，其系藉由使用一共享模式误差放大器90来感测共享模式电压，接着将共享模式电压与由可变参考电压92所产生的电压VCM进行比较而被提供。共享模式电压系经由感测电阻器96与98而被感测，当在线路91上所感测的共享模式电压与由可变的参考电压92所产生的电压VCM不同时放大器90会在共享模式控制线路100上输出一共享模式误差讯号VCM_CTRL，而共享模式控制线路100系与电压对电流转换器(voltage-to-current converter)102联系。电压对电流转换器102系在线路104与106上输出与线路100上所接收的误差讯号成比例的共享模式电流i_CM。在此种状况下，电流源自电压对电流转换器102而进入线路驱动器的输出终止电阻器84与84’，直到在线路91上所感测的共享模式电压实质上等于可变的参考电压92，一旦共享模式电压控制回路51已经达到平衡，以下的方程式系说明在终端VOUT1与VOUT2上的输出电压：

VOUT1＝VOUT2＝VSENSE＝VCM＝[RTERM1+R(NTERM1)]*(ICM+ITAIL/2)

因此，输出的共享模式电压可藉由在误差放大器90的负终端93上施用可变的参考电压VCM而成为可变的。由于伺服回路(或是控制回路)，VSENCE及从而VOUT1与VOUT2会继续不断地跟随在可变的参考电压92上所呈现电阻的任何变化。

于此将继续参考第2图来说明被用来达成线路驱动装置的输出振幅之系统与方法。一第二可程序电流镜110被提供来起源在线路118上的输出电流“ITAIL”。输出振幅可经由成直线地变化一可变化的参考电流产生器112而被成直线地增加或是减少，此等可变化的参考电流产生器112系产生一参考电流“IREF”，藉由成直线地增加或是减少参考电流IREF，输出电流ITAIL可因而不同。因此，一旦输出振幅被变化，ITAIL也随之不同。此等变化会引起共享模式回路改变电流ICM，直到回路达成平衡为止。

IC 10的输出级(output stage)53系被提供来递送IC 10的共享模式电压与输出振幅，而输出级53包含与一对感测电阻器96与98联系的一对开关120与122，而开关120与122系与电流镜110电连接，并做为电流开关，因此，电流会流过开关120或是流经开关122。

现在请参阅第3图，为本案另一个实施例，其系提供可调整的芯片上终止、可调整的共享模式电压控制以及可调整的输出电压摆动控制。如同前述之实施例，本实施例可被并入至通常需要外部输出终止电阻器的集成电路中，举例而言，本实施例可被并入至线路驱动器中。

本实施例系包含一控制回路，一输出终止回路200控制了输出终止电阻。在前述实施例中所提出的共享模式电压控制回路已不加以考虑。

输出终止回路200包含一阻抗终止误差放大器202、一终止电阻器复制品204以及两个输出终止电阻器206与208。误差放大器202的负终端210系被电连接至起源一参考电压“VREF”之参考电压产生器212。固定电流镜216在线路218上提供一原始电流“I”。误差放大器202的正终端214系被连接至固定电流镜216，且其亦被连接至终止电阻器复制品204的高电压端。

终止电阻器复制品204包含一复制电阻器220与串联连接的复制晶体管222。输出终止电阻器206与208通常包含输出电阻器224、224’以及输出晶体管226、226’，其亦是串联连接。复制晶体管222与输出晶体管226、226’，系为CMOS晶体管，而电阻器220、224与224’则最好是CMOS电阻器，其它的制程技术，像是PMOS，也可被用在复制晶体管78与输出晶体管82、82’上。本实施例进一步提供一与固定电流镜216联系的可程序电流镜230，用以起源在线路232上的电流“I”。此外，电流镜230系与在线路236上起源一参考电流“I_REF”之参考电流产生器234电连接。在运作中，电流“I”系由电流镜230透过将参考电流“I_REF”乘以在输入线路238上所接收的因子P而被发展，如以下关系式所决定：

I＝P×I_REF    (1)

只要输出终止回路(或是伺服回路)200一经确定，终止电阻器复制品204会具有等效电阻，其可由下列的方程式来说明：

R_RR＝V_SBNSE/I＝V_REF/I＝V_REF/(P×I_REF)，    (2)

其中，R_RR＝终止电阻器204等效电阻；

V_SENSE＝由在线路214上的误差放大器202所感测的电压；

I＝由固定电流镜216所起源的电流；

V_REF＝来自电压产生器212的精确参考电压；

P＝电流乘数因子(current multiplier factor)；以及

I_REF＝取决于参考电流产生器234的参考电流。

当与输出终止电阻器206与208相比较时，透过缩小终止电阻器复制品204的大小，可限制伺服回路中电流消耗，也就是说，输出晶体管226与226’系为具有类似大小的相同形式之晶体管。举例来说，当复制晶体管222具有宽度＝W_RT及长度＝L_RT，而输出晶体管226与226’具有宽度＝W_OT与W_OT’及长度＝L_OT与L_OT’时，然后下列的方程式可说明复制晶体管222宽度-对-长度的比率与输出晶体管226与226’宽度-对-长度的比率之关系：

