DE10350628B4

DE10350628B4 - Integrierte Signalverlust-Erkennung mit großem Schwellwertbereich und präziser Hysterese

Info

Publication number: DE10350628B4
Application number: DE10350628.4A
Authority: DE
Inventors: Andreas Bock
Original assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Current assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Priority date: 2003-10-29
Filing date: 2003-10-29
Publication date: 2017-12-14
Anticipated expiration: 2023-10-30
Also published as: US7176726B2; TW200520377A; DE10350628A1; JP2005136999A; US20050093582A1

Abstract

Signalverlust-Detektor, umfassend:
einen Verstärker mit einem steuerbaren Verstärkungsfaktor, wobei der steuerbare Verstärkungsfaktor einen ersten Wert und mindestens einen zweiten Wert annehmen kann, wobei der erste Wert größer als der zweite Wert ist,
einen Schwellwertkomparator, der mit einem Ausgang des Verstärkers und einer Referenzsignalquelle gekoppelt ist, wobei ein Ausgang des Schwellwertkomparators als Anzeige eines Signalverlustanzeigesignals mit einem Eingang des Verstärkers gekoppelt ist,
einen Gleichrichter und einen Tiefpassfilter, die zwischen dem Schwellwertkomparator und dem Ausgang des Verstärkers gekoppelt sind, und
eine Verstärkungssteuerung, die zwischen dem Ausgang des Schwellwertkomparators und dem Verstärker gekoppelt ist,
wobei, falls der Verstärker den ersten Wert des Verstärkungsfaktors aufweist und ein Signal des Ausgangs des Verstärkers unter ein Referenzsignal der Referenzsignalquelle fällt, die Verstärkungssteuerung den Verstärkungsfaktor in den zweiten Wert des Verstärkungsfaktors umschaltet, und wobei, falls der Verstärker den zweiten Wert des Verstärkungsfaktors aufweist und ein Signal des Ausgangs des Verstärkers ein Referenzsignal der Referenzsignalquelle übersteigt, die Verstärkungssteuerung den Verstärkungsfaktor in den ersten Wert des Verstärkungsfaktors umschaltet.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Signalverlust-Detektor in einer integrierten Signalverarbeitungsschaltung.
Die Erkennung von Signalverlusten (LOS) stellt in integrierten Signalverarbeitungsschaltungen eine normale Funktion dar. Die LOS-Erkennung wird normalerweise mit einem Signaldetektor bewerkstelligt, der den Signalpegel mit dem Pegel eines Referenzsignals vergleicht. Um ein Hin-und-Her-Schalten zu vermeiden, wird der Signaldetektor mit einer Hysterese zwischen dem Schwellwertpegel, bei dem das Signal als verloren deklariert wird, dem Bestätigungsschwellwert, und dem Schwellwertpegel, bei dem das Signal als vorhanden deklariert wird, dem Nichtbestätigungsschwellwert, versehen. Die Implementierung zweier verschiedener Schwellwertpegel führt zu anspruchsvollen technischen Bedingungen, hauptsächlich im Hinblick auf einen linearen Arbeitsbereich für die Signalerkennungsschaltungen.
US 6,489,803 B1 offenbart einen Signalverlust-Detektor mit einem Signalkonditionierungsblock, einem Verstärker, einem Multiplexer und einem digitalen Steuerblock. Die Schaltung sieht die Verwendung von zwei verschiedenen Hysteresekurven in Abhängigkeit des Schwellwertpegels vor. Mit dem Schwellwertpegel wird der Offset des Verstärkers verstellt.
US 5 117 201 A offenbart eine Schaltung zur automatischen Verstärkungsregelung in MOS-Technik, die über einen digital einstellbaren Verstärker ein analoges Signal, insbesondere ein Audiosignal, auf einen konstanten Amplitudenwert regelt. Durch die Schaltung zur automatischen Verstärkungsregelung kann beispielsweise die Aussteuerkennlinie eines Analog/Digital-Umsetzers weitgehend ausgenutzt werden, so dass die Auflösung des digitalisierten Signals möglichst hoch wird.
