CN1714503A - 故障保险差动放大器电路 - Google Patents

Abstract

公开了一种差动输入故障保险电路，如果检测到损失或太低的差动信号与低于频率限制的频率的组合，则检测到故障保险状态并发出信号。来自故障保险电路的输出信号被保持在一种给定的状态，这种状态是差动输入信号的无效表示。使用一个频率检测器、具有有限频率滚降的互补偏移辅助放大器来检测故障保险状态。此外，使用一个延迟电路，要求在故障保险电路被激活之前，故障保险状态已经存在一段时间。初始化电路保证适当的上电条件，使所述电路检测故障保险状态，并且，不管信号的先前状态如何，保证可靠的故障保险。

Description

故障保险差动放大器电路

技术领域

本发明涉及逻辑差动放大器电路，更具体地说，涉及含有故障保险(failsafe)电路的接收器。

背景技术

当不确定的或无效的输入信号出现在输入端时，故障保险差动放大器或接收器提供已知的输出。当输入为浮动或三态或短路时，通常出现无效的输入信号。但是局部短路或开路也可能导致无效的输入信号。面临这样的无效输入信号，接收器通常将发生振荡、接通噪声或者处于一种不确定状态。

先前的解决方案已经在差动接收器的输入端提供偏置电阻，通过在输入端提供直流偏移而使输入端偏置到一种已知状态。但是，这样一种偏移可能使返回的电流失去平衡，使输出发生畸变并且可能负载并减少输入信号幅度。其它解决方案曾经将接收器的输入端偏置到Vcc，用逻辑电路将接收器的输出端驱动到某种已知状态。

在部件号为SN65LVDT32B的Texas Instruments(公司)的差动接收器和若干其它类似器件中，可以找到另外的解决方案。这种器件的电路提供两个共享接收器输入端的有源电路高阻抗比较器。这些比较器提供一个窗口，其中一个比较器提供+80毫伏阈值，而另一个提供-80毫伏阈值。一个故障保险定时器和比较器的输出进行逻辑“与”运算，如果差动输入处于+/-80毫伏窗口内，则在定时器周期的结束，输出被驱动到一个已知的故障保险高状态。这种电路的一个限制是故障保险定时器必须进行切换以启动定时器周期。如果接收器的输入有效，比方说大于+80毫伏差动，但是随后回复到一种无效状态，比方说+10毫伏差动，则由于接收器输出不切换，所以定时器将无法启动。

另一种部件号为MAX 9153/4的故障保险器件由Maxim公司生产。这种器件被标记为中继器，但事实上是一个差动放大器或接收器电路。所述电路具有二极管尖峰信号抑制器，在传输线短路或者在低电平(低于100毫伏)的衰减差动信号的条件下，上电后可能无法工作。高频运用也会出现故障。

本发明的目的是，提供一种有源故障保险电路，如果下列各项中的任何一项为真，它将使接收器的输出进入一种已知状态。

1.输入差动信号衰减到规定的阈值以下。

2.输入差动信号降低到0伏(电缆短路、线路短路、接线短路等等)。

3.输入差动信号进入未驱动、未知状态或浮动输入(电缆开路、设备没有连接到系统等等)。

本发明的另一个目的是，提供一种有源故障保险电路接收器，它不增加输入信号的负载，或不衰减输入信号，也不损害接收器的输入或输出的平衡或动态范围或质量。另一个目的是，提供一种能在整个输入共模范围内工作的故障保险接收器，并在出现共模噪声、直流偏置和/或系统地偏移的情况下，保证一种已知的输出状态。本发明的另一个目的是不影响接收器的高频性能。

本领域的技术人员应当理解，虽然下面将参照说明性的各实施例、附图和使用方法来进行详细说明，但是作者不打算将本发明局限于这些实施例和使用方法。宁可，本发明是属于宽范围的，并且作者打算仅由所附权利要求书中陈述的内容来规定其范围。

发明内容

在用于差动放大器/接收器的故障保险电路中可以达到上述目的，所述差动放大器/接收器使用被偏移到一个偏移电压的偏移辅助放大器来测量输入差动(Vid)信号的幅度，还测量Vid的频率分量是否低于一个频率限制。一个单独的频率检测器测量Vid的频率，一个逻辑电路接收来自辅助放大器和频率检测器的信号。如果Vid的幅度低于偏移电压并且频率低于所述限制，则存在故障保险状态，以及输出被强制为不跟随Vid信号的给定状态。如果幅度高于偏移电压或者频率高于所述频率限制，则故障保险电路不激活，并且输出跟随Vid。在一个优选实施例中，实现时延和初始化电路。在一个优选实施例中，使用启动电路、存储器元件、延迟元件和某些逻辑元件来进行控制。

