DE102006041440A1 - CMOS-Ausgangstreiber - Google Patents

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Abstract

Es wird ein CMOS-Ausgangstreiber zur Ansteuerung einer kapazitiven Last über einen Leiterzug in Hochgeschwindigkeitsanwendungen bereitgestellt. Der CMOS-Ausgangstreiber umfasst einen Signaleingang und einen Signalausgang. Der Ausgangstreiber umfasst einen ersten Pufferverstärker mit einem Eingang, der mit dem Signaleingang verbunden ist, und einem Ausgang, der mit dem Signalausgang durch einen Widerstand verbunden ist. Es wird auch ein zweiter Pufferverstärker bereitgestellt, der einen Eingang, der mit dem Signaleingang verbunden ist, und einen Ausgang, der mit dem Signalausgang durch einen Serienkondensator verbunden ist, aufweist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen CMOS-Ausgangstreiber zur Ansteuerung einer kapazitiven Last über einen Leiterzug in Hochgeschwindigkeitsanwendungen.
  • Es gibt viele Anwendungen, in denen ein Ausgangstreiber eine hohe kapazitive Last über einen Leiterzug einer Leiterplatine (PWB) ohne Widerstandsabschluss ansteuern muss. in einem solchen Zustand tritt eine Signalreflektion auf, die Probleme mit der Signalintegrität aufwirft. Auf Grund von Verlustleistungsbegrenzungen ist es nicht zweckmäßig, das Problem mit einem angepaßten Abschlusswiderstand zu lösen.
  • Ein möglicher Ansatz zur Verbesserung der Signalintegrität in einer solchen Umgebung bestünde darin, einen Seriendämpfungswiderstand an dem Ausgangspuffer einzufügen. Dieser Ansatz ist dahingehend erfolgreich, dass er die Signalintegrität verbessert, aber er erhöht auf Grund der RC-Zeitkonstante, die sich aus dem Produkt des Wertes des Serienwiderstands und der Ausgangspufferimpedanz einerseits und der Summe aus kapazitiver Last und verteilter Leiterzugkapazität andererseits ergibt, auch die Signalanstiegs- und -abfallzeiten. Die RC-Zeitkonstante setzt die Maximalfrequenz des Systems, in dem der Ausgangspuffer verwendet wird, herab.
  • Die vorliegende Erfindung stellt einen CMOS-Ausgangstreiber zur Ansteuerung einer kapazitiven Last über einen Leiterzug bereit, der einen Verlust der Signalintegrität verhindert, ohne die Systemgeschwindigkeit zu beeinträchtigen. Der erfindungsgemäße CMOS-Treiber umfasst einen Signaleingang, einen Signalausgang und ein Paar Pufferverstärker. Der erste Pufferverstärker hat einen Eingang, der mit dem Signaleingang verbunden ist, und einen Ausgang, der mit dem Signalausgang durch einen Dämpfungswiderstand verbunden ist. Der zweite Pufferverstärker hat einen Eingang, der mit dem Signaleingang verbunden ist, und einen Ausgang, der mit dem Signalausgang durch einen Serienkondensator verbunden ist. Auf Grund der niedrigen Ausgangsimpedanz des zweiten Pufferverstärkers mit seinem Serienausgangskondensator zu dem Zeitpunkt einer plötzlichen Polaritätsänderung, d.h. in dem Augenblick des "Schaltens", der parallel mit dem ersten Pufferverstärker, der den Serienwiderstand aufweist, geschaltet ist, wird die Gesamtausgangsimpedanz des Treibers verringert, wodurch das Vorhandensein des Dämpfungswiderstands "versteckt" wird. Aber diese Verringerung der Gesamtausgangsimpedanz tritt nur kurz auf, da sie auf die kurze Schaltzeit begrenzt ist. Lediglich ein paar 100 ps nach dem Schalten (wenn der Serienkondensator im Wesentlichen geladen ist), ist die Ausgangsimpedanz des zweiten Pufferverstärkers hoch, und die sich daraus ergebende Gesamtausgangsimpedanz des Treibers wird hauptsächlich durch den Wert des Dämpfungswiderstands bestimmt. Das Ergebnis ist eine verbesserte Signalintegrität ohne einen nennenswerten Geschwindigkeitsverlust.
  • In der bevorzugten Ausführungsform stimmt der Widerstandswert des Dämpfungswiderstands mit der Impedanz des Leiterzugs überein, und die Kapazität des Kondensators stimmt mit der Kapazität der kapazitiven Last überein. Deshalb wird jegliches Überschwingen/Unterschwingen des Ausgangssignals in Bezug auf Versorgungs- und massesymmetrische Spannungen vermieden, wodurch der vorgeschlagene Treiber für rauscharme Anwendungen geeignet ist.
