DE102006000902B3

DE102006000902B3 - Treiberschaltung für differentielle Busse

Info

Publication number: DE102006000902B3
Application number: DE102006000902A
Authority: DE
Inventors: Michael Hausmann
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2006-01-05
Filing date: 2006-01-05
Publication date: 2007-07-12
Anticipated expiration: 2026-01-06
Also published as: US7474135B2; US20070176649A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Treiberschaltung (1) zur Übertragung von differentiellen Signalen mit einem Signal (34) und einem Komplementärsignal (35). Zum Abgleich der Flankensteilheit des Signals (34) mit der des Komplementärsignals (35) weist die Treiberschaltung (1) einen ersten trimmbaren Bustreiber (3) zur Erzeugung des Signals und einen zweiten trimmbaren Bustreiber (6) zur Erzeugung des Komplementärsignals auf. Das Signal (34) und das Komplementärsignal (35) werden vor dem Einspeisen in die Leiter abgegriffen und deren erste zeitliche Ableitungen werden zu einem Summensignal addiert. Das Summensignal wird einer Regeleinheit zugeführt und in Abhängigkeit des Summensignals wird die Flankensteilheit des Signals (34) oder des Komplementärsignals (35) gesteuert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Treiberschaltung zur Übertragung von differentiellen Signalen.
Zur Übertragung digitaler Daten mittels elektrischer Signale werden häufig differentielle Busse eingesetzt, beispielsweise der aus dem Automotive-Bereich bekannte CAN-Bus.
Bei einem differentiellen Bus wird das zu übertragende digitale Signal auf einer Übertragungsleitung und das dazu komplementäre Signal auf einer zweiten, parallelen Leitung übertragen. Die Übertragung mittels eines differentiellen Busses bietet gegenüber einer sogenannten single-ended Übertragung, bei der nur das Signal über eine Leitung übertragen wird und der Empfänger als Bezugspotential GND nutzt, oder einer Übertragung mit einer Signal- und einer Bezugspotentialleitung Vorteile. Störeinflüsse durch fremde elektromagnetische Felder beeinflussen bei der differentiellen Übertragung beide Übertragungsleitungen in gleicher oder ähnlicher Weise. Da auf der Empfängerseite zur Rückgewinnung des gewünschten Signals die Differenz der übertragenen Signale gebildet wird, werden die Störungen zumindest teilweise eliminiert, so dass die differentielle Übertragung eines digitalen Signals weniger empfindlich gegenüber Störungen durch fremde Felder ist.
Ein weiterer Vorteil eines differentiellen Busses ist die geringe Abstrahlung elektromagnetischer Felder, die sich störend auf andere Datenübertragungsleitungen auswirken können. Im Idealfall, wenn also die Signale genau komplementär zueinander sind, wird in der Summe kein elektromagnetisches Feld von den Leitern abgestrahlt, da das von einem Leiter abgestrahlte Feld genau komplementär zu demjenigen des anderen Leiters ist und diese beiden sich damit aufheben.
Bei realen differentiellen Bussystemen sind die beiden Signale jedoch häufig nicht ideal komplementär zueinander, so dass unerwünschte Felder abgestrahlt werden. So ergibt sich bei nicht ideal komplementären Signalen ein common-mode-Anteil, der die Abstrahlung bewirkt.
Die größten Spannungsänderungen sowie Spitzen im Stromfluss werden durch eine Flanke in einem digitalen Signal bewirkt. Dabei ist zu beachten, dass in einem idealen System eine Signalflanke eine unendliche Steigung aufweist, in der Praxis aufgrund der nicht-idealen Eigenschaften elektronischer Bauelemente die Steigung einer Signalflanke jedoch endlich ist. Damit hängt die Stärke eines von den Leitern eines differentiellen Busses abgestrahlten elektromagnetischen Feldes neben der Gleichzeitigkeit der Signalflanken insbesondere von der Flankensteilheit der Signale ab.
Zur Verringerung beziehungsweise zur Verhinderung der Abstrahlung eines unerwünschten elektromagnetischen Feldes durch die Leiter einer Datenübertragungsstrecke sind damit die Bustreiber, welche die zueinander komplementären Signale in die Leitungen speisen, so auszulegen, dass diese Signale mit möglichst gleicher Flankensteilheit erzeugen. Dabei ist für die Auslegung von Schaltungen, mit denen die Flankensteilheit beeinflusst werden kann, zu beachten, dass für den Bustreiber des Hochpegel-Signals z.B. P-MOS Transistoren und für den Bustreiber des hierzu komplementären Signals z.B. N-MOS Transistoren eingesetzt werden.
Für die Auslegung von Schaltungen zur Steuerung werden nach dem Stand der Technik Fuses verwendet, also dünne, metallische Leiterbahnen, die mittels eines Lasers durchtrennt werden können und mit denen ein Abgleich der Bustreiber nur einmalig während der Produktion stattfinden kann.

Die US 6,237,107 B1 offenbart eine Schaltung zur dynamischen Anpassung der Flankensteilheit bei differentiellen Signalen. Aus den differentiellen Signalen wird dabei über ein Rückkopplungselement ein Signal zur Steuerung von Treiberstufen erzeugt, welche die Flankensteilheit entsprechend dem Signal einstellen.

Die WO 02/065641 A1 beschreibt einen Hochgeschwindigkeitsausgangstreiber, den im wesentlichen ein konstanter Ausgangsstrom und konstanter Ausgangswiderstand auszeichnet. Ein als Verstärker dienender CMOS-Inverter in Reihe mit einem n-Kanal und p-Kanal Transistor werden über Sensoren so eingeregelt, dass der gewünschte Effekt eintritt.

Die US 5,886,554 beschreibt eine Schaltung eines Treibers, die die Steuerung der Flankensteilheit ermöglicht, wobei die Flankensteilheit der ansteigenden Signalflanke unabhängig von der Flankensteilheit der fallenden Signalflanke gesteuert werden kann. Die Flankensteilheit wird dabei jeweils dadurch gesteuert, dass ein Strom durch eine Kapazität geleitet wird, so dass über die Stromstärke und die Größe der Kapazität die Spannung und damit die Flankensteilheit des Spannungsanstiegs gesteuert werden kann. Über einen im Takt des zu übertragenden Signals geschalteten Schalter wird der Stromfluss bei der ansteigenden Flanke durch eine erste und bei der fallenden Signalflanke durch eine zweite Kapazität geleitet, die unabhängig voneinander dimensioniert werden können und damit die jeweils separate Steuerung der Flankensteilheit ermöglicht. Zur Steuerung der Flankensteilheit des Signals sowie des Komplementärsignals wird die beschriebene Schaltung jeweils in den Signalpfad des Signals und des Komplementärsignals geschaltet.

Diese Lösungsansätze zum Abgleich der Steilheit der Signalflanken mit derjenigen des Komplementärsignals weisen den Nachteil auf, dass die Dimensionierung der verwendeten Bauelemente nur einmal festgelegt wird oder ein Abgleich nur einmalig stattfinden kann. Schwankungen in den Eigenschaften der Bauelemente, die die Steilheit der Signalflanken steuern, die beispielsweise durch Alterung oder Temperaturschwankungen hervorgerufen werden, können somit während des Betriebs der Treiber nicht nachgeführt werden.

Die Erfindung hat daher die Bereitstellung einer neuartigen Treiberschaltung und eines neuartigen Signal-Übertragungs-Verfahrens zur Aufgabe, insbesondere einer Schaltung und eines Verfahrens, die den Abgleich der Flankensteilheit des Signals mit derjenigen des Komplementärsignals während des Betriebes ermöglichen, so dass Schwankungen während des Betriebs der Bustreiber kompensiert werden können.

Sie erreicht dieses und weitere Ziele durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 10.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Treiberschaltung zur Übertragung von differentiellen Signalen mit einem Signal und einem Komplementärsignal vorgeschlagen, wobei die Treiberschaltung einen ersten trimmbaren Bustreiber zur Erzeugung des Signals und einen zweiten trimmbaren Bustreiber zur Erzeugung des Komplementärsignals aufweist, wobei das Signal und das Komplementärsignal vor dem Einspeisen in entsprechende Leiter abgegriffen und in Abhängigkeit von einem aus dem Signal und dem Komplementärsignal gewonnenen Signal die Flankensteilheit des Signals und/oder des Komplementärsignals jeweils gesteuert wird, wobei zur Erzeugung des aus dem Signal und dem Komplementärsignal gewonnenen Signals die erste zeitliche Ableitung des Signals und die erste zeitliche Ableitung des Komplementärsignals zu einem Summensignal addiert werden und das Summensignal einer Regeleinheit zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit einen Pulsdetektor zur Auswertung des Summensignals, sowie einen ersten digitalen Zähler zur Ansteuerung des ersten Bustreibers und einen zweiten digitalen Zähler zur Ansteuerung des zweiten Bustreibers aufweist, wobei der erste und der zweite digitale Zähler jeweils mit dem Pulsdetektor verbunden sind.

Bei idealen differentiellen Signalen fallen die Flanken der Signale zeitlich zusammen, wobei eine steigende Flanke eines Signals einer fallenden Flanke des jeweils anderen Signals entspricht. Durch die Addition der zeitlichen Ableitung des Signals mit der zeitlichen Ableitung des Komplementärsignals entsteht daher ein Summensignal, welches im Idealfall konstant ist. Falls die Flankensteilheit der beiden Signale jedoch nicht gleich ist, so weist das Summensignal bei der Addition der Flanken eine Abweichung von dem konstanten Wert auf. Diese Abweichung wird von der Steuereinheit ausgewertet, die Trimmsignale zur Steuerung des ersten beziehungsweise des zweiten Bustreibers erzeugt, und so die Bustreiber so steuert, dass die Flankensteilheit des Signals den gleichen Betrag wie die Flankensteilheit des Komplementärsignals aufweist.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Treiberschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische beispielhafte Darstellung eines Bustreibers der Treiberschaltung;
3 eine schematische beispielhafte Darstellung von in der Treiberschaltung auftretenden Signalverläufen.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Treiberschaltung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, die als Bestandteil einer integrierten Schaltung, also eines sogenannten ICs, auf einem Halbleiter-Chip realisiert sein kann.
Die Treiberschaltung 1 erzeugt aus einem digitalen Eingangssignal 2, welches aus einer hier nicht dargestellten Quelle zu der Treiberschaltung 1 geführt ist, ein sogenanntes differentielles Signal. Das digitale Eingangssignal 2 wird dazu innerhalb der Treiberschaltung 1 zu einem ersten Bustreiber 3 geführt, der in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel das digitale Eingangssignal zu einem entsprechenden Signal verstärkt. Dieses Signal schwingt dabei zwischen zwei Spannungspegeln, von denen der höhere Spannungspegel für einen ersten logischen Zustand, beispielsweise logisch 1, steht und beim vorliegenden Ausführungsbeispiel über den Spannungspegeln eines entsprechenden Komplementärsignals liegt. Der niedrigere Spannungspegel steht für den anderen logischen Zustand, also hier logisch 0, und ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel mindestens so hoch oder gleich hoch wie der höhere Spannungspegel des Komplementärsignals. Das Signal wird über einen ersten Bond-Draht 4 von einem Kontaktpad des ersten Bustreibers 3 zu einem ersten Ausgangspin 5 des Halbleiter-Chips geführt.
Zur Erzeugung des zu dem Signal komplementären Signals wird das der Treiberschaltung 1 zugeführte digitale Eingangssignal 2 in an sich bekannter Weise invertiert und einem zweiten Bustreiber 6 zugeleitet, so dass der zweite Bustreiber 6 ein zum Signal komplementäres Signal – hier Komplementärsignal genannt – mit (beim vorliegenden Ausführungsbeispiel) niedrigeren Spannungspegeln als beim zum Komplementärsignal komplementären Signal erzeugt. Das Komplementärsignal schwingt damit zwischen zwei Spannungspegeln, von denen der niedrigere für den ersten logischen Zustand, also hier logisch 1, steht. Das Komplementärsignal wird über einen zweiten Bond-Draht 7 von einem Kontaktpad des zweiten Bustreibers 6 zu einem zweiten Ausgangspin 8 des Halbleiter-Chips geführt.
In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel, beispielsweise für den CAN-Bus, schwingt das Signal zwischen 2,5 Volt und 5 Volt, so dass bei dem ersten logischen Zustand die Spannung des Signals 5 Volt und bei dem zweiten logischen Zustand entsprechend 2,5 Volt beträgt. Die Spannung des Komplementärsignals schwingt zwischen 2,5 Volt und 0 Volt, so dass bei dem ersten logischen Zustand, einer logischen 1, die Spannung des Komplementärsignals 0 Volt und anderenfalls, also bei logisch 0, entsprechend 2,5 Volt beträgt.
Wären das Signal und das Komplementärsignal ideal, so wäre der Betrag der Flankensteilheit bei einem Signalwechsel gleich groß. Bei einem Signalwechsel von logisch 0 auf 1 würde das Komplementärsignal genauso schnell von 2,5 Volt auf 0 Volt abfallen, wie das Signal von 2,5 Volt auf 5 Volt ansteigen würde. Entsprechend würde in idealer Weise bei einem Signalwechsel von logisch 1 auf 0 das Komplementärsignal genauso schnell von 0 auf 2,5 Volt ansteigen, wie das Signal von 5 auf 2,5 Volt abfallen würde.
Da insbesondere bei einem Signalwechsel von 0 auf 1 oder 1 auf 0 ein Strom durch die Leiter fließt, ist das von den Leitern abgestrahlte elektromagnetische Feld während des Zeitraums der Spannungsänderungen jeweils besonders groß. Bei idealen Signalen heben sich die elektromagnetischen Felder jedoch gegeneinander auf, da bei einem Signalwechsel die Stromrichtungen in den Signalleitern und damit auch die induzierten elektromagnetischen Felder zueinander komplementär sind.
Bei bekannten Bustreibern sind die differentiellen Signale jedoch nicht ideal komplementär zueinander, so dass sich die elektromagnetischen Felder des Signals und des Komplementärsignals nicht genau gegeneinander aufheben und ein elektromagnetisches Feld bei einem Signalwechsel vorhanden ist. Ein solches elektromagnetisches Feld ist unerwünscht, da es in metallischen Leitern Induktionsströme bewirkt, die Ursache für weitere Störungen sein können. Insbesondere können solche unerwünschten elektromagnetischen Felder Ströme in benachbarten Leitungen induzieren, die zu Störungen in dem jeweiligen System führen können. Weiterhin können in Abhängigkeit von der Frequenz der erzeugten elektromagnetischen Felder diese auch in ein Radiogerät einstreuen und den Empfang stören, was beispielsweise bei Verwendung des CAN-Busses im Automobilbau unerwünscht ist.
Die unterschiedlichen Flankensteilheiten von Signal und Komplementärsignal sind beispielsweise darauf zurückzuführen, dass für die Leistungstransistoren der Bustreiber des Hochpegel-Signals z.B. P-MOS und für die Leistungstransistoren des hierzu komplementären Signals z.B. N-MOS Transistoren verwendet werden. Dies bietet sich insbesondere in der CMOS-Technologie an. Diese Unterschiede können zwar durch geeignete Maßnahmen während des Designs und der Produktion der Treiberschaltung durch geeignete Maßnahmen kompensiert werden. Alterung und Temperatur beeinflussen die Eigenschaften der Transistoren in den Bustreibern jedoch unterschiedlich, so dass hierdurch Abweichungen in der Flankensteilheit bewirkt werden können.
Zur Vermeidung unterschiedlicher Flankensteilheiten sind der erste Bustreiber 3 und der zweite Bustreiber 6 trimmbar ausgestaltet, so dass die Flankensteilheit der erzeugten Signale steuerbar ist. Da die Flankensteilheit von der Stärke eines Transistors, also dessen Verhältnis von Weite zu Länge des leitenden Kanals, bestimmt wird, kann durch Parallelschalten mehrerer Transistoren dieses Verhältnis eingestellt werden. Die Stärke eines Transistors kann somit beispielsweise dadurch gesteuert werden, dass eine größere oder kleinere Anzahl von Transistoren parallel geschaltet wird, so dass sich beispielsweise bei gleicher Länge der leitenden Kanäle die Weiten addieren. So kann beispielsweise die Stärke eines Transistors und damit die Flankensteilheit eines erzeugten Signals erhöht oder verringert werden, indem eine größere oder eine kleinere Anzahl von Transistoren parallel geschaltet beziehungsweise betrieben wird. Dies lässt sich für eine Leistungsstufe eines Bustreibers beispielsweise dadurch realisieren, dass eine Vielzahl von Transistoren parallel geschaltet wird, die durch vorgeschaltete Schalter aktiviert oder deaktiviert werden können.
Die trimmbaren Bustreiber 3, 6 werden über Signale, im Folgenden Trimmsignale genannt, so getrimmt bzw. eingeregelt, dass die Flankensteilheit des Signals und des Komplementärsignals gleich ist.
Zur Ermittlung der Trimmsignale wird das Signal vor dem Einspeisen in einen Signalleiter außerhalb des Halbleiter-Chips, also vor oder an einem Pin (z.B. dem Pin 5) des Halbleiter-Chips abgegriffen und über eine erste Kapazität 9 zu einem Knotenpunkt 10 geleitet. Das Komplementärsignal wird ebenfalls vor oder an einem Pin (z.B. dem Pin 8) des Halbleiter-Chips abgegriffen und über eine zweite Kapazität 11 zu dem Knotenpunkt 10 geführt. Eine Änderung der Spannung des Signals bewirkt damit eine Änderung der an der ersten Kapazität 9 anliegenden Spannung und einen entsprechenden Stromfluss. In gleicher Weise bewirkt eine Änderung der Spannung des Komplementärsignals eine entsprechende Änderung der an der zweiten Kapazität 11 anliegenden Spannung mit einem entsprechenden Stromfluss.
Da der Strom durch eine Kapazität der ersten zeitlichen Ableitung der zugehörigen Spannung entspricht, wird mittels der ersten Kapazität 9 und der zweiten Kapazität 11 jeweils die erste zeitliche Ableitung des Signals beziehungsweise des Komplementärsignals ermittelt. An dem Knotenpunkt 10 werden somit die erste zeitliche Ableitung des Signals und die erste zeitliche Ableitung des Komplementärsignals zu einem Summensignal addiert.
Im Falle idealer komplementärer Signale sind – unter der Voraussetzung, dass die erste und die zweite Kapazität gleich groß sind – die durch die Spannungsänderung des Signals und des Komplementärsignals erzeugten Ströme gleich groß, so dass diese sich aufheben, bzw. eine Ladungsverschiebung von einer zur anderen Kapazität stattfindet.
Der Knotenpunkt 10 ist weiterhin mittels einer Parallelschaltung einer dritten Kapazität 12 mit einem Entladewiderstand 13 mit einem Bezugspotential verbunden. Das Bezugspotential ist dabei so zu wählen, dass ein an dem Knotenpunkt 10 durch Aufladung der dritten Kapazität 12 entstehender Impuls gegenüber dem Bezugspotential detektierbar ist. Das Bezugspotential kann durch eine Spannungsquelle 14 realisiert sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel, beispielsweise für den CAN Bus, bei dem das Signal zwischen 2,5 und 5,0 Volt und das Komplementärsignal zwischen 2,5 und 0 Volt schwingt, kann das Bezugspotential zu 2,5 Volt gewählt werden und ist durch die Spannungsquelle 14 realisiert.
In dem Fall, dass bei einem Signalwechsel von logisch 0 auf 1 oder umgekehrt die Flankensteilheit des Komplementärsignals nicht genau komplementär zu der Flankensteilheit des Signals ist, findet keine genaue Ladungsverschiebung zwischen der ersten 9 und der zweiten Kapazität 11 statt, sondern ein Teil des Stroms lädt die dritte Kapazität 12 auf. Dieser Stromfluss erzeugt damit an dem Knotenpunkt 10 eine Spannungsspitze bzw. einen Spannungsimpuls. Über den Entladewiderstand 13 wird die dritte Kapazität 12 anschließend entladen.
Die Empfindlichkeit beziehungsweise die Zeitkonstante für den Entladevorgang der dritten Kapazität 12 wird durch die Größe des Entladewiderstands 13 und die Größe der Kapazität 12 bestimmt. In vorteilhafter Weise sind die Kapazität 12 und der Entladewiderstand 13 so dimensioniert, dass die Zeitkonstante des Systems, also des RC-Glieds 12, 13, kleiner als die Hälfte der minimal auftretenden Periodendauer des Signals bzw. des Komplementärsignals ist.
Ein Spannungsimpuls an dem Knotenpunkt 10 wird von dem mit dem Knotenpunkt 10 verbundenen Pulsdetektor 15 erkannt und an einen ersten Zähler 16, der mit dem ersten Bustreiber 3 verbunden ist, oder an einen zweiten Zähler 17, der mit dem zweiten Bustreiber 6 in Verbindung steht, weiter geleitet. Der erste oder der zweite Zähler 16, 17 generieren Trimmsignale, die an den ersten Bustreiber 3 oder den zweiten Bustreiber 6 geleitet werden.
Die Trimmsignale für den ersten Bustreiber 3 werden über eine oder mehrere Leitungen bzw. eine Verbindung 19 an den ersten Bustreiber 3 geleitet, entsprechend werden die Signale für den zweiten Bustreiber 6 über eine oder mehrere Leitungen bzw. eine Verbindung 20 signalisiert. Die Trimmsignale bewirken in den Bustreibern 3 und 6 einen Abgleich der Flankensteilheit bei einem Signalwechsel, so dass die Flankensteilheit von Signal und Komplementärsignal im Idealfall betragsmäßig gleich groß jedoch komplementär ist.
Zur Vergrößerung der Flankensteilheit eines Signals kann dazu die Anzahl der parallelgeschalteten Transistoren in einem Bustreiber 3, 6 erhöht werden. Entsprechend kann zur Verringerung der Flankensteilheit die Anzahl parallel arbeitender Transistoren verringert werden.
Zur Unterscheidung der Richtung, in die ein Bustreiber 3, 6 zu trimmen ist, ob also die Anzahl der parallelgeschalteten Transistoren zu erhöhen oder zu verringern ist, erhält der Pulsdetektor 15 noch Information darüber, ob der detektierte Spannungsimpuls bei einer steigenden oder fallenden Flanke des Signals oder Komplementärsignals aufgetreten ist. Dem Pulsdetektor 15 wird hierzu das digitale Eingangssignal oder das Signal oder das Komplementärsignal zugeführt (z.B. über eine Leitung 18).