附图说明

现在参照附图对本发明进行说明，在附图中：

图1是一个典型的差动接收器的输入/输出滞后曲线图；

图2是根据本发明的一个优选实施例的真值表和逻辑流程图；

图3是图解本发明的一个实施例的示意图/方框图；

图4，5和6是图3所示模块的示意性的方框图；以及

图7-15是在示意性的方框图中所示信号的时间逻辑图。

具体实施方式

图1示出事实上在所有的差动信号接收器中都能找到的基本滞后曲线。水平轴表示正向差动信号Vid，垂直轴表示从0到+Vcc的输出信号。开始于100的负差动信号增加直至达到阈值Vid+，到此输出变高。然后，Vid朝着负的方向102行进，而输出保持高电平，直至达到阈值Vid-，到此输出变低。Vid+和Vid-之间的差值就是电路内含的滞后104。需要滞后是由于放大器的差动输入灵敏度。没有滞后，如果一个信号落在输入灵敏度区域内，放大器就不能精确地判定其状态。如果信号停留在该未定义区域内，就存在放大器变为不稳定并振荡的可能性。可以通过设计来添加附加的滞后以便进一步地增加未定义区域。也可以将一个放大器设计成仅当信号从正方向或负方向走出该未定义区域时才切换状态，由此消除振荡的可能性。

本创造性的方案是连续地监测输入信号的幅度和频率。正如下面所讨论的那样，区分低频情形和直流情形。

图2的流程图开始于实施本发明的电路的初始化步骤190。正如下面所描述的那样，对差动输入电压Vid的幅度和频率进行测量。如果幅度大于100mV并且频率低于200MHz，则故障保险电路检测到这种情况并使控制信号(en_in)使能，由此从差动接收器提供正常输出。这种状态等效于真值表的第一行200′。

如果频率低于200MHz，但是Vid大于100mV，则故障保险电路检测到这种情况，并使控制信号(en_in)使能，由此从差动接收器提供正常输出202。在这种状态下，正如下面所描述的那样，“xor”将反转。这种状态示于真值表的第二行202′。

如果频率高于200MHz，并且Vid小于50mV，则假定如真值表的第三行204′所示的状态。这里，正如下面所描述的那样，信号“AND”为真，并且故障保险被禁止204。故障保险电路检测到这种情况，并使控制信号(en_in)使能，再次从差动接收器提供正常输出。

然而，当Vid小于50mV，并且频率低于200MHz时，“AND”将反转。故障保险电路检测到这种情况，并且在经过一段延迟之后，使控制信号(en_in)无效。在这种状态下，差动接收器的输出为无效206，如真值表的第四行206′所示。

图3是本发明的一个优选实施例的电路示意图/方框图。输入差动信号出现在INP和INM之间，并且可以提供一个端接电阻300，用于匹配传输线的阻抗。提供具有高阻值的高值电阻网络302，以满足由当前要求设定的某些设计规格，并且满足故障保险条件之一。更具体地说，这就是在输入端开路和未驱动期间的故障保险操作。电阻网络302被安排在电源电压V1和地回路之间。差动输入信号被连接到LVDS-高速差动放大器304的输入连接点。VMID是一个偏置输出，在开路和未驱动条件下，它被设置为一个等于电源电压V1的一半的标称值，否则，这个节点将提供输入差动信号相对于接收器地线的共模电压。

LVDS接收器是一个高速、高增益差动放大器，它具有本领域公知的干线到干线(rail to rail)输入共模范围。大多数这样的放大器或接收器在从直流到1GHz具有大约10mV的灵敏度。

在这个实例中，当提供差动输入信号的驱动器被关断或处于三态，输入电缆被损坏产生短路或开路，或者事实上都将导致没有输入信号的其它类似情况时，故障保险功能将处于激活状态，并且LVDS接收器接通噪声或振荡。如果由于输入信号在到达接收器输入端之前的各种电压值衰减，使得输入信号落在阈值(在本例中为50mV)以下，则故障保险状态也存在。如果没有向驱动电路连接INP或INM，则终接电阻300(50至100欧姆左右)将有效地在INP和INM之间产生短路，这等效于输入端被短接在一起的相同故障情况。