  • In der bevorzugten CMOS-Implementierung hat jeder Pufferverstärker eine Ausgangsstufe mit einem Paar in Reihe zwischen die Versorgungsschienen geschalteter komplementärer MOS-Transistoren. Das Gate jedes MOS-Transistors ist über einen Inverter mit dem Signaleingang verbunden. Dementsprechend können Standard-Schaltungsentwürfe verwendet werden, die in CMOS-Technologie leicht implementierbar sind.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der untenstehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und aus den beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
  • 1 ein Schaltbild eines CMOS-Ausgangstreibers gemäß der vorliegenden Erfindung; und
  • 2 einen Graphen, der die Ausgangssignale der beiden Ausgangspuffer in dem CMOS-Ausgangstreiber gemäß der Erfindung vergleicht.
  • Unter Bezugnahme auf 1 weist ein CMOS-Ausgangstreiber einen Eingangsanschluss IN auf, der betrieben werden kann, um ein Eingangsspannungssignal zu empfangen. Der Eingang IN ist mit dem Eingang in1 eines ersten Pufferverstärkers und mit dem Eingang in2 eines zweiten Pufferverstärkers so verbunden, dass der erste Pufferverstärker und der zweite Pufferverstärker parallel geschaltet sind. Jeder Pufferverstärker umfasst ein Paar Inverter INV 1 und INV 2 bzw. INV 3 und INV 4. Das Inverterpaar ist sowohl in dem ersten als auch in dem zweiten Pufferverstärker parallel geschaltet. Jeder Pufferverstärker umfasst ebenso zwei Transistoren, einen n-leitenden MOS-Transistor und einen p-leitenden MOS-Transistor, die gemeinsam ein komplementäres CMOS-Paar bilden.
  • In dem ersten Pufferverstärker ist der Eingang in1 mit dem Inverterpaar INV 1 und INV 2 verbunden. Der Eingang in1 ist mit dem Eingangsanschluss A1 des Inverters INV 1 sowie mit dem Eingangsanschluss A2 des Inverters INV 2 verbunden. Der Ausgang Y1 des Inverters INV1 ist mit dem Gate eines p-leitenden MOS-Transistors MP01 verbunden, und der Ausgang Y2 des Inverters INV 2 ist mit dem Gate eines n-leitenden MOS-Transistors MN02 verbunden. Die Drains des p-leitenden MOS-Transistors MP01 und des n-leitenden MOS-Transistors MN02 sind beide mit einem Anschluss eines Widerstands R0 verbunden, und der andere Anschluss des Widerstands R0 ist mit einem Ausgangsanschluss OUT des CMOS-Ausgangstreibers verbunden. Der Ausgangsanschluss OUT kann so betrieben werden, dass er ein Signal aus dem Ausgangstreiber ausgeben kann. Die Sourcen der Transistoren MP01 und MP02 sind mit den Spannungsversorgungen DVDD bzw. DVSS verbunden.
  • In dem zweiten Pufferverstärker ist der Eingang in2 mit dem Eingangsanschluss A3 des Inverters INV 3 und ebenfalls mit dem Eingangsanschluss A4 des Inverters INV 4 verbunden. Der Ausgang Y3 des Inverters INV 1 ist mit dem Gate eines p-leitenden MOS-Transistors MP03 verbunden, und der Ausgang Y4 des Inverters INV 4 ist mit dem Gate eines n-leitenden MOS-Transistors MN04 verbunden. Die Drains des p-leitenden MOS-Transistors MP03 und des n-leitenden MOS-Transistors MN04 sind beide mit einem Anschluss eines Kondensators C3 verbunden. Wie auch in dem ersten Pufferverstärker sind die Sourcen der Transistoren MP03 und MP04 mit den Spannungsversorgungen DVDD bzw. DVSS verbunden. Der andere Anschluss des Kondensators C3, der nicht mit den Drains der Transistoren MP03 bzw. MN04 verbunden ist, ist mit dem Ausgangsanschluss OUT des CMOS-Ausgangstreibers verbunden.
  • Somit ist der erste Pufferverstärker in Reihe mit einem Widerstand R0 geschaltet, und der zweite Pufferverstärker ist in Reihe mit einem Kondensator C3 geschaltet, wobei die Ausgänge beider Pufferverstärkerstufen parallel mit dem Ausgangsanschluss OUT des Ausgangstreibers so verbunden sind, dass das Ausgangssignal von dem Anschluss OUT eine Kombination aus den Ausgangssignalen von dem ersten Pufferverstärker und dem zweiten Pufferverstärker ist. Der Ausgangsanschluss OUT des Ausgangstreibers ist mit einer Last verbunden, die ein kapazitives Bauelement und keinen Abschlusswiderstand aufweist. Die Last wird durch die Signalausgabe des Ausgangstreibers über einen PWB-Leiterzug angesteuert. In diesem bestimmten Beispiel beträgt die Impedanz der durch den PWB-Leiterzug gebildeten Last circa 50 Ohm, und die kapazitive Last beträgt circa 30 pF. Die Ausgangsimpedanz des ersten Ausgangspuffers ergibt sich aus dem Produkt des Widerstandswerts im durchgeschalteten Zustand Ron der Transistoren MP01 und MN02 und dem Widerstandswert des Serienwiderstands R0. Der erste Ausgangspuffer sollte so konfiguriert sein, dass seine Ausgangsimpedanz mit der Impedanz des PWB-Leiterzugs so genau wie möglich übereinstimmt; d.h. die Ausgangsimpedanz des ersten Ausgangspuffers sollte circa 50 Ohm betragen. Des Weiteren sollte die Kapazität des Kondensators C3 in dem zweiten Pufferverstärker gleich der kapazitiven Last des PWB-Leiterzugs sein; d.h. 30 pF.
