具体实施方式
本发明提供一种电路设计方法和发射器,它利用分段自串联端接(SSST)发射器的设计来实现对幅度、预加强和转换速率的灵活控制,该发射器包括具有关联电阻器的双重上拉和下拉晶体管的多个单独可控段的并行配置。幅度控制、转换速率控制和预加强控制是通过为各段选择正常或者反相输入来实现的。本发明也提供一种用于通过调节电源电压来提供/维持自串联端接(SST)发射器(也称为源极串联端接发射器)上的准确输出幅度的机制。对电源电压的调节允许了与常规串行链路接收器端接电压相兼容,而且在这些电压大于发射器输出器件的正常电源时保护这些器件。
本发明的每个特征包括用以实现由下面各部分标题所描绘的特定特征的发射器输入的不同配置。特别地提供了四个主要配置,每个配置在说明书的单独部分中加以描述。这些配置是:(1)输出幅度调节/控制,包括(a)电压调节和(b)分段;(2)预加强控制;和(3)转换速率控制。
为了使根据本发明设计的发射器与标准自串联(或者源极串联)端接(SST)发射器相区别,本发明的发射器被称作为分段自串联端接(SSST)发射器,这表明将根据本发明实施例、如图中所示和下文描述的那样分段地配置该发射器。除非另有说明,在下面的描述中提及发射器都是指SSST发射器。
现在参照附图,它们图示了根据本发明配置的具有电压调节的第一SST发射器(图1),然后是根据本发明配置的SSST发射器的三个实施例(图2-4)。在附图中,为不同的图中相似的单元提供了相似的标号,而新的特征在首次图示于图中时则提供有单独的编号。
A.幅度控制
1.电压调节
如上所述,图1提供了根据第一实施例(它不涉及新设计的SSST发射器)的SST发射器的低级框图表示,其中已经通过添加可调电压调节器以在输入处实现电压校准和幅度调节来增强该发射器的设计和操作。
没有为常规的SST发射器设计实现控制幅度和输出电压准确度的任何机制。然而,为了遵循通用的串行链路标准,要求发射器能产生准确的(可靠的)输出幅度。此外,为了在串行链路设计中提供不同的输出幅度,有时可能需要对电源电压进行调整。同样,发射器封装或者连接器之内的信号损失可能要求输出幅度通过某一形式的校准得以固定,比如将电源例如增加10%、20%或30%以使信号损失不起作用。
利用自串联端接发射器的常规设计和运用(该发射器直接地连接到输出电压偶尔波动的常见电源),调节和控制输出幅度一般是不可能的。电源电压通常富于变化以致不能有足够的幅度准确度,而电源电压一般是不易于调整的。
因此图1提供了一种使得自串联端接发射器能够在准确度和大小方面均满足所需幅度要求的方法。如图所示,SST发射器110在它的高电压节点(输入)处连接到高电压轨115,而在它的低电压节点(输入)处连接到可调电压调节器120。可调电压调节器120接收两个输入信号:幅度信号122和校准输入信号124。根据所实施的实施例,可调电压(例如VLL 117)提供到SST发射器的电源电压中的一个或两个电压。可调电压117提供比(偶尔波动的)电源更准确的功率,由此在由SST发射器110提供的输出幅度上实现了更大精确度和准确度。另外,发射器电源电压可以动态地设置(调整)为所需值而不要求对外部电源有任何改变。可调电压调节器117由此还使得SST发射器120能够容易地加以校准以解决发射器、它的封装或者连接器之内的任何信号损失。
自串联端接发射器110通过信道130将差分输出信号转发到接收器140。两个差分输出信号线连接到相应的上拉电阻器135/137(接收器端接阻抗),该电阻器在它们的高电压端彼此连接并连接到端接电压轨VTR 125。请注意,接收器140和端接电阻器135/137代表典型的串行链路接收器配置。其他配置也是可能的。
通过利用具有上述组件的增强发射器电路100,SST发射器110能在接收器端提供幅度准确度要求。另外,可调电压调节器120使得有可能实现既可变又准确的幅度。在备选实施例中,可调电压调节器120也可以包括允许对幅度损失补偿的可调缩放因子。之所以实施这一备选实施例是因为多数真实系统具有可能影响输出幅度的可变损失。