电阻网络302提供3个信号IN+、IN-和VMID8，它们在“信号损失”检测器306中进行处理。IN+和IN-分别与输入信号INP和INM相同，而VMID给出共模值。在这里，提取共模值以便将辅助放大器上的净差动信号减小一半，即，现在我们将在辅助放大器A1的输入端具有INP-VMID而非INP-INM。通过这样做，我们可以将对于A1和A2的总内置偏移电压的要求减小一半，即，A1和A2仅需具有25mV的输入偏移。由于内置偏移影响带宽，所以通过这样做，我们就能有效地把带宽增加一倍。在一种可替代的安排中，可以直接地将INP和INM送往A1和A2，由此消除了对Vmid的需求。还可以有从输入信号中提取共模值的其它方法，并且电阻网络仅是如何去做的一个实例。另一个实例可能是一个共模反馈电路，业界人士对这方面的技术都了解得很多，在此就不一一列举了。关键在于要有一个能给出共模输入电压的电路。下面讨论两个附加模块：频率检测器308和故障保险判决逻辑与控制310。这些模块的输出是en_in信号312，当故障保险功能激活时，en_in信号312变低。低的en_in信号经由与门314迫使输出信号变低，而不管来自LVDS304的输出。在正常条件下，en_in信号为高，并且输出信号跟随LVDS的输出，LVDS的输出又跟随输入差动电压Vid。

图4是信号损失检测器306的示意图。每一个偏移的辅助放大器A1和A2中的50mV源代表每一个辅助放大器中必须由与Vid相同的差动输入信号INP-INM克服的内置电压偏移(在每一种情况下，相对于输入Vid为50mV)，或者除了频率高于200MHz的情况以外，存在故障保险状态，如同将在下面讨论的。正如从示意图中明显看出的那样，这个模块监测输入的幅度损失，或者输入信号的频率增加。

正如从示意图中所看出的，按照相反的方向排列偏移。如果存在信号损失，比方说输入Vid在低频率从+50mV切换到-50mV(或以下)，则xor输出将不切换。在这种情况下，由于INP永远不会变得足够高以克服50mV偏移，所以op1将为低，并且op2将为高。这里，xor输出将保持高。当xor输出为高时，由于输入电压信号低于50mV阈值，所以故障保险状态存在。

为了重申来自图2的条件，如果xor变高，则存在故障保险状态，但是如果Vid为+/-100mV或者如果频率高于200MHz，则故障保险状态将不存在。仅当Vid小于+/-50mV并且频率低于200MHz时，故障保险状态才激活。如同下面所讨论的那样，当xor为高并且AND信号反转时，故障保险将出现。

在图2中，INP-INM或Vid必须高于偏移以便使A1和A2响应为非故障保险状态。

在低于200MHz的频率，Vid为+/-50mV的方波时，当INP高于VMID小于25mV时，op1将为低，并且当INM低于VMID小于25mV时，op2将为高。在这种情况下，输出“xor”将为高，并且存在故障保险状态。不管频率如何(除了下面讨论的涉及边缘速率)，当Vid为+/-100mV的方波、INP高于VMID超过25mV，并且INM低于VMID超过25mV时，op1和op2将反转，因此“xor”也将反转，但是故障保险电路将决不会被激活。

在偏移的辅助放大器的两个输入臂中，示出了低通滤波器网络308和310。这是每一个辅助放大器的频率滚降特性的表示，其中，如果VID大于200MHz，则A1和A2将不通过所述信号。如果Vid为100mV或50mV，则xor将为高，但是OUT仍将跟随Vid，这将在下面叙述。本领域的从业人员都能理解，滚降不可能是从50mV到100mV的阶跃函数。因此，容易保证：一个良好的输入应当大于100mV，并且一个不良的输入应当小于50mV。介于其间的任何输入信号都不能被保证成为一个有效输入信号。

图5是接受来自LVDS放大器304的输入OP502和来自信号损失检测器306的xor504的频率检测器逻辑。如图所示，从概念上来说，所述电路是一个采用OP信号并输出AND信号的开关电容器，上述AND信号表示低频或高频输入信号，相互之间进行区分的频率为200MHz。这样在故障保险判决逻辑与控制310中，解决了低频与直流之间的区分。OP信号对应于Vid反转。所述信号使开关506和508接通和断开，允许电流源510对电容器512进行充电和放电。充电率是电流源值、电容器值和输入信号频率的函数。如果xor为高并且输入信号为低于200MHz频率的大约50mV，则AND信号将反转。门516是一个与非门，仅当时间514和xor二者均为高时，信号AND将为低，或者，当时间514或xor或二者均为低时，信号AND将变高。Vref和电路参数将允许电容器上的SW信号到达Vref触发点。这个反转时间信号514将导致激活OUT信号为无效的故障保险。

在频率高于200MHz和Vid＝+/-50mV的情况下，该电路参数将防止SW信号到达Vref切换阈值，并且AND信号将不反转。这将不激活故障保险状态。在频率高于200MHz和Vid＝+/-100mV的情况下，将到达Vref阈值，但信号xor将反转，信号AND被忽略，并且不激活故障保险状态。