  • 2 setzt sich aus den Ausgangssignalen von dem ersten Pufferverstärker alleine (Output 1) und von den kombinierten Pufferverstärkern (Output 2) zusammen. Es ist ersichtlich, dass der Serienwiderstand R0 in dem ersten Pufferverstärker als Dämpfungswiderstand fungiert. Auf Grund der kapazitiven Last an dem Ausgang weist das Signal Output 1 einen erheblichen Anstieg auf. Dieser wird merklich durch den zweiten Pufferverstärker mit dessen Serienkondensator C3 kompensiert.
  • Der in dem zweiten Pufferverstärker bereitgestellte Serienkondensator C3 fügt dem Gesamtausgangssignal eine Signalkomponente hinzu, die die Wellenform des Ausgangssignals verbessert. Daher verringert der in Reihe mit dem Kondensator C3 geschaltete, zweite Pufferverstärker den nachteiligen Effekt der RC-Zeitkonstante von dem ersten Ausgangspuffer, da die beiden Signale Output 1 und Output 2 an dem Ausgang des Treibers OUT kombiniert werden. Das sich daraus ergebende Ausgangssignal an dem Ausgangsanschluss des Treibers OUT wird erheblich beschleunigt und hat eine erheblich schnellere Anstiegszeit als ein Pufferverstärker mit nur einem verwendeten Seriendämpfungswiderstand. Da der Serienkondensator jedoch einen niedrigen Wert aufweist, ist die niedrige Ausgangsimpedanz des zweiten Pufferverstärkers lediglich während der Schaltphase des Signals wirksam, so dass der Dämpfungseffekt durch den Dämpfungswiderstand nicht betroffen ist.
  • Da die RC-Zeitkonstante von dem Dämpfungsmechanismus des Serienwiderstands R0 in dem ersten Pufferverstärker verringert werden kann und das sich ergebende Ausgangssignal eine schnellere Übergangszeit aufweist, bietet dieser CMOS-Ausgangstreiber den Vorteil, dass höhere Frequenzwerte für die maximale Systemfrequenz verwendet werden können. Des Weiteren kann der Ausgangstreiber in CMOS-Technologie implementiert werden, und er bietet eine hohe Geschwindigkeit bei verringertem Stromverbrauch und auch bei geringerer Rauscherzeugung in dem PWB-Leiterzug.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung obenstehend unter Bezugnahme auf eine bestimmte Ausführungsform beschrieben wurde, ist diese nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, und dem Fachmann fallen zweifellos weitere Alternativen ein, die innerhalb des beanspruchten Schutzumfangs der Erfindung liegen.
  • Obwohl zum Beispiel in der oben beschriebenen Ausführungsform die Impedanz des ersten Pufferverstärkers mit der Impedanz des PWB-Leiterzugs übereinstimmt und die Kapazität des Kondensators C3 in dem zweiten Pufferverstärker mit der kapazitiven Last des PWB-Leiterzugs übereinstimmt, ist dies nicht wesentlich. Die Anpassung der Impedanzen und Kapazitäten ist jedoch für die Verringerung des mit dem Überschwingen der Versorgungsspannung bzw. dem Unterschwingen der massesymmetrischen Spannung verbundenen Rauschens vorteilhaft.

Claims (3)

  1. CMOS-Ausgangstreiber zur Ansteuerung einer kapazitiven Last über einen Leiterzug in Hochgeschwindigkeitsanwendungen, umfassend: – einen Signaleingang; – einen Signalausgang; – einen ersten Pufferverstärker mit einem Eingang, der mit dem Signaleingang verbunden ist, und einem Ausgang, der mit dem Signalausgang durch einen Widerstand verbunden ist; – einen zweiten Pufferverstärker mit einem Eingang, der mit dem Signaleingang verbunden ist, und einem Ausgang, der mit dem Signalausgang durch einen Kondensator verbunden ist.
  2. CMOS-Ausgangsstufe gemäß Anspruch 1, bei der der Widerstandswert des Dämpfungswiderstands mit der Impedanz des Leiterzugs übereinstimmt und die Kapazität des Kondensators mit der Kapazität der kapazitiven Last übereinstimmt.
  3. CMOS-Ausgangsstufe gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der jeder Pufferverstärker eine Ausgangsstufe mit einem Paar zwischen Versorgungsschienen in Reihe geschalteter komplementärer MOS-Transistoren aufweist, wobei die Gates beider MOS-Transistoren jeweils durch einen Inverter mit dem Signaleingang verbunden sind.
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