图1具体地图示了耦合到SST发射器110的低电压输入的单个可调电压调节器120。可调电压调节器120由此为SST发射器110产生低电源电压。这一特定的设置允许与最通用的串行链路接收器结构相兼容,该结构具有对接收器上电源轨的DC端接阻抗。然而,尽管说明了这一实施例,但是本发明的其他实施例(未说明)提供了数个备选电压调节器设置。例如,在一个可能的实施中,可调电压调节器耦合到高电源电压输入,而在另一可能的实施中,提供两个可调电压调节器,一个耦合到低电压电源,而另一个耦合到高电压电源。
2.经由分段的幅度控制
尽管上面增强的SST配置在输出幅度和校准中提供了可测量的控制,但是向发射器施加可变的电源电压可能造成电路性能的变化,这在一些实施中特别是在利用电压调节器120来调整发射器的输出幅度时,会使上面的系统设计很困难。在一些实施中,为了实现恰当的输出幅度,可能出现如下情形,其中特定的输出幅度要求可能会要求低得以至于无法允许恰当电路操作的输入电源电压(即晶体管可能接收不到足够大的电流以接通/操作和/或可能接收比恰当操作所需的电压更小的电压)。
因此,除了具体地利用通过添加一个或多个电压调节器而增强的SST发射器的上述实施例之外,本发明的其他实施例提供了分段SST发射器(或者如上面介绍的SSST发射器)。图2图示了SSST发射器的配置。如图2所示而且不同于SST发射器(其设计是已知的),利用成对连接的晶体管和电阻器的并行段(竖直地观看)来设计SSST发射器。每个段由上拉和下拉单元构成,这些单元通过输入数据来切换以产生输出波形。上拉单元包括P型晶体管230,该晶体管在它的源极连接到高输入轨(VHH)240,而在它的漏极连接到上拉电阻器237。下拉单元包括N型晶体管235,该晶体管在它的源极连接到下输入轨(VLL)245,而在它的漏极连接到下拉电阻器239。上拉电阻器237和下拉电阻器239(串联地)连接于公共节点,该节点连通每个段并产生输出信号250。根据这一实施例,SSST发射器200被划分成许多独立可控的段。在图示中仅提供四个段。然而,如虚线所提示的,实际利用的段数目是受对于SSST发射器200而言所需的控制颗粒度约束的设计参数。因此,例如,SSST发射器200可以包括16、20、32、64或者任一其他数目的段。
每个段具有特定的输出阻抗,使得它们的并行组合等于所需信道端接阻抗。每个段的阻抗可以是电阻器阻抗和晶体管阻抗的组合。然而,可想到所用晶体管足够的小到产生所需阻抗,而不需要上拉和/或下拉电阻单元。类似地,晶体管可以足够的大到它们产生可忽略的阻抗,由此每个段的阻抗值分别地等于上拉或下拉电阻器,因为每次仅一个电阻器(开关)是通的。
在说明性实施例中,所用晶体管是MOS晶体管(即P-MOS和N-MOS晶体管)。尽管描述为MOS晶体管,但是可理解本发明也可以用不同类型的晶体管来加以实现,因此本发明不限于这里公开的晶体管。例如,晶体管可以是FET、双极性晶体管等其他类型。最后,本领域技术人员将理解到,所提供的图示仅是完整差分发射器的一半(上半部或者下半部),两半是相同的。因此实际的发射器输出是两半的输出的组合。当两半先后进行操作时,它们产生量值相等但是相对于彼此反相的输出。在将两半之一反相之后,组合的输出则是所示电路的输出250的两倍(2X)。
SSST发射器设计的实施允许对发射器输出幅度的灵活控制而无需(图1的)可调电压调节器。另外,这一配置消除了与没有大到足以使得晶体管正常地操作的输入电源电压有关的任何问题。对每个段的输入是施加到PMOS晶体管230和NMOS晶体管235的栅极输入。如图所示,每个段的输入是从相应的缓冲器220(或者反相缓冲器)接收的缓冲输入,该缓冲器实际上接收数据输入205和该数据输入的取反,即来自输入源(未示出)的反相数据输入207。加以个别考虑的幅度控制输入210被馈送到缓冲器220,用作为使得缓冲器能够将正常数据输入205或者反相数据输入207传递到特定段的选择输入。例如,如果幅度控制输入210是1,则反相数据发送到该段,而如果幅度控制是0,则将正常数据输入发送到该段。在说明性实施例中,如果幅度控制输入210是0,则缓冲器220将正常数据输入205传递到该段。可选地,如果幅度控制输入210是1,则缓冲器220将反相数据输入207传递到该段。传递的数据输入是分别地导通P型晶体管(230)或N型晶体管(235)的1或0。也就是,当被选择通过缓冲器来传递的数据是0时,0输入数据使该段的上分路得以通过导通P型晶体管(同时截止N型晶体管)来上拉。反过来,当被选择通过缓冲器来传递的数据是1时,1输入数据使该段的下分路得以通过导通N型晶体管(同时截止P型晶体管)来下拉。尽管出现上拉和下拉操作,但是该段上的电阻保持相同。
为了实现最大幅度,用没有修改的(正常的)输入数据信号来驱动所有的段。为了产生较小幅度,通过反相数据来驱动段的子集(即一个或多个段)。每个反相的段抵销了由它自身和接收正常数据输入的另一段提供的输出幅度的一部分。特别地,将电阻器值选择为使得段上并行电阻的组合加起来达到所需输出电阻。因此,SSST发射器使得能够有选择地减少输出幅度而不减少或者影响端接阻抗。这一方法在允许电源电压为了可接受的电路性能而保持足够大的同时产生了作为最大幅度的限定的一部分的幅度。利用这一实施,可以利用段的总数目和以反相输入信号驱动的段的数目来计算输出电压的减少百分比。仅利用完整发射器的一半(如图所示)的这种计算所用的公式是“实际=最大×一部分”或者具体为:
实际输出幅度=最大输出幅度×[(段的数目-2×反相段的数目)/段的数目]
特别地,该计算涉及减去反相段的两倍,因为反相段低销了对于相同数目非反相段的电压增益。通过相同的分析,如果更多的段接收反相数据输入,则输出信号将是负值,这表明输出信号极性相反。在实际的电路操作中,理想的差分峰峰输出幅度等于VHH-VLL。
在利用SSST发射器的另一实施例中,通过静态地将段的集合(一个段或多个段)设置成从剩余段接收反相输入来提供幅度控制。因此,与其以反相数据驱动某一比例的段,不如静态地对这些段进行设置。然后,如果成对的段被设置成相反的恒定数据值,则与利用上述对多个段进行设置的动态方法(如通过图2A的幅度控制输入所示的)一样,提供相似的幅度减少和恒定阻抗。这一实施例提供相对于输入电压的设置输出电压。
特别地,在一个实施中,将幅度控制的分段方法与电压调节器方法(在以上有关部分中描述的)相组合以提供很灵活和准确的发射器幅度控制。恒定调节器提供了幅度准确度和允许良好电路性能的电源级,而该分段在保持所需输出阻抗的同时允许幅度可调。
B.预加强控制
上面描述了在发射器之内所需的一种控制措施,现在提供一种加强措施(或者更具体地说是预加强措施)。正如所运用的那样,预加强是指如下过程:将高频分量相对于低频分量进行加强以改进传输信道上在传输期间的整体信噪(SN)比。通过在发射器端加强/增大高频分量,预加强试图减轻信道的带宽局限和由此产生的符号间干扰(ISI)(或者将它们的不利影响最小化)。常规的串行链路发射器通常通过与有限冲激响应(FIR)数字滤波器相似的结构来提供可调的输出信号预加强能力,其中将输出信号的延迟版本从主信号中减去,以产生部分地抵销了信道低通特性的高通特性。
现在参照图3,根据一个实施例图示了图2的SSST发射器200还适于/增强用以提供预加强控制。除上述各段和输入缓冲器220之外,SSST发射器200还包括用以实现预加强控制的不同输入。不同于图2的功率幅度实施的正常和反相信号输入,图3的SSST发射器包括延迟单元360,反相器365跟随其后,该延迟单元将沿着第二输入路径寻路到缓冲器220的输入信号的拷贝加以延迟,然后将该输入的延迟拷贝加以反相。延迟单元360将接收的输入信号延迟一个比特时间(即该输入信号的一个比特穿过该输入端的时间)。从缓冲器220的角度来看,在时间T1接收的输入是来自时间T0的正数据输入205和反相的数据输入。也就是,假设在主要输入路径(正常数据输入)输入到缓冲器220的数据是10101100,则在辅助输入路径见到的输入是-0101001。
在备选实施例中,可以提供多个延迟单元(或者提供多延迟的单个单元)以实现数据流的多个延迟版本。例如,可以提供1个、2个、3个或更多比特时间的延迟。简单地通过将适当延迟的数据供应到段组,就可以将SSST发射器设计得与这一普通的预加强方式相符。
根据说明性实施例,通过将发射器表现为许多独立可控的段,可以在自串联端接发射器的具体实施也就是SSST发射器300之内实施可调的预加强控制。如上所述,各段具有的输出阻抗使得它们的并行组合等于所需信道端接阻抗。另外,每个段是由通过输入数据有选择地进行切换以产生输出波形的上拉和下拉单元组成。