Ist die Flankensteilheit desjenigen Signals größer, welches auf eine höhere Spannung schwingt, so entsteht an dem Knotenpunkt 10 ein positiver Spannungsimpuls, also eine Spannungsspitze, die nach oben von dem Bezugspotential abweicht. Dies ist dann der Fall, falls bei einem Signalwechsel von logisch 0 auf 1 die Flankensteilheit des Signals größer als diejenige des Komplementärsignals ist oder bei einem Signalwechsel von logisch 1 auf 0 die Flankensteilheit des Komplementärsignals, welches von 0 auf 2,5 Volt schwingt, größer als diejenige des Signals. In diesen Fällen fließt nicht nur ein Verschiebungsstrom von derjenigen Kapazität 9, 11, die an das Signal der geringeren Flankensteilheit angeschlossen ist, zu der Kapazität 9, 11, die mit dem Signal der größeren Flankensteilheit verbunden ist, sondern es fließt auch ein Stromanteil in die dritte Kapazität 12, so dass an dem Knotenpunkt 10 ein positiver Spannungsimpuls erzeugt wird.
Im umgekehrten Fall, wenn also die Flankensteilheit eines fallenden Signals größer als diejenige des ansteigenden ist, wird ein negativer Impuls am Knotenpunkt 10 erzeugt. Dies ist der Fall, wenn das Signal mit größerer Flankensteilheit von 5 auf 2,5 Volt fällt als das Komplementärsignal von 0 auf 2,5 Volt steigt, oder dann, wenn das Komplementärsignal schneller von 2,5 auf 0 Volt fällt als das Signal von 2,5 auf 5 Volt steigt.
Detektiert also der Pulsdetektor 15 einen Spannungsimpuls, so kann dieser damit aus der Richtung des Impulses und der über die Leitung 18 gelieferten Information, nämlich in welcher Situation der Impuls entstand, entscheiden, ob beim ersten Bustreiber 3 des Signals oder beim zweiten Bustreiber 6 des Komplementärsignals weitere Transistoren parallel zu schalten sind, um die Flankensteilheit eines der Signale entsprechend zu erhöhen, oder ob – falls die Anzahl der aktiven Transistoren eines Bustreibers nicht weiter erhöht werden kann – die Anzahl der aktiven Transistoren des jeweils anderen Bustreibers zu verringern ist.
Der Pulsdetektor 15 bildet damit zusammen mit der dritten Kapazität 12 und dem Entladewiderstand 13 sowie den Zählern 16 und 17 eine Regeleinheit. Von dem Signal und dem Komplementärsignal werden jeweils die erste zeitliche Ableitung gebildet, die zu einem Summensignal addiert werden. Dieses wird der Regeleinheit zugeleitet, die dieses Summensignal unter Berücksichtigung z.B. des Eingangssignals auswertet und Trimmsignale erzeugt, mit denen die trimmbaren Bustreiber 3 und 6 so beeinflusst werden können, dass die Flankensteilheit des Signals genau komplementär zu der Flankensteilheit des Komplementärsignals ist.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel können in vorteilhafter Weise das Signal und das Komplementärsignal über jeweils einen Bond-Draht an dem entsprechenden Pin (z.B. den Pins 5, 8) des Halbleiter-Chips abgegriffen und jeweils separat zurückgeführt werden. Sowohl das Signal als auch das Komplementärsignal werden also jeweils über einen separaten Bond-Draht (z.B. die Bond-Drähte 4, 7) von dem Kontaktpad des jeweiligen Bustreibers 3, 6 zu einem Pin (z.B. den Pins 5, 8) des Halbleiter-Chips geführt und von diesem jeweils wieder über einen weiteren Bond-Draht zurückgeführt. Die Rückführung über einen separaten Bond-Draht bewirkt dabei die Verarbeitung des tatsächlichen Signals bzw. des Komplementärsignals, so wie diese an den Pins 5, 8 des Chips anliegen.
Weiter können in vorteilhafter Weise das Signal und das Komplementärsignal über jeweils einen Operationsverstärker abgegriffen werden. Das zurückgeführte Signal wird somit zunächst einem ersten Operationsverstärker 21 und danach der ersten Kapazität 9 zugeleitet. Analog wird das Komplementärsignal zunächst einem zweiten Operationsverstärker 22 und danach der zweiten Kapazität 11 zugeleitet. Die Operationsverstärker 21, 22 weisen dabei Idealerweise einen unendlichen Eingangswiderstand auf. An ihrem jeweiligen Ausgang stellen die Operationsverstärker 21, 22 die an ihrem Eingang anliegende Spannung bereit, wobei diese auch bei Fließen eines Stroms gehalten wird. Damit dienen die Operationsverstärker 21, 22 jeweils als Impedanzwandler, die ein Verfälschen des Signals und des Komplementärsignals verhindern.
Weiterhin ist in vorteilhafter Weise beim vorliegenden Ausführungsbeispiel die Logik der Zähler 16, 17 so ausgelegt, dass bei einem Abgleich der Flankensteilheiten möglichst das Signal mit der geringeren Flankensteilheit so verändert wird, dass es anschließend eine größere Flankensteilheit aufweist, um so die für die Signalübergänge benötigte Zeit klein zu halten. Dabei ist jedoch vorgegeben, dass eine maximale Flankensteilheit nicht überschritten wird, so dass für die Beträge der Flankensteilheiten jeweils Grenzwerte vordefiniert sind.
2 zeigt eine schematische beispielhafte Darstellung eines Bustreibers 3. Das zu übertragende digitale Eingangssignal 2 wird über einen Bustreiber-Eingang 23 eingespeist, welches dann als Signal über einen Bustreiber-Ausgang 24 ausgegeben und – hier nicht dargestellt – über den o.g. Bond-Draht 4 zum entsprechenden Pin des Halbleiter-Chips geführt wird. Der Bustreiber 3 umfasst mehrere P-MOS/N-MOS Transistorpaare 25, 26, 27 und 28, die zur Verstärkung des digitalen Eingangssignals dienen.
Die Transistorpaare sind in ihrer Stärke unterschiedlich dimensioniert. So hat das Transistorpaar 25 eine Stärke von 2W/L, wobei W/L das Verhältnis von Weite zu Länge des leitenden Transistorkanals angibt, das Transistorpaar 26 eine Stärke W/L, das Transistorpaar 27 eine Stärke von ½ WL und das Paar 28 von ¼ W/L, so dass die Transistorstärken binär gewichtet sind. Damit lässt sich mit einer Schrittweite von W/L eine Gesamt-Treiberstärke im Bereich zwischen ¼ und 3¾ W/L einstellen.
Über Leitungen 19a bis 19d werden dem Bustreiber 3 die Trimmsignale signalisiert, die der Zähler 16 generiert und über die Verbindung 19 signalisiert, so dass hier die Verbindung 19 durch die Einzelleitungen 19a bis 19d dargestellt ist. Dabei kann das über die Leitungen 19a bis 19d übertragene Trimmsignal z.B. den jeweiligen digitalen Zählstand des Zählers 16 entsprechen.
Über die Leitungen 19a bis 19d und entsprechende Logikschaltungen 30a bis 30d kann gesteuert werden, welche Transistorpaare aktiv sein sollen. Eine solche Logikschaltung – hier die Logikschaltung 30a – ist in dem strichliniert umgrenzten Schaltbild näher dargestellt.
Wird das digitale Eingangssignal 2 über den Eingang 23 des Bustreibers 3 eingespeist, so wird dieses zum einen mittels eines in der entsprechenden Logikschaltung 30a vorgesehenen Inverters 31 invertiert und anschließend zu einem NAND Gatter 32 geleitet. Zum anderen wird das digitale Signal direkt zu einem in der entsprechenden Logikschaltung 30a vorgesehenen AND Gatter 33 geleitet. Sowohl das NAND-Gatter 32 als auch das AND-Gatter 33 haben jeweils als zweites Eingangssignal ein – über eine entsprechende der Leitungen 19a–19d zugeführtes – Trimmsignal, welches der entsprechende Zähler 16, 17 generiert hat. Der Ausgang des NAND-Gatters 32 ist auf das Gate des P-MOS Transistors und der Ausgang des AND Gatters 33 ist auf das Gate des N-MOS Transistors des Transistorpaares 25 geschaltet. Das digitale Eingangssignal 2 wird damit nur dann an das nachgeschaltete Transistorpaar 25 geleitet, falls auf der entsprechenden, mit der entsprechenden Logikschaltung 30a verbundenen Leitung 19a eine logische 1 (HIGH Pegel) geschaltet ist, so dass das NAND- 32 und das AND-Gatter 32 das digitale Eingangssignal 2 bzw. das invertierte digitale Eingangssignal durchschalten.
In 3 ist der zeitliche Verlauf des Signals 34 und des Komplementärsignals 35 sowie der Summenspannung 36 an dem Knotenpunkt 10 und der von den Zählern 16, 17 erzeugten Trimmsignale 37, 38 schematisch dargestellt. Die Trimmsignale 37, 38 sind hier durch jeweils zwei, jeweils ein binäres Wort symbolisierende Linien dargestellt, wobei eine Änderung des Wortinhalts durch ein Kreuzen der beiden Linien dargestellt ist.
Die Spannungen der Signale sind nicht maßstabsgetreu auf der Y-Achse aufgetragen. So haben beispielsweise das Signal 34 und das Komplementärsignal 35 die gleiche Spannung bei logisch 0, wobei dieses jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht so eingezeichnet ist. Ebenso sind die absoluten Werte der Spannungen des Summenspannungs-Signals 36 nicht aus der Darstellung abzulesen, da hier nur der zeitliche und prinzipielle Zusammenhang zwischen den Signalverläufen dargestellt ist.
Zu den Zeitpunkten t = T₁ bis T₇ findet jeweils ein Wechsel des logischen Zustands des Signals bzw. des Komplementärsignals statt, so dass das Signal 34 und das Komplementärsignal 35 jeweils die Spannung wechseln. Dabei wird vorausgesetzt, dass der Beginn des Spannungswechsels des Signals 34 mit dem Beginn des Spannungswechsels des Komplementärsignals 35 zeitlich zusammenfällt.
Zum Zeitpunkt t = T₁ findet ein Wechsel von logisch 0 auf logisch 1 statt, so dass die Spannung des Signals 34 von 2,5 auf 5,0 Volt steigt und die Spannung des Komplementärsignals 35 von 2,5 auf 0 Volt fällt. Zur besseren Darstellung ist der jeweilige Anfangswert der Spannungen nicht übereinanderliegend gezeichnet. Die Flankensteilheit des Spannungsabfalls des Komplementärsignals 35 ist dabei komplementär zu der Flankensteilheit des Spannungsanstiegs des Signals 34. An dem Knotenpunkt 10 bewirkt dies einen Verschiebungsstrom von der ersten Kapazität 9 zur zweiten Kapazität 11, wobei die zweite Kapazität 11 zu jedem Zeitpunkt exakt die Ladungsmenge aufnimmt, die von der ersten Kapazität 9 abfließt. Folglich fließt kein Strom auf die dritte Kapazität 12, so dass diese nicht geladen wird und an dem Knotenpunkt 10 kein Spannungsimpuls erzeugt wird.
Ein Wechsel von logisch 1 auf 0 findet zum Zeitpunkt t = T₂ statt. Entsprechend fällt die Spannung des Signals 34 und die Spannung des Komplementärsignals 35 steigt. Die Flankensteilheit beider Signale ist wiederum betragsmäßig gleich, so dass an dem Knoten 10 kein Spannungsimpuls erzeugt wird und die von den Zählern 16, 17 generierten Trimmsignale 37, 38 gleich bleiben.
Zum Zeitpunkt t = T₃ beginnt der nächste Signalwechsel von logisch 0 auf 1, so dass die Spannung des Signals 34 steigt und die des Komplementärsignals 35 fällt, wobei der Anstieg des Signals 34 eine geringere Flankensteilheit aufweist als der Abfall des Komplementärsignals 35. Während der Zeit, zu der das Komplementärsignal 35 fällt nimmt die Spannung 36 am Knotenpunkt 10 ab, da die dritte Kapazität 12 negativ geladen wird. Die Spannung 36 steigt jedoch wieder auf das Bezugspotential, sobald das Komplementärsignal 35 den Pegel des neuen logischen Zustands erreicht hat, während das Signal 34 noch weiter ansteigt. Auf diese Weise wird während des Zeitraums des Signalanstiegs bzw. -abfalls ein negativer Impuls am Knotenpunkt 10 erzeugt. Dieser Impuls wird von dem Pulsdetektor 15 detektiert. Gleichzeitig erhält der Pulsdetektor 15 über die Leitung 18 die Information, bei welchem logischen Signalwechsel der Impuls auftrat. Im vorliegenden Fall wird dementsprechend der Impuls an den ersten digitalen Zähler 16 weitergegeben, so dass dieser seinen Zählstand erhöht, und an seinem Ausgang und über die Verbindung 19 das Trimmsignal 37 setzt bzw. ändert, so dass die Stärke des ersten Bustreibers 3 des Signals 34 erhöht wird. Dies bewirkt, dass die Flankensteilheit des Signals 34 beim nächsten Anstieg größer ist. Das Trimmsignal 38 für den zweiten Bustreiber 6 bleibt unverändert.
Beim folgenden Wechsel des Signals von logisch 1 auf 0 zum Zeitpunkt t = T₄ ist die Flankensteilheit des ersten Signals 34 größer als die des Komplementärsignals 35. Wiederum wird ein negativer Impuls an dem Knotenpunkt 10 erzeugt, der von dem Pulsdetektor 15 detektiert wird. Für den Abgleich der Flankensteilheiten ist nun diejenige des Komplementärsignals 35 zu vergrößern, so dass das Trimmsignal 38 – durch Hochzählen des Zählers 17 – so geändert wird, dass die Stärke des zweiten Bustreibers 6 des Komplementärsignals 35 erhöht wird. Das Trimmsignal 37 für den ersten Bustreiber 3 bleibt unverändert.
Bei dem darauf folgenden Signalwechsel von logisch 0 auf 1 zum Zeitpunkt t = T5 ist die Flankensteilheit des Signals 34 größer als diejenige des Komplementärsignals 35. In diesem Fall wird an dem Knotenpunkt 10 ein positiver Spannungsimpuls erzeugt, der von dem Pulsdetektor 15 detektiert und an den digitalen Zähler 17 weitergeleitet wird, so dass dieser sein Ausgangssignal, also das Trimmsignal 38 entsprechend ändert. Mit diesem wird wiederum die Stärke des zweiten Bustreibers 6 erhöht, so dass die Flankensteilheit des Komplementärsignals 35 erhöht wird. Das Trimmsignal für den ersten Bustreiber 3 bleibt unverändert.
Beim nächsten Signalwechsel zum Zeitpunkt t = T₆ ist die Flankensteilheit des Komplementärsignals 35 größer als diejenige des Signals 34, so dass die Spannung des Komplementärsignals 35 schneller steigt als die des Signals 34 fällt. Dies erzeugt einen positiven Impuls der Spannung 36 am Knotenpunkt 10. Da in diesem Fall die Flankensteilheit des Signals 34 erhöht werden soll, wird der Impuls an den ersten digitalen Zähler 16 weitergeleitet, so dass mittels des entsprechend geänderten Trimmsignals 37 die Stärke des ersten Bustreibers 3 vergrößert wird, indem ein weiteres Paar von Transistoren parallel geschaltet wird.
Auf diese Weise wird bei jedem logischen Signalwechsel an dem ersten und dem zweiten Bustreiber 3,6 gemessen, ob die Flankensteilheit des Komplementärsignals 35 tatsächlich komplementär zu der Flankensteilheit des Signals 34 ist. Falls dabei eine Abweichung ermittelt wird, so werden die trimmbaren Bustreiber 3, 6 in ihrer Stärke schrittweise soweit verändert, dass die Flankensteilheiten betragsmäßig gleich groß sind. Dabei ist zu beachten, dass die Flankensteilheit eines Bustreibers 3, 6 nur bis zu einem vorgegebenen Grenzwert erhöht werden kann. Für den Fall, dass die maximale Stärke eines Bustreibers 3, 6 erreicht ist, also alle Transistorpaare 25–28 bereits parallel arbeiten, kann die Stärke des jeweils anderen Bustreibers verringert werden, sodass auf diese Weise die Flankensteilheit eines Signals an diejenige des anderen angeglichen werden kann.