Die vorliegende Erfindung bietet einen Signalverlust-Detektor, der in einem großen Schwellwertumfang mit einer präzisen Hysterese funktioniert, obwohl die Anforderungen an die Leistungsmerkmale des Signaldetektors moderat sind.
Genauer gesagt, bietet die vorliegende Erfindung einen Signalverlust-Detektor (LOS-Detektor), der einen Verstärker mit variabler Verstärkung umfasst, wobei die Verstärkung zumindest einen ersten und einen zweiten Wert annehmen kann, wobei der erste Wert höher als der zweite Wert ist. Zusätzlich weist der Verstärker einen Eingang auf, der ein Eingangssignal empfängt und einen Schwellwertkomparator mit einem ersten Eingang, der ein von einem Ausgang des Verstärkers abgeleitetes Signal empfängt, einem zweiten Eingang, der einen Referenzpegel einer Referenzsignalquelle empfängt, und einem Ausgang, der ein Signalverlustanzeigesignal an den Verstärker liefert, auf. Der Verstärker mit variabler Verstärkung umfasst einen Verstärkungseinstelleingang, der ein vom Ausgang des Schwellwertkomparators abgeleitetes Verstärkungseinstellsignal als Verstärkungssteuerung empfängt. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers wird auf den zweiten Wert umgeschaltet, falls der Verstärker den ersten Wert des Verstärkungsfaktors aufweist und ein Signal des Ausgangs des Verstärkers unter ein Referenzsignal der Referenzsignalquelle fällt. Im Gegensatz dazu wird der Verstärkungsfaktor des Verstärkers auf den ersten Wert umgeschaltet, falls der Verstärker den zweiten Wert des Verstärkungsfaktors aufweist und ein Signal des Ausgangs des Verstärkers ein Referenzsignal der Referenzsignalquelle übersteigt.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich. In den Zeichnungen:
stellt 1 ein schematisches Diagramm dar, das den Grundaufbau eines Signalverlust-Detektors aufzeigt;
2a stellt ein Signaldiagramm dar, das eine herkömmliche Signalverlustentscheidung mit zwei Pegeln aufzeigt;
2b stellt ein Signaldiagramm dar, das eine Signalverlustentscheidung mit einem Pegel gemäß der Erfindung aufzeigt;
3a zeigt eine Übertragungsfunktion eines Gleichrichters in einem Signaldetektor mit zwei Entscheidungspegeln;
3b zeigt eine Übertragungsfunktion eines Gleichrichters in einem Signaldetektor mit nur einem Entscheidungspegel;
4 stellt ein schematisches Schaltbild eines Gleichrichters in einem Signaldetektor für hohe Datenraten und Betrieb mit niedriger Versorgungsspannung dar;
5 stellt ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des Signalverlust-Detektors dar;
6 stellt ein schematisches Schaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Signalverlust-Detektors dar;
7 stellt ein Schaltbild eines Verstärkers mit umschaltbarem Verstärkungsfaktor dar, der im bevorzugten Ausführungsbeispiel des Signalverlust-Detektors verwendet wird;
8a stellt ein Diagramm dar, das die Übertragungsfunktion eines emitterentarteten Differentialverstärkers mit einer festgelegten Emitterentartung aufzeigt; und
8b stellt ein Diagramm dar, das die Übertragungsfunktion eines emitterentarteten Differentialverstärkers mit einer geschalteten Emitterentartung für die Verwendung im erfinderischen Signalverlust-Detektor aufzeigt.
Bezug nehmend auf 1 umfasst ein Signalverlust-Detektor (LOS-Detektor) einen Verstärker AGC mit einstellbarer Verstärkung, der einen Eingang aufweist, der ein Eingangssignal empfängt. Der Ausgang des Verstärkers AGC ist mit dem Eingang des Signaldetektors SD verbunden. Der erste Eingang eines Schwellwertkomparators TC ist mit dem Ausgang des Verstärkers AGC verbunden, und ein zweiter Eingang ist mit einer Referenzsignalquelle V_REF verbunden. Ein Ausgang des Komparators TC ist mit einem T-Eingang eines Speicherkreises M verbunden. Ein Q-Ausgang eines Speicherkreises M liefert ein Signalverlustanzeigesignal LOS. Ein erster Verstärkungssteuereingang des Verstärkers AGC ist mit einer externen Komponente verbunden, und ein zweiter Verstärkungssteuereingang ist mit dem Q-Ausgang des Speicherkreises M verbunden.
Im Betrieb vergleicht der Schwellwertkomparator TC das Ausgangssignal des Signaldetektors SD mit dem Referenzpegel V_REF. Das sich ergebende Ausgangssignal wird im Speicherkreis M als LOS-Anzeigesignal gespeichert. Das LOS-Anzeigesignal wird auch verwendet, um den Verstärkungsfaktor des Verstärkers AGC zwischen einem niedrigeren und einem höheren Wert umzuschalten, wie später mit Bezug auf 2b erklärt wird. Der Signalverlust-Detektor besitzt nur einen Entscheidungspegel für beide Entscheidungen, die Bestätigungsentscheidung und die Nichtbestätigungsentscheidung. Folglich können die Anforderungen an die Leistungsmerkmale des Signaldetektors reduziert werden, hauptsächlich im Hinblick auf den linearen Arbeitsbereich. Das Umschalten des Verstärkungsfaktors des Verstärkers AGC führt auch zu einem größeren abstimmbaren Schwellwertbereich für dieselbe Grundverstärkung während der LOS-Bestätigungsentscheidung. Da der einzelne Entscheidungspegel sich in einem linearen Bereich der Übertragungsfunktion des Signaldetektors befindet, wird eine präzise Hysterese erreicht. Schließlich wird, da lediglich ein Komparator benötigt wird, die benötigte Fläche auf dem Chip verringert, genau so wie die Leistungsaufnahme.
2a zeigt das Eingangssignal des Signaldetektors, wie es in einer gewöhnlichen Architektur angetroffen wird (kein Umschalten des Verstärkungsfaktors des Verstärkungspfades). Damit eine genügend hohe Amplitude an den Eingang des SD geliefert wird, muss das Signal zuerst verstärkt werden.
Wenn Regelverstärker für diese Verstärkung verwendet werden, kann die Spannung V_IN am SD Eingang in Relation zu den Bestätigungs- und Nichtbestätigungsschwellwerten (einstellbarer Schwellwert) umgeschaltet werden.
In 2a beginnt das Eingangssignal mit einem Pegel über dem Bestätigungsschwellwert, fällt dann unter diesen Bestätigungsschwellwert, um schließlich über einen zweiten, höheren Schwellwert, den Nichtbestätigungsschwellwert zu steigen.
Wenn die Signalverstärkung unter den Bestätigungsschwellwert fällt, wird der LOS-(Signalverlust-)Zustand angezeigt. Um ein Störsignal am LOS-Ausgang zu vermeiden, wird dieser Zustand nicht zurückgesetzt, bis wieder ein höherer Schwellwertpegel als der Bestätigungspegel erreicht ist. Dies ist der Nichtbestätigungspegel. Das Verhältnis zwischen Nichtbestätigungs- und Bestätigungspegel wird als Hysterese bezeichnet/definiert.
2b zeigt dasselbe Szenario für die neue Architektur (mit Umschalten des Gesamtverstärkungsfaktors der VGAs). Wenn das Signal unter den Entscheidungspegel (Bestätigungs-Detektionszustand) fällt, wird der LOS-Zustand angezeigt, und der Verstärkungsfaktor des/der Verstärker (hier VGA) wird um die Menge der gewünschten Hysterese verringert. Folglich muss das Signal nun wieder eine höhere Amplitude (Nichtbestätigung) erreichen, um den Entscheidungspegel wieder zu überschreiten (Nichtbestätigungs-Detektionszustand). Der Zustand wird dann auf Bestätigungsdetektion zurückgeschaltet. Dies bedeutet, dass notLOS angezeigt wird und der Verstärkungsfaktor des/der Verstärker wieder erhöht wird.