图6包括一个脉冲发生器602，它设定交叉耦合RS门604和606-信号S变高。当接收器刚被激活时，这为RS触发器提供所需的初始化。3个反相器608生成一段延迟，使得在初始化信号保持高电平的条件下，当EN变高时，在EN经过3个反相器608的时间内enpu变低，然后enpu回到高电平。在初始化之后，所述电路被设置以检测故障保险状态。当检测到故障保险状态时，RS触发器复位，使S变低。延迟电路608将任何故障保险判定延迟一段时延608。如果出现故障保险状态，则它被复位，除非它继续存在时延608。

图7示出信号OP-LVDS 304的输出和A1的输出(op1)及A2的输出(op2)表明偏移比50mV大一些。图8，9，10，11，12，13，14和15示出所述电路图的各种状态和逻辑信号。图9和10示出故障保险状态。图8示出在100mV的Vid和500MHz的频率下，op1为高，op2为低，OUT跟随Vid。图9示出在50mV的Vid和100MHz的频率下，op1为高，op2为低，OUT保持高-故障保险状态。图10示出和图9相同的条件，除了Vid来自相反的方向。图11示出在100mV的Vid和100MHz的频率下，op1和op2反转，OUT跟随Vid。图12示出在50mV的Vid和500MHz的频率下，op1为高，op2为低，并且OUT跟随Vid。

图13示出输入电压边缘速率的从属性(dependency)。这里，上升和下降时间小于1/BW(BW为带宽)。如图所示，这个函数等于50nS。图14也示出边缘速率的从属性，但是其中，假信号(glitch)具有超过信号损失检测器(LSD)的1/BW的上升/下降时间。这里要注意op1、op2和OUT的切换点。OUT在Vid等于0附近切换。而op1和op2则在偏移值处切换。en_in中的假信号表明OUT的低电平状态是由于本发明的假信号周期内的故障保险操作。由于T2-T1大于1/BW，所以出现假信号。这样，被设计成等于信号损失检测器的BW的故障保险判决逻辑开始响应输入信号。图15示出处于400nS的Vid的边缘速率的假信号。

如图13，14和15所示，Vid的边缘转换速率影响故障保险电路。图4的放大器A1和A2的带宽依赖于Vid信号的边缘时间。如果边缘变得慢于A1和A2的带宽分之一，则将出现假信号。由于优选的带宽为200MHz，所以慢于50nS的上升时间将导致这些假信号。

本发明可以有利地被应用于通常在几乎所有计算系统中都能找到的差动信号的数据线接收器。那些系统将至少包括在通信设备、显示器、计算机化仪器、数据采集和分布式系统中的那些。

同样，图3的优选实施例是一个展现图2所示的逻辑功能的电路。因为图2的逻辑可以在各种其它电路中实现，包括使用计算机响应于测量的输入信号来产生适当的逻辑状态。这样的电路和系统设计在本领域中是众所周知的。

应当理解，在这里，上述各实施例是作为实例而提出的，还应当理解，其许多的变通方案和替代物也都是可能的。因此，本发明应当广义地被视为仅由下面所附的权利要求书中陈述的内容来加以规定。

Claims (7)

1.一种故障保险差动接收器电路，其中，故障保险状态包括差动信号的幅度损失以及其中所述信号频率低于一个规定的限制，该电路包括：

一个差动放大器，

两个互补辅助差动放大器，每一个辅助放大器并入被设置为一个值的互补偏移电压，

其中，所述输入差动信号被连接到差动放大器和两个辅助放大器的各差动输入端，

一个频率检测器，它检测输入差动信号何时低于一个频率限制，

一个逻辑电路，它接收来自频率检测器和两个辅助放大器的输入，其中，当差动信号幅度小于所述值以及所述频率低于所述频率限制时，所述逻辑电路判定激活逻辑电路故障保险状态。

2.根据权利要求1所述的故障保险电路，还包括：

安排用于延迟故障保险状态信号的时延。

3.根据权利要求1所述的故障保险电路，还包括一个初始化电路，使能故障保险电路操作。

4.根据权利要求1所述的故障保险电路，其中，所述辅助放大器在信号频率限制处具有频率滚降。

5.一种从由计算机通信系统、显示器、计算机化仪器、数据采集和分布式系统组成的组中选择的计算系统，所述计算系统包括至少一个如权利要求1所定义的故障保险差动接收器。

6.一种故障保险差动接收器电路，其中，故障保险状态包括差动信号的幅度损失以及其中所述信号频率低于一个规定的限制，该电路包括：

用于测量差动输入信号的幅度和频率的电路部件，以及

用于响应于测量的幅度和频率，实现图2的表中的逻辑功能的计算机系统部件。

7.一种当信号频率低于规定限制时，用于产生差动输入信号的幅度损失的故障保险状态的方法，该方法包括下列各步骤：

测量差动输入信号的幅度和频率，以及

响应于测量的幅度和频率，实现图2的逻辑功能。

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