DE4336798A1 - Schnittstellenschaltung für integrierte Schaltkreise in Stromschaltertechnik - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schnittstellenschaltung für integrierte Schaltkreise in Stromschaltertechnik, auch als CML, current mode logic, bezeichnet. Diese Schaltkreise sind allgemein als ECL-Schaltkreise, emitter coupled logic-Schaltkreise, bekannt und bilden ebenso wie TTL-Schaltkreise oder CMOS-Schaltkreise eine praktisch häufig eingesetzte Schaltkreisfamilie zum Aufbau integrierter digitaler Schaltungen. ECL-Schaltkreise werden vorzugsweise bei Übertragungsraten über 100 Mbit/s verwendet.

Dabei besteht die Ausgangsschnittstellenschaltung aus zwei Emitterfolgern, die am Ausgang eines Stromschalters liegen und deren jeweiliger externer angepaßter Leitungsabschluß an eine negative Spannung geschaltet wird. Diese Schnittstelle wird im folgenden als ECL-Schnittstelle bezeichnet.

Bei einer weiteren Realisierungsform der Schaltkreise wird der Schaltkreisausgang von zwei offenen Kollektoren gebildet, die über eine angepaßt abgeschlossene Leitung mit Masse verbunden werden, vgl. Rein, H.-M., Ranfft, R.: Integrierte Bipolarschaltungen. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1980, S. 164-169, S. 174-179. Diese Schnittstelle wird im folgenden als CML-Schnittstelle bezeichnet. Obwohl die ECL-Schnittstelle sehr häufig angewendet wird, gewinnt die CML-Schnittstelle bei der Übertragung höchster Bitraten zunehmend an Bedeutung, vgl. Hauenschild, J., Rein, H.-M., Weger, P., Klose, H.: 10 Gbit/s Monolithic Integrated Bipolar Multiplexer for Optical-Fibre Transmission Systems Fabricated in BICMOS Technology. Electronic Letters 8th June 1989 Vol. 25 No. 12, S. 782-783.

Die Anpassung einer ECL-Schnittstelle an eine CML-Schnittstelle oder umgekehrt ist zwar durch eine mit diskreten Bauelementen realisierbare Zusatzschaltung außerhalb der integrierten Schaltkreise möglich, hat aber neben dem zusätzlichen technologischen Aufwand den Nachteil, daß der Verlustleistungsumsatz der Schaltungsanordnung vergrößert wird.

Aus dem technischen Bedürfnis, die gleichen integrierten Schaltkreise je nach Anwendungsfall in Übertragungssystemen mit ECL-Schnittstellen oder mit CML-Schnittstellen einsetzen zu können, resultiert die Aufgabe der Erfindung, eine universell einsetzbare Schnittstellenschaltung für integrierte Schaltkreise in Stromschaltertechnik anzugeben, die eine Außenbeschaltung der Schaltkreise durch zusätzliche Bauelemente vermeidet und die durch einfache schaltungstechnische Maßnahmen an den jeweiligen Einsatzfall anpaßbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Hauptanspruch angegebenen Merkmale der Schaltungsanordnung gelöst. Varianten der Schaltungsanordnung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Für die Umschaltung von einer Schnittstellenschaltung auf die andere ist lediglich ein zusätzlicher Anschluß an der integrierten Schaltung vorgesehen. Bleibt dieser Anschluß unbeschaltet, so ist die CML-Schnittstelle wirksam. Wird der Anschluß mit Masse verbunden, so erfolgt damit die Umschaltung von der CML-Schnittstelle auf die ECL-Schnittstelle. Es wird eine vollständig integrierte Schnittstellenschaltung angegeben, die im Vergleich zu externen Anpassungsschaltungen leistungsärmer ist und den Vorteil bietet, daß unabhängig von der benötigten Art der Schnittstelle einheitliche integrierte Schaltungen in großer Stückzahl und damit kostengünstig herstellbar sind.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert. In der dazugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer möglichen Realisierungsvariante der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig. 2 ein Schaltbild einer optimierten erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und

Fig. 3 ein Schaltbild eines Schaltungszusatzes.

Die Funktionsweise der Schaltungsanordnung wird zunächst grundsätzlich an einem in Fig. 1 dargestellten Schaltungsbeispiel erläutert. Die Ausführungen gelten entsprechend für die unten erläuterte in Fig. 2 dargestellte optimierte Schaltungsanordnung.

Gemäß Fig. 1 besteht die Schnittstellenschaltung im wesentlichen aus den Transistoren T1, T2 und der Stromquelle I₀₁ einer ersten Differenzverstärkerstufe, aus einer zweiten Differenzverstärkerstufe, bestehend aus zwei Transistoren T3, T4 mit den Kollektorwiderständen R1, R2 und einer zweiten Stromquelle I₀₂, sowie den den Ausgängen der zweiten Differenzverstärkerstufe nachgeschalteten Transistoren T5, T6 eines jeweiligen Emitterfolgers. Weiterhin gehören zu der Schnittstellenschaltung eine Steuerschaltung 1 für die erste und zweite Stromquelle I₀₁, I₀₂, zwei Dioden D1, D2 zur Erzeugung einer Vorspannung und ein Netzwerk, bestehend aus zwei Dioden D3, D4 und einem Widerstand R3, zur Verbesserung der Spannungs- und Temperaturkompensation. Für eine Schaltungsvariante ist eine dritte Stromquelle I₀₃ vorgesehen. Externe Anschlüsse der integrierten Schaltungsanordnung sind vorgesehen für die beiden Ausgänge Q1, Q2, für einen ersten Masseanschluß M1 und für einen zweiten Masseanschluß M2, für den Anschluß der Versorgungsspannung V_EE und für ein Steuersignal M_ECL.

Die unterschiedliche Funktion der Schnittstellenschaltung wird durch die Beschaltung des Steuereingangs M_ECL bestimmt.

CML-Schnittstelle: Der Steuereingang M_ECL bleibt offen. Damit werden die Basen der Transistoren T5, T6 der Emitterfolger über die Dioden D1, D2 auf eine Spannung -2U_D vorgespannt, wobei U_D die Durchlaßspannung einer Diode ist. Da bei CML-Betrieb üblicherweise die Spannung an den Ausgängen Q1, Q2, U_Q < -2U_D ist, sind die Transistoren T5, T6 gesperrt. Gleichzeitig wird bei offenem Steuereingang M_ECL über die Steuerschaltung 1 der Strom der zweiten Stromquelle I₀₂ abgeschaltet, um den Leistungsverbrauch zu verringern. In diesem Betriebszustand sorgt die Belastung durch die Steuerschaltung 1 für den notwendigen minimalen Strom durch die Dioden D1 und D2. Falls die Steuerschaltung 1 entfällt, wird eine dritte Stromquelle I₀₃ vorgesehen, um den Spannungsabfall an den Dioden zu gewährleisten. Bei der CML-Schnittstelle werden die Ausgänge Q1, Q2 über eine Leitung und einen Widerstand, üblