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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Empfängerschaltung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und eine Transceiverschaltung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 3.
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Steuergeräte, Sensorik und Aktuatorik insbesondere eines Kraftfahrzeugs oder Nutzfahrzeugs sind oftmals mit Hilfe eines Kommunikationssystems, wie das unter der Bezeichnung „FlexRay“ bekannte Bussystem, miteinander verbunden. Der Kommunikationsverkehr auf dem Bussystem, Zugriffs- und Empfangsmechanismen, sowie Fehlerbehandlung werden über ein Protokoll geregelt. Bei FlexRay handelt es sich um ein schnelles, deterministisches und fehlertolerantes Bussystem, insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen. Das FlexRay-Protokoll arbeitet nach dem Prinzip des Time Division Multiple Access (TDMA), wobei den Teilnehmern bzw. den zu übertragenden Botschaften feste Zeitschlitze zugewiesen werden, in denen sie einen exklusiven Zugriff auf die Kommunikationsverbindung haben. Die Zeitschlitze wiederholen sich dabei in einem festgelegten Zyklus, so dass der Zeitpunkt, zu dem eine Botschaft über den Bus übertragen wird, exakt vorausgesagt werden kann und der Buszugriff deterministisch erfolgt.
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Um die Bandbreite für die Übertragung von Botschaften auf dem Bussystem optimal zu nutzen, unterteilt FlexRay den Zyklus in einen statischen und einen dynamischen Teil. Die festen Zeitschlitze befinden sich dabei im statischen Teil am Anfang eines Buszyklusses. Im dynamischen Teil werden die Zeitschlitze dynamisch vorgegeben. Darin wird nun der exklusive Buszugriff jeweils nur für eine kurze Zeit, für die Dauer mindestens eines sogenannten Minislots, ermöglicht. Nur wenn innerhalb eines Minislots ein Buszugriff erfolgt, wird der Zeitschlitz um die benötigte Zeit verlängert. Damit wird Bandbreite also nur verbraucht, wenn sie auch tatsächlich benötigt wird. Dabei kommuniziert FlexRay über eine oder zwei physikalisch getrennte Leitungen mit einer Datenrate von jeweils maximal 10 Mbit/sec. FlexRay kann auch mit niedrigeren Datenraten betrieben werden. Mittels der Leitungen realisierte Kanäle entsprechen dabei der Bitübertragungsschicht, insbesondere des sogenannten OSI (Open System Architecture) Schichtenmodells. Die Verwendung zweier Kanäle dient hauptsächlich der redundanten und damit fehlertoleranten Übertragung von Botschaften, es können jedoch auch unterschiedliche Botschaften übertragen, wodurch sich dann die Datenrate verdoppeln würde. Üblicherweise werden die Botschaften mit Hilfe eines differentiellen Signals übertragen, das heißt das über die Verbindungsleitungen übertragene Signal ergibt sich aus der Differenz von über die beiden Leitungen übertragenen Einzelsignalen. Die im Schichtenmodell über der Bitübertragungsschicht liegende Schicht ist derart ausgestaltet, dass eine elektrische oder ein optische Übertragung des oder der Signale über die Leitung(en) oder eine Übertragung auf anderem Wege möglich ist.
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Bekannte Transceiverschaltungen für das FlexRay-Kommunikationssystem weisen üblicherweise eine an die Leitung des Busses angeschlossene Empfängerschaltung zum Empfangen eines auf der Leitung vorhandenen differenziellen Bussignals auf. Die bekannten Empfängerschaltungen umfassen einen Komparator, dessen Eingänge mit einem Adernpaar der Leitung verbunden sind. Bei den bekannten Empfängerschaltungen sind Anforderungen, was einen Offset am Komparator angeht, sehr hoch. Um diese Forderungen zu erfüllen, weist dieser üblicherweise in einem Halbleiterchip angeordnete Komparator sehr große Eingangstransistoren auf, die hinreichend gute Paarungseigenschaften haben. Die Größe der Eingangstransistoren der bekannten Empfängerschaltung führt zu hohen parasitären Kapazitäten, die wiederum den Komparator langsam machen.
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Des Weiteren sind differentielle Komparatoren mit einer Rückführung eines Ausgangssignals allgemein bekannt. Diese haben ungünstigerweise eine von einem Ausgangshub der Komparatoren abhängige Hysterese.
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Bei bekannten Komparatoren sind Schaltschwellen in der Regel von einer Verstärkung innerhalb eines Signalweges zwischen einem Verstärker des Komparators und einem dem Verstärker nachgeschalteten Inverter beeinflusst. Dieser Einfluss beträgt typischerweise einige Millivolt. Der Einfluss wird bei bekannten Komparatoren durch Simulation des nichtlinearen Schaltungsverhaltens berücksichtigt. Einen Temperaturgang und eine Technologieabhängigkeit dieses Einflusses muss bei den bekannten Komparatoren in Kauf genommen werden.
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Die bekannten Empfängerschaltungen eignen sich praktisch nicht für einen Einsatz in Verbindung mit einem Flexray-Kommunikationssystem. Denn die Spezifikation der Bitübertragungsschicht des Flexray-Kommunikationssystems verlangt nahezu gleiche Laufzeiten innerhalb des Empfängers für eine steigende Flanke und eine fallende Flanke des Eingangssignals. Die zugelassenen Laufzeitunterschiede betragen lediglich +/-5ns.
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Die
US 2004/0208265 A1 offenbart eine Empfängerschaltung mit einem Schmitt-Trigger und einem Differenzverstärker zum Verstärken eines Eingangssignals.
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Die
DE 197 04 782 A1 offenbart eine Schmitt-Trigger-Schaltung mit einer Schalt-Hysterese umfassend geschaltete Stromquellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Empfängerschaltung bereit zu stellen, die für die steigende Flanke als auch für die fallende Flanke eines Eingangssignals möglichst dieselbe Laufzeit aufweist.
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Die Aufgabe wird durch eine Empfängerschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Transceiverschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Ein Kerngedanke der Erfindung besteht also darin, das von der Abschwächerschaltung gedämpfte Eingangssignal mittels eines als Differenzverstärker ausgebildeten Vorverstärkers zu verstärken und das verstärkte Eingangssignal dem Komparator zuzuleiten. Da das verstärkte Eingangssignal eine relativ große Amplitude aufweist, kann in der Empfängerschaltung ein relativ schnellerer und dafür vergleichsweise ungenauer Komparator verwendet werden. Wegen des größeren Signals an einem Eingang des am Komparators können also höhere Schaltgeschwindigkeiten erzielt werden (höherer „Overdrive“ am Eingang).
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Dadurch, dass der Differenzverstärker einen differentiellen Ausgang mit zwei Anschlüssen für ein differentielles Signal aufweist, werden Laufzeitfehler innerhalb des Differenzverstärkers, insbesondere Abweichungen zwischen einer Laufzeit einer steigenden Flanke des Eingangssignals und einer Laufzeit einer fallenden Flanke des Eingangssignals, ausgeglichen. Durch Verwendung von Stromreferenzen in Form der geschalteten Stromquellen ist eine Hysterese des Komparators unabhängig von einem Signalhub eines Signals an einem Ausgang des Komparators.
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Die erfindungsgemäße Empfängerschaltung kann besonders vorteilhaft als eine Empfängerschaltung für eine FlexRay-Transceiverschaltung ausgeführt werden. Ein an Busanschlüssen einer FlexRay-Busleitung anliegendes Signal weist relativ geringe Signalpegel auf, und die Bitraten an den Busanschlüssen sind relativ hoch. Hieraus ergeben sich insbesondere hinsichtlich Fertigungstoleranzen hohe Anforderungen an die Empfängerschaltung. Ohne den erfindungsgemäß vorgesehenen Vorverstärker würde sich die Empfängerschaltung unter Anwendung einer gängigen Halbleitertechnologie nur bei Inkaufnahme von hohen Ausschussanteilen fertigen lassen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in welcher exemplarische Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:
- 1 ein Bussystem mit einem Knoten der eine Transceiverschaltung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform aufweist;
- 2 eine Empfängerschaltung der Transceiverschaltung aus 1;
- 3 einen differentiellen Komparator der Empfängerschaltung aus 2;
- 4 eine Darstellung der Auswirkung unterschiedlicher Flanken bei einer bekannten Single-Ended- Empfängerschaltung; und
- 5 eine Darstellung ähnlich 4, jedoch bei der erfindungsgemäßen Empfängerschaltung.
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1 zeigt ein Bussystem 11, an das mehrere Knoten 13 angeschlossen sind. Bei dem Bussystem 11 kann es sich um ein FlexRay-Kommunikationssystem handeln, und somit kann das Bussystem 11 gemäß den Spezifikationen des FlexRay-Konsortiums aufgebaut sein.
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Die einzelnen Knoten 13 sind über Busleitungen 15 entweder direkt oder indirekt über einen Sternkoppler 17 miteinander verbunden. Jede Busleitung 15 ist als Kabel mit mindestens einem Adernpaar bestehend aus zwei Adern 19, die jeweils einen elektrischen Leiter bilden, ausgebildet. Das Bussystem 11 weist somit einen Kanal zum Übertragen von Daten auf, der durch die Adern 19 des Adernpaars gebildet wird. In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann das Bussystem 11 mehrere Kanäle, vorzugsweise zwei Kanäle, aufweisen, welche durch zwei voneinander getrennte Adernpaare ausgeführt sind (nicht gezeigt). Durch die Verwendung von zwei Kanälen kann die Nutzdatenrate von Datenübertragungen zwischen den Knoten 13 durch Übertragung unterschiedlicher Daten über die beiden Kanäle erhöht werden. Da das Bussystem bei einem Defekt an einem der beiden Adernpaare weiterarbeiten kann, ergibt sich eine höhere Ausfallsicherheit des Bussystems 11.
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Jeder Knoten 13 weist eine Transceiverschaltung 21, die vorzugsweise als eine integrierte Schaltung ausgebildet ist, auf. Ein erster Busanschluss BP und ein zweiter Busanschluss BM der Transceiverschaltung 21 sind jeweils mit einer der Adern 19 einer der Busleitungen 15 verbunden.
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Die Transceiverschaltung 21 weist eine Empfängerschaltung 23 zum Empfangen von Daten über die Busleitung 15 sowie eine Senderschaltung 25 zum Senden von Daten über diejenige Busleitung 15, an die der Knoten 13 angeschlossen ist, auf. Sowohl die Empfängerschaltung 23 als auch die Senderschaltung 25 sind innerhalb der Transceiverschaltung 21 mit den beiden Busanschlüssen BP und BM verbunden. Sowohl die Empfängerschaltung 23 als auch die Senderschaltung 25 sind zum Übertragen eines differentiellen digitalen Signals über das Adernpaar der an die entsprechende Transceiverschaltung 21 angeschlossenen Busleitung 15 eingerichtet.
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Die Transceiverschaltung 21 weist außerdem eine Logikeinheit 27 auf, die mit der Empfängerschaltung 23 und mit der Senderschaltung 25 gekoppelt ist. Die Logikeinheit 27 weist Anschlüsse zum Anschließen der Transceiverschaltung 21 an eine beispielsweise von einem Mikrocontroller 31 oder einen Mikrocomputer gebildeten Steuerschaltung auf. Diese Anschlüsse bzw. daran angeschlossene Leitungen bilden eine Schnittstelle 29 zwischen der Transceiverschaltung 21 und der Steuerschaltung bzw. dem Mikrocontroller 31.