1: Treiberschaltung
2: dig. Eingangssignal
3: erster Bustreiber (Signal)
4: erster Bond-Draht
5: erster Ausgangspin des Halbleiter-Chips
6: zweiter Bustreiber (Komplementärsignal)
7: zweiter Bond-Draht
8: zweiter Ausgangspin des Halbleiter-Chips
9: erste Kapazität CH
10: Knotenpunkt
11: zweite Kapazität CL
12: dritte Kapazität CP
13: Entladewiderstand R
14: Spannungsquelle
15: Pulsdetektor
16: erster digitaler Zähler
17: zweiter digitaler Zähler
18: Leitung (edge detection)
19: Verbindung
19a–19d: Leitungen
20: Verbindung
21: erster Operationsverstärker
22: zweiter Operationsverstärker
23: Eingang des Bustreibers
24: Ausgang des Bustreibers
25: P-MOS/N-MOS Transistorpaar
26: P-MOS/N-MOS Transistorpaar
27: P-MOS/N-MOS Transistorpaar
28: P-MOS/N-MOS Transistorpaar
30a–30d: Logikschaltungen
31: Inverter
32: NAND Gatter
33: AND Gatter
34: Signal
35: Komplementärsignal
36: Differenzsignal/Spannung am Knotenpunkt 10
37: Steuersignal des ersten Zählers
38: Steuersignal des zweiten Zählers

Claims

Treiberschaltung (1) zur Übertragung von differentiellen Signalen mit einem Signal (34) und einem Komplementärsignal (35), wobei die Treiberschaltung (1) einen ersten trimmbaren Bustreiber (3) zur Erzeugung des Signals (34) und einen zweiten trimmbaren Bustreiber (6) zur Erzeugung des Komplementärsignals (35) aufweist, und wobei das Signal (34) und das Komplementärsignal (35) vor dem Einspeisen in entsprechende Leiter abgegriffen werden und in Abhängigkeit von einem aus dem Signal (34) und dem Komplementärsignal (35) gewonnenen Signal die Flankensteilheit des Signals (34) und/oder des Komplementärsignals (35) jeweils gesteuert wird, wobei zur Erzeugung des aus dem Signal (34) und dem Komplementärsignal (35) gewonnenen Signals die erste zeitliche Ableitung des Signals (34) und die erste zeitliche Ableitung des Komplementärsignals (35) zu einem Summensignal addiert werden und das Summensignal einer Regeleinheit (12, 13, 15, 16, 17) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit einen Pulsdetektor (15) zur Auswertung des Summensignals, sowie einen ersten digitalen Zähler (16) zur Ansteuerung des ersten Bustreibers (3) und einen zweiten digitalen Zähler (17) zur Ansteuerung des zweiten Bustreibers (6) aufweist, wobei der erste und der zweite digitale Zähler (16, 17) jeweils mit dem Pulsdetektor (15) verbunden sind.
Treiberschaltung (1) nach Anspruch 1, wobei das Signal (34) über eine erste Rückführungsleitung und eine erste Kapazität (9) zu einem Knotenpunkt (10) und das Komplementärsignal (35) über eine zweite Rückführungsleitung und eine zweite Kapazität (11) zu dem Knotenpunkt (10) zurückgeführt sind, wobei der Knotenpunkt (10) über eine Parallelschaltung eines Entladewiderstands (13) mit einer dritten Kapazität (12) mit einem Bezugspotential (14) verbunden ist, und wobei die Regeleinheit zum Abgreifen des Summensignals mit dem Knotenpunkt (10) verbunden ist.
Treiberschaltung (1) nach Anspruch 2, wobei der erste Bustreiber (3) und der zweite Bustreiber (6) jeweils eine Parallelschaltung von Transistorpaaren (25, 26, 27, 28) gleichen Typs als Leistungsstufe aufweist.
Treiberschaltung (1) nach Anspruch 3, wobei die Transistorpaare (25, 26, 27, 28) eines Bustreibers (3, 6) jeweils unterschiedliche Treiber-Stärken aufweisen.
Treiberschaltung (1) nach Anspruch 4, wobei die Treiber-Stärken der Transistorpaare (25, 26, 27, 28) binär gewichtet sind.
Treiberschaltung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Parallelschaltung des Entladewiderstandes (13) und der dritten Kapazität (12) mit einer Spannungsquelle (14) verbunden ist.
Treiberschaltung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die dritte Kapazität (12) und der Entladewiderstand (13) so dimensioniert sind, dass die Zeitkonstante für die Entladung der dritten Kapazität (12) kleiner als die Hälfte der minimal auftretenden Periodendauer des Signals (34) ist.
Treiberschaltung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die erste und die zweite Rückführungsleitung zur stromlosen Rückführung jeweils einen der jeweiligen Kapazität (9, 11) vorgeschalteten Operationsverstärker (21, 22) aufweisen.
Treiberschaltung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei diese auf einem Halbleiterchip ausgebildet ist und das Signal (34) über einen ersten Bonddraht und das Komplementärsignal (35) über einen zweiten Bonddraht jeweils von einem Kontaktpad des jeweiligen Bustreibers (3, 6) zu einem Anschlusspin des Halbleiterchips geleitet sind, und wobei das Signal (34) und Komplementärsignal (35) jeweils über einen separaten Bonddraht von dem jeweiligen Anschlusspin zu einem separaten Kontaktpad zurückgeführt sind.
Verfahren zum Übertragen von differentiellen Signalen mit einem Signal (34) und einem Komplementärsignal (35), welches die Schritte aufweist: – Abgreifen des Signals (34) und des Komplementärsignals (35) vor dem Einspeisen in entsprechende Leiter, und – Steuern der Flankensteilheit des Signals (34) und/oder des Komplementärsignals (35) in Abhängigkeit von einem aus dem Signal (34) und dem Komplementärsignal (35) gewonnenen Signal, wobei zur Erzeugung des aus dem Signal (34) und dem Komplementärsignal (35) gewonnenen Signals die erste zeitliche Ableitung des Signals (34) und die erste zeitliche Ableitung des Komplementärsignals (35) zu einem Summensignal addiert werden und das Summensignal einer Regeleinheit (12, 13, 15, 16, 17) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit einen Pulsdetektor (15) zur Auswertung des Summensignals, sowie einen ersten digitalen Zähler (16) zur Ansteuerung eines das Signal (34) erzeugenden ersten Bustreibers (3) und einen zweiten digitalen Zähler (17) zur Ansteuerung eines das Komplementärsignal (35) erzeugenden zweiten Bustreibers (6) aufweist.