Anforderungen an den Signaldetektor SD
Im Allgemeinen gibt es zwei Ansätze, um Signalamplituden zu detektieren. Der erste ist die Verwendung eines Spitzendetektors. Der Anstieg des Signals wird verfolgt, und der höchste Wert wird festgehalten. Für niedrigere Datenraten und/oder längere Sequenzen von aufeinander folgenden Einsen und Nullen muss ein großer Kondensator verwendet werden, um diese Spitzenwertinformation festzuhalten. Diese Anforderung steht im Konflikt mit der Detektion von hohen Datenraten und hohen Flankendichten, da der große Kondensator dann in einer sehr kurzen Zeit geladen werden muss. Daher ist dieser Ansatz nicht geeignet für Breitband-Anwendungen.
Der zweite Ansatz besteht darin, einen Gleichrichter zu verwenden, hinter dem ein Tiefpassfilter sitzt. Ein Beispiel eines Gleichrichters, der für einen Betrieb bei niedriger Versorgungsspannung und hohen Datenraten geeignet ist, ist in 4 abgebildet. Der Hauptnachteil des Gleichrichters besteht in seiner nicht idealen Übertragungsfunktion, wie in 3a abgebildet.
Der Grund dafür besteht darin, dass die Abweichung von der idealen linearen Übertragungsfunktion die Hysterese beeinflusst, wie in 3a angedeutet. Die Nicht-Linearität selbst hängt von der Temperatur und dem Prozess ab. In 3b kann leicht erkannt werden, dass die in diesem Patent vorgestellte neue Topologie dieses Problem bewältigt, da nur ein Entscheidungspegel verwendet wird.
5 zeigt eine weitere Verbesserung der Topologie. Wenn ein Gleichrichter auch in den Pfad der Referenzspannung eingefügt wird, beeinflussen die Temperatur- und Prozessabweichungen des Gleichrichters auch die Referenzspannung um denselben Wert, wie das Eingangssignal (zu detektierendes Signal). Die endgültige Implementierung der integrierten LOS-Detektionsschaltungen findet sich in 6. Durch die Anwendung einer Referenzwechselspannung wird auch der Einfluss des Gleichrichters im Zeitbereich kompensiert (Musterunabhängigkeit).
Die Übertragungsfunktion eines emitterentarteten Differentialverstärkers ist in 8a abgebildet. Der Bereich der linearen Übertragung wird durch die Emitterentartung (z. B. R1, R2 in 7) bestimmt. Für die folgende Überlegung spielt es keine Rolle, ob der Verstärker einen festgelegten oder einen eingestellten Verstärkungsfaktor (VGA) hat. Wie bereits oben beschrieben, erlaubt es der gewöhnliche VGA-Ansatz lediglich, das Signal in Relation zur Referenzspannung anzupassen (Schwellwert-Anpassung). Er ändert nicht den Bereich des linearen Betriebs. Daher müssen sich sowohl der Bestätigungspegel als auch der Nichtbestätigungspegel im Bereich des linearen Betriebs befinden, wie in 8a abgebildet.
Dies verhält sich unterschiedlich bei dem vorgeschlagenen Ansatz mit einem zusätzlichen Schalter für den Gesamtverstärkungsfaktor. Das Umschalten des Gesamtverstärkungsfaktors durch eine Änderung der Emitterentartung erlaubt es, den linearen Arbeitsbereich perfekt an die Bestätigungs- und Nichtbestätigungspegel anzupassen (8b). Daher kann für dieselbe Grundverstärkung während der Bestätigungspegel-Detektion (=> gleiche Genauigkeit) ein größerer Bereich von Schwellwerten verwendet werden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass in der Grundverstärkungseinstellung der gesamte lineare Bereich für die Bestätigungsdetektion verwendet werden kann. Für die Nichtbestätigungs-Detektion wird die Verstärkung verringert und der lineare Bereich vergrößert.