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Der Mikrocontroller 31 weist einen Kommunikationscontroller 33 zum Steuern von Kommunikationsvorgängen zwischen den Knoten 13 über die Busleitung 15 auf. Der Kommunikationscontroller 33 ist zum Steuern der Kommunikationsvorgänge gemäß den Protokollen des Bussystems 11, insbesondere zum Ausführen von Medienzugriffsverfahren des Bussystems 11 eingerichtet. Der Kommunikationscontroller 33 kann außerdem zum Berechnen von Prüfsummen von über die Busleitung 15 zu übertragenen Datenrahmen beispielsweise nach dem CRC-Verfahren und/oder zum Überprüfen der Prüfsummen der empfangenen Datenrahmen eingerichtet sein.
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Als Schnittstellenleitungen sind insbesondere eine Leitung RxD zum Übertragen von Daten, die die Transceiverschaltung 21 über die Busleitung 15 empfangen hat, von der Transceiverschaltung 21 zu dem Kommunikationscontroller 33 sowie eine Leitung TxD zum Übertragen von Daten, die die Transceiverschaltung 21 über die Busleitung 15 senden soll, von dem Kommunikationscontroller 33 zu der Transceiverschaltung 21 vorgesehen. Die Schnittstelle 29 umfasst außer den beiden Leitungen RxD und TXD auch weitere Leitungen 34, die beispielsweise dem Austausch von Steuerinformationen zwischen dem Kommunikationscontroller 33 und der Transceiverschaltung 21 dienen.
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Der Mikrocontroller 31 weist einen Rechenkern 35, Speicher 37 (Arbeitsspeicher und/oder Festwertspeicher) sowie Ein- und Ausgabeeinrichtungen 39 auf. Der Mikrocontroller 31 kann zum Ausführen von weiterer Protokollsoftware und/oder von Anwendungsprogrammen eingerichtet sein kann.
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In der gezeigten Ausführungsform ist der Kommunikationscontroller 33 in den Mikrocontroller 31 integriert. Abweichend hiervon ist in einer nicht gezeigten Ausführungsform der Kommunikationscontroller 33 als eine von dem Mikrocontroller 31 getrennte Schaltung, vorzugsweise als eine integrierte Schaltung, ausgebildet.
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2 zeigt die Empfängerschaltung 23 im Detail. Die beiden Busanschlüsse BP und BM zum Anschließen eines differentiellen Eingangssignals 59 sind mit einer Abschwächerschaltung 61 verbunden. Ausgänge der Abschwächerschaltung 61 sind mit zwei Eingängen eines Differenzverstärkers 63, der beispielsweise als ein Operationsverstärker ausgebildet sein kann, verbunden. Der Differenzverstärker 63 weist zwei Ausgänge für ein differenzielles Zwischensignal 64 auf. Einer der beiden Ausgänge ist mit einem nicht invertierenden Eingang eines Komparators 65 der Empfängerschaltung 23 verbunden. Der andere Ausgang des Differenzverstärkers 63 ist an einen invertierenden Eingang des Komparators 65 angeschlossen. Ein Ausgang des Komparators bildet einen mit DATA bezeichneten Datenausgang der Empfängerschaltung 23 zum Ausgeben eines digitalen Signals. Der Datenausgang DATA kann beispielsweise mit der Logikeinheit 27 der Transceiverschaltung 21 verbunden sein.
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Die Abschwächerschaltung 61 weist einen ersten Spannungsteiler 67 auf, der durch eine Serienschaltung von zwei Widerständen R1 und R2 gebildet ist und dessen äußere Enden zwischen dem ersten Busanschluss BP und einer Masseleitung 69 angeordnet sind. Ein Mittelabgriff des ersten Spannungsteilers 67 ist mit einem Eingang, beispielsweise einen nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 63, verbunden. Zwei weitere Widerstände R3 und R4 bilden einen zweiten Spannungsteiler 71, der mit äußeren Enden zwischen dem zweiten Busanschluss BM und der Masseleitung 69 angeordnet ist. Bei der Masseleitung 69 kann es sich um eine virtuelle Masse handeln. Ein Mittelabgriff des zweiten Spannungsteilers 71 ist mit einem weiteren Eingang des Differenzverstärkers 63, beispielsweise einem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 63, verbunden.
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3 zeigt den Aufbau des Komparators 65. Der Komparator 65 weist einen weiteren Differenzverstärker oder Operationsverstärker 73 auf, der zum Erzeugen einer Hysterese des Komparators 65 mittels geschalteter Stromquellen rückgekoppelt ist. Der nicht invertierende Eingang BP_INT des Komparators 65 ist über einen Widerstand R1 an einen nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 73 angeschlossen. In entsprechender Weise ist der nicht invertierende Eingang BM_INT des Komparators 65 über einen Widerstand R2 an einen nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 73 angeschlossen. Zwischen einer ersten Versorgungsspannungsleitung 79 und einer zweiten Versorgungsspannungsleitung 81 ist eine erste Serienschaltung 83 aus einer ersten geschalteten Stromquelle 85 und einer zweiten geschalteten Stromquelle 87 angeordnet. Ein mittlerer Anschluss 89 der ersten Serienschaltung 83 ist mit dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 73 verbunden. Die erste geschaltete Stromquelle 85 umfasst ein Stromquellenelement I1 und ein durch elektrische Ansteuerung ein- und ausschaltbares Schaltelement SW1. Dementsprechend umfasst die zweite geschaltete Stromquelle 87 ein weiteres Stromquellenelement 13, das mit einem weiteren elektrisch ansteuerbaren Schaltelement SW3 in Serie geschaltet ist.
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Ferner weist der Komparator 65 eine zweite Serienschaltung 91 auf, die zwischen der Versorgungsspannungsleitung 79 und der zweiten Versorgungsspannungsleitung 81 angeordnet ist. Die zweite Serienschaltung 91 umfasst eine dritte geschaltete Stromquelle 93 und eine vierte geschaltete Stromquelle 95. Die dritte geschaltete Stromquelle 93 bzw. die vierte geschaltete Stromquelle 95 ist als eine Serienschaltung eines Stromquellenelements I2 bzw. I4 mit einem elektrisch ansteuerbaren Schaltelement SW2 bzw. SW4 realisiert. Ein mittlerer Anschluss 96 der zweiten Serienschaltung 91 ist mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 73 verbunden. Die beiden Serienschaltungen 83, 91 weisen denselben Aufbau auf.
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Die Schaltelemente SW1, SW2, SW3, SW4 weisen jeweils einen Steuereingang für ein digitales Ansteuersignal auf. Die Schaltelemente SW1, SW2, SW3, SW4 sind geschlossen, wenn das entsprechende Ansteuersignal einen hohen Pegel (high) aufweist.
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Der Eingang des Schaltelements SW1 der ersten geschalteten Stromquelle 85 sowie der Eingang des Schaltelements SW4 der vierten geschalteten Stromquelle sind mit einem Ausgang des Operationsverstärkers 73 verbunden. An dem Ausgang des Operationsverstärkers 73 ist außerdem ein Inverter 97 angeordnet. Ein Ausgang des Inverters 97 ist mit dem Steuereingang des Schaltelements SW2 der dritten geschalteten Stromquelle 93 und mit dem Steuereingang des Schaltelements SW3 der zweiten geschalteten Stromquelle 87 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 73 bildet zudem den Datenausgang DATA der Empfängerschaltung 23.
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Beim Betrieb der Empfängerschaltung 23 wird das Eingangssignal 59 über die Anschlüsse BP und BM der Abschwächerschaltung 61 zugeleitet. Die Abschwächerschaltung 61 hat die Aufgabe die Signale, die sich außerhalb eines Gleichtaktbereichs der nachfolgenden Schaltungen, insbesondere des Differenzverstärkers 63, befinden, so weit abzuschwächen, dass eine Verarbeitung insbesondere im Gleichtaktbereich dieser nachfolgenden Schaltungen möglich ist. Durch das Abschwächen des Eingangsignals 59 wird also sichergestellt, dass Signalpegel an den Eingängen des Differenzverstärkers 63 stets in dessen Arbeitsbereich liegen. Das führt zu einem Nutzsignalpegel an den Eingängen des Differenzverstärkers 63 von nur wenigen 10mV. Die kleinen Signalpegel sind mit einem Komparator nicht direkt auswertbar, da bereits geringste Offsets von wenigen mV Fehler von über 10% erzeugen können.
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Das durch die Abschwächerschaltung 61 gedämpfte Signal gelangt zu dem Differenzverstärker 63. Der zumindest weitgehend lineare Differenzverstärker 63 verstärkt den differentiellen Anteil des gedämpften Eingangssignals so weit, dass die Auswertung beispielsweise mit einem Komparator mit hoher Hysterese (und somit hinreichender Genauigkeit) möglich ist. Der Differenzverstärker 63 muss eine über einen gesamten für den Betrieb der Empfängerschaltung 23 bzw. der Transceiverschaltung 21 vorgesehenen Temperaturbereich stabile Verstärkung haben. Die Verstärkung des Differenzverstärkers 63 sollte möglichst unabhängig von Technologiestreuungen sein. Die erforderliche -3dB-Bandbreite des Differenzverstärkers 63 beträgt vorzugsweise ca. 50 bis 100MHz. Viele Verstärker haben im Rechteckbetrieb üblicherweise unterschiedliche Laufzeiten für steigende und fallende Flanken (unterschiedliche Werte für dV/dt am Ausgang). Aus diesem Grund ist der Differenzverstärker 63 mit dem differentiellen Ausgang aufgebaut.
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Das vom Differenzverstärker 63 vorverstärkte Eingangssignal wird dem Komparator 65 zugeleitet. Der Komparator 65 ermittelt aus dem verstärkten Signal einen logischen Zustand des Eingangssignals 59 und stellt diesen an seinem Ausgang in Form des Signals DATA den anderen Teilen der Transceiverschaltung 21 zur Verfügung.
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Um unabhängig von unterschiedlichen Flankensteilheiten am Ausgang des Differenzverstärkers 63 zu sein, ist der Differenzverstärkers 63 mit einem differentiellen Ausgang aufgebaut. Aufgrund des vollständig differentiellen Aufbaus ist die Empfängerschaltung 23 unabhängig von Steilheitsunterschieden der steigenden und fallenden Flanke.
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Durch den in 3 dargestellten voll differentiellen Aufbau des Komparators 65 werden Laufzeitunterschiede zwischen einer Laufzeit einer steigenden Flanke und einer Laufzeit einer fallenden Flanke des Eingangssignals 59 innerhalb Empfängerschaltung 23 zumindest weitgehend vermieden.
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Die Hysterese des Komparators 65 wird durch die geschalteten Stromquellen 85, 87, 93, 95 erzielt. Es ist bevorzugt, dass die Ströme I1 bis 14 durch die einzelnen Stromquellen 85, 87, 93, 95 gleich sind und die Widerstände R1 und R2 denselben Wert aufweisen. Jedoch ist es auch denkbar, dass ungleiche Ströme I1 bis I4 und/oder Widerstände R1 und R2 gewählt werden, wodurch asymmetrische Hysteresen erzeugt werden können.
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Die Hysterese errechnet sich zu:
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4 zeigt die Auswirkung unterschiedlicher Flanken bei einer bekannten Single-Ended-Empfängerschaltung. Eine Laufzeit tdrise der steigenden Flanke des Eingangssignals 59 ist deutlich kürzer als eine Laufzeit tdfall der fallenden Flanke des Eingangssignals 59.
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Dahingegen sind - wie aus 5 ersichtlich - bei der erfindungsgemäßen Empfängerschaltung 23 die beiden Laufzeiten tdrise und tdfall gleich. Dies wird durch den vollständig differentiellen Betrieb der Empfängerschaltung 23 erreicht.