W_RT/L_RT＝1/K×W_OT/L_OT＝1/K×W_OT/L_OT  (3)

于是，复制电阻器220系为输出电阻器224与224’的依比例的变化形式，其系由下列方程式来决定：

R₃＝K×R₁＝K×R₂，    (4)

其中：

R₃＝复制电阻器220的电阻；

R₂＝输出电阻器224’的电阻；以及

R₁＝输出电阻器224的电阻。

因此，透过由常数因子“K”来增加电阻器复制品204的等效电阻，由相同的因子可降低导致显著功率降低的偏移电流。

再者，由于V_REF与I_REF两者系衍生自精确的电参考，因而线路驱动器的输出终止电阻(OTR)可不受制程参数、温度与供应变异的控制，如此，该OTR为：

R_OTR＝1/K×R_RR＝1/K×V_REF/(P×I_REF)    (5)

并且其可藉由变化参数P而被归划为想要的数值。

于此将继续参考第3图来说明被用来达成线路驱动装置的输出振幅之系统与方法。一第二可程序电流镜250被提供来起源在线路252上的输出电流“I_TAIL”。输出电流“I_TAIL”可由电流镜250透过将电流“I”乘以在程序输入终端254上所接收的因子“M”而被发展，使得：

I_TAIL＝I×M    (6)

线路驱动器的输出级(output stage)260系被提供来递送线路驱动器的共享模式电压与输出振幅，而输出级260包含与一对开关262与264，而开关262与264系与电流镜250并联连接，并做为电流开关，因此，电流会流过开关262或是流经开关264。于是，输出电压为：

V_OUT＝I_TAIL×R_OTR＝M×I×K×V_REF/(P×I_REF)，

且在取代前述的方程式(1)与(5)后，

V_OUT＝M×P×I_REF×K×V_REF/(P×I_REF)；

其简化为：

V_OUT＝M×K×V_REF

由于因子K是固定的，输出振幅仅取决于参数M，并且可反应精确的电参考V_REF。因此，输出电压对于制程变异并不敏感，且可以在温度与供应变异上精确地维持，如透过M来规划。值得注意的是，输出电压可不受选择的输出终止电阻而被规划。

继续参考第3图，以下将说明共享模式电压控制。共享模式电压控制系使用可程序电流镜250而被提供，其系起源在线路266与268上的共享模式电流“I_CM”。也就是，可程序电流镜250将电流“I”乘以因子“L’”，使得共享模式电流“I_CM”可由以下方程序来说明：

I_CM＝L’×M

其中，L’系衍生自一参数L，参数L系利用在电流镜250的输入终端254上所接收的参数M而被校正。有益地，此种组态可将输出共享模式电压设定从输出振幅解耦。

因此，举例而言，输出共享模式电压会是：

V_CM＝(I_CM+1/2×I_TAIL)×R_OTR以及

由适当的代入：

V_CM＝(L’×I×1/2×M×I)×R_OTR

由进一步的代入，共享模式电压将不依赖参数P：

V_CM＝(L’×P×I_REF+1/2×M×P×I_REF)×1/K×V_REF/I_REF×1/P

简化后：

V_CM＝(L’×1/2×M)×1/K×V_REF

为了控制共享模式电压不受共享模式振幅的控制，则执行下列的关系式：

L＝L’-1/2×M，

其中：

L＝用于共享模式位准的控制参数。

此等控制参数L，系在输入终端255上所接收，其系使用M值而被校正，使得会改变共享模式电压VCM的M值之任何变化将被反应至结果映像比率(resulting mirror ratio)L’。映像比率L’系使用在逻辑校正区块270中的数字逻辑而产生，因此，其结果是，共享模式电压不受规划的输出振幅的控制：

V_CM＝L×1/K×V_REF。

于是，输出共享模式电压系取决于独立的固定电阻器比率K，并且可反应精确的电参考V_REF，因此，共享模式电压对于制程变异并不敏感，且可以在温度与供应电压变的方面精确地维持。

本案比习知技术具有更多优点与好处，举例来说，在一个实施例中，一个集成输出终止电阻器系使用一控制的MOS晶体管与一低精确度的CMOS电阻器之组合而被提供。该MOS晶体管将CMOS电阻器的不精确基于一电参考而将其进行校正。由于穿过MOS晶体管较小而有效的汲极-源极电压，MOS晶体管与CMOS电阻器的组合比仅是MOS晶体管其特色是有较高的线性度与精确度。在另一实施例中，MOS电阻器系从复制输出电阻器以及在输出终止电阻器中省略，而输出电阻系以于三极体区域中运作的MOS晶体管控制。再者，本案亦提供了集成输出终止电阻器的独立可程序性、输出公用模式电压以及输出振幅。而输出终止电阻器的数值、输出共享模式电压的数值以及输出振幅的数值可被独立地控制，并且可以精确的电参考而持续不断的维持。因此，输出终止电阻的数值、输出共享模式电压的数值以及输出振幅的数值在温度与供应电压上制程容许度与变异并不敏感。