Claims

Signalverlust-Detektor, umfassend: einen Verstärker mit einem steuerbaren Verstärkungsfaktor, wobei der steuerbare Verstärkungsfaktor einen ersten Wert und mindestens einen zweiten Wert annehmen kann, wobei der erste Wert größer als der zweite Wert ist, einen Schwellwertkomparator, der mit einem Ausgang des Verstärkers und einer Referenzsignalquelle gekoppelt ist, wobei ein Ausgang des Schwellwertkomparators als Anzeige eines Signalverlustanzeigesignals mit einem Eingang des Verstärkers gekoppelt ist, einen Gleichrichter und einen Tiefpassfilter, die zwischen dem Schwellwertkomparator und dem Ausgang des Verstärkers gekoppelt sind, und eine Verstärkungssteuerung, die zwischen dem Ausgang des Schwellwertkomparators und dem Verstärker gekoppelt ist, wobei, falls der Verstärker den ersten Wert des Verstärkungsfaktors aufweist und ein Signal des Ausgangs des Verstärkers unter ein Referenzsignal der Referenzsignalquelle fällt, die Verstärkungssteuerung den Verstärkungsfaktor in den zweiten Wert des Verstärkungsfaktors umschaltet, und wobei, falls der Verstärker den zweiten Wert des Verstärkungsfaktors aufweist und ein Signal des Ausgangs des Verstärkers ein Referenzsignal der Referenzsignalquelle übersteigt, die Verstärkungssteuerung den Verstärkungsfaktor in den ersten Wert des Verstärkungsfaktors umschaltet.
Signalverlust-Detektor, umfassend: einen Verstärker mit einem steuerbaren Verstärkungsfaktor, wobei der steuerbare Verstärkungsfaktor einen ersten Wert und mindestens einen zweiten Wert annehmen kann, wobei der erste Wert größer als der zweite Wert ist, einen Schwellwertkomparator, der mit einem Ausgang des Verstärkers und einer Referenzsignalquelle gekoppelt ist, wobei ein Ausgang des Schwellwertkomparators als Anzeige eines Signalverlustanzeigesignals mit einem Eingang des Verstärkers gekoppelt ist, einen Gleichrichter und einen Tiefpassfilter, die zwischen der Referenzsignalquelle und dem Schwellwertkomparator gekoppelt sind, und eine Verstärkungssteuerung, die zwischen dem Ausgang des Schwellwertkomparators und dem Verstärker gekoppelt ist, wobei, falls der Verstärker den ersten Wert des Verstärkungsfaktors aufweist und ein Signal des Ausgangs des Verstärkers unter ein Referenzsignal der Referenzsignalquelle fällt, die Verstärkungssteuerung den Verstärkungsfaktor in den zweiten Wert des Verstärkungsfaktors umschaltet, und wobei, falls der Verstärker den zweiten Wert des Verstärkungsfaktors aufweist und ein Signal des Ausgangs des Verstärkers ein Referenzsignal der Referenzsignalquelle übersteigt, die Verstärkungssteuerung den Verstärkungsfaktor in den ersten Wert des Verstärkungsfaktors umschaltet.
Signalverlust-Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schwellwertkomparator dasselbe Referenzsignal verwendet, unabhängig davon, ob das Signalverlustanzeigesignal aktiviert ist oder nicht.
Signalverlust-Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zusätzlich umfassend: einen Signalspeicher, bei dem ein Eingang mit dem Ausgang des Schwellwertkomparators verbunden ist und ein Ausgang mit einem Eingang des Verstärkers gekoppelt ist.
Signalverlust-Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Referenzsignalquelle vom Eingangssignal einer Begrenzerschaltung abgeleitet wird.
Signalverlust-Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Verstärker mit steuerbarem Verstärkungsfaktor einen Differentialverstärker mit emittergekoppelten bipolaren Transistorpaaren umfasst und die Entartung der emittergekoppelten Transistorpaare erhöht wird, um die Verstärkung zu reduzieren.