在说明性实施例中,通过以延迟的反相数据(来自缓冲器)对段的选定子集进行驱动来产生特定的预加强级。假设将单个段进行偏置以接收经延迟的反相输入数据(即把对缓冲器的输入选择为总是导通“1”),则对于在跳变之后的第一数据比特,所有段在相同方向拉动,而发射器产生完全幅度输出。这使得发射器能够在每个跳变期间瞬间产生完全幅度。在大于一个比特的切换运行期间(即连续0或1),延迟的段在相反方向拉动,而所得到的阻抗分配将输出减少到完全幅度的限定的一部分。因此这一现象有效地“削弱”了低频。将SSST发射器200的输入加以延长的总效果在于对输入进行延迟和反相并将该输入从通过SSST发射器300产生的总输出中减去。
应当注意,用于幅度和预加强控制的分段方案是完全兼容的,因此可以设置于同一SSST发射器之内。利用这一双重功能的SSST发射器,一些段将专用于预加强控制而所有其他段将专用于幅度控制。
C.转换速率控制
常常为串行链路发射器设计有对它们的输出信号转换速率进行调整的能力。转换速率是指发射器输出电压的最大变化速率。也就是,转换速率提供了以伏特每秒来测量的该输出有多快地改变的量度标准。不正确的转换速率可能造成与其他信道的串音干扰。
图4提供了对SSST发射器400的增强,该图图示了自串联端接发射器电路的分段如何提供用以控制输出转换速率的装置。每个输出段由单独的缓冲器(也称作预缓冲器)220驱动,可以使该缓冲器呈现高输出阻抗状态。对于段的选定子集(即一个或多个连续段),每个预缓冲器220的输出经由转换控制电阻器432永久地连接到前一段的预缓冲器的输出。对转换控制电阻器的这一连接也是对该段的P型和N型晶体管栅极的连接。因此,如图所示,转换控制电阻器432的一端耦合到第一预缓冲器220`的输出,而转换控制电阻器432的另一端也耦合到下一(依次)预缓冲器输出(220``),如图所示。
在操作期间,在其输出端连接有水平电阻器432的每个后续预缓冲器220被关断(置于off状态),使得没有输入数据信号穿过预缓冲器220。对于预缓冲器输出以什么顺序与转换控制电阻器432交叉连接以及哪些预缓冲器220随后关断的确定是设计确定的。然而,只有其输出相同(即正输入数据或者反相的输入数据)的预缓冲器才以这一方式串联连接。可以在SSST发射器400之内提供两组不同的串联连接预缓冲器输出。
在连接的预缓冲器的串联中的第一预缓冲器220`操作为每个连接段的驱动器。在串联中的后续预缓冲器关断时,与这些预缓冲器对应的段通过一个或多个转换控制电阻器432接收来自第一预缓冲器的输入。第一预缓冲器220`效力于增加的负载(后续段的转换控制电阻器432和晶体管),因此它的输出跳变速度有所减缓。此外,转换控制电阻器432本身产生延迟,该延迟造成各段在不同的时刻(依次)切换。由于延迟的切换——归因于经过段集合的输入数据的较慢改变,与较早切换的段相比,也以较慢的速率接收该输出。输出信号因此被延迟而且需要等到较晚切换的段达到与较早切换的段相同的状态为止。
利用上述配置,可以通过将整组之内的一部分预缓冲器220置于它们的高阻抗状态而且允许剩余的预缓冲器220驱动该组中的所有输出段来减少SSST发射器的输出转换速率。通过速率控制电阻器432驱动的输出段在它们的输入处接收信号时经历小的延迟。当段的输出在最后的发射器输出处相加时,这些延迟减少了输出转换速率。
特别地,与图2那样要求双(差分)输入的SSST发射器的其他图示不同,在这一实施例之内利用了单个控制输入。在一个实施例总,从缓冲器220接收的控制信号可以用来确定应当将哪些预缓冲器置于关断(off)状态。利用上述设计,当所有缓冲器处于接通(on)状态中时,对于发射器的正常操作没有影响,因为转换控制电阻器432的两端处于同一电压,因此不会造成在连接段之间的电流流动。当关断时,预缓冲器220变成高阻抗器件,阻塞了电流经过它们回流。
特别地,尽管发射器中前两个段的预缓冲器被图示为支持转换控制电阻器432,但是本领域技术人员将理解到,可以对多个可用段之中的任一段(不同于第一段)进行连线以通过转换控制电阻器432接收它的输入信号,而且这里提供的具体图示和描述仅意味着用于对本发明进行说明。
尽管已经参照优选实施例特别地示出和描述本发明,但是本领域技术人员将理解到,在不脱离本发明的构思和范围的情况下,可以在其中做出形式和细节上的各种变化。