上述的谈论系揭露与说明本案较佳的实施例，习之领域之人士将可由此等的讨论与附加的图标与权利要求而更加了解，而对于本案所做任何的改变与修饰，并不脱离本案真正的精神与公正的范围，一如以下权利要求中所定义者。

Claims (18)

1.一种线路驱动器装置，用以提供一可独立控制的输出终止电阻、一输出振幅与一输出共享模式，该装置包含：

一第一可程序电流镜，用以倍乘一固定的参考电流而达成一第一预定的电流；

一固定电流镜，用以起源该第一预定的电流；

一可调整终止电阻器，其系被连接至该固定电流镜，以接收该第一预定的电流；

一误差放大器，其系与该可调整终止电阻器通讯以感测穿过该终止电阻器的一终止电阻器电压及将该电阻器电压与一固定的参考电压进行比较，藉以该放大器提供一放大器输出讯号至该终止电阻器，使该电阻器电压与该固定的参考电压相匹配；

至少一可调整输出终止电阻器，其系与该放大器输出讯号通讯；

一第二可程序电流镜，用以倍乘该第一预定的电流而达成一第二预定的电流，以定义一共享模式电压与一输出电压振幅；以及

一输出级(output stage)，其系与该第二可程序电流镜及该至少一可调整输出终止电阻器通讯，该输出级具有复数个电压控制的开关以定义该线路驱动器的一输出电压振幅与一输出极性。

2.如权利要求第1项所述之线路驱动器，其中该第一可程序电流镜能产生一输出电流，该输出电流系为一输入电流的n倍，其中n是可变的。

3.如权利要求第1项所述之线路驱动器，其中该固定电流镜接收一输入电流及输出等于该输入电流的一输出电流。

4.如权利要求第1项所述之线路驱动器，其中该第二可程序电流镜能产生一输出电流，该输出电流系为一输入电流的n倍，其中n是可变的。

5.如权利要求第1项所述之线路驱动器，其中该输出级具有两个电压控制的开关。

6.如权利要求第1项所述之线路驱动器更包含两个可调整输出终止电阻器。

7.如权利要求第1项所述之线路驱动器，其中该可调整终止电阻器复制品更包含一晶体管。

8.如权利要求第7项所述之线路驱动器，其中该晶体管系为一CMOS晶体管。

9.如权利要求第1项所述之线路驱动器，其中该可调整终止电阻器复制品更包含串联的一电阻器与一晶体管。

10.如权利要求第9项所述之线路驱动器，其中该晶体管系为一CMOS晶体管以及该电阻器系为一CMOS电阻器。

11.一种于线路驱动器中用以提供一可独立控制的输出终止电阻、一输出振幅与一输出共享模式之方法，该方法包含：

使用一第一可程序电流镜倍乘一固定的参考电流，以达成一第一预定的电流；

使用一固定电流镜，用以起源该第一预定的电流；

在一被连接至该固定电流镜的可调整终止电阻器上接收该第一预定的电流；

使用与该可调整终止电阻器通讯之一误差放大器以感测穿过该终止电阻器的一终止电阻器电压；

将该电阻器电压与一固定的参考电压进行比较，藉以该放大器提供一放大器输出讯号至该终止电阻器，使该电阻器电压与该固定的参考电压相匹配；

使用一第二可程序电流镜以倍乘该第一预定的电流而达成一第二预定的电流，以定义一共享模式电压与一输出电压振幅；以及

使用与该第二可程序电流镜通讯之一输出级(output stage)及与该放大器输出信号通讯之该至少一可调整输出终止电阻器来提供该线路驱动器之一输出电压振幅与一输出极性，该输出级具有复数个电压控制的开关。

12.如权利要求第11项所述之方法，其中该倍乘一固定的参考电流更包含使用该第一可程序电流镜来产生一输出电流，该输出电流系为一输入电流的n倍，其中n是可变的。

13.如权利要求第11项所述之方法，其中该起源该第一预定的电流更包含使用该固定电流镜以接收一输入电流及输出等于该输入电流的一输出电流。

14.如权利要求第11项所述之方法，其中该倍乘该第一预定的电流更包含使用该第二可程序电流镜以产生一输出电流，该输出电流系为一输入电流的n倍，其中n是可变的。

15.如权利要求第11项所述之方法更包含在该输出级中提供两个电压控制的开关。

16.如权利要求第第11项所述之方法更包含提供两个可调整输出终止电阻器。

17.如权利要求第11项所述之方法更包含在该可调整终止电阻器复制品中提供串联连接的一电阻器与一晶体管。

18.如权利要求第17项所述之方法，其中该提供一电阻器与与一晶体管更包含提供一CMOS晶体管以及一CMOS电阻器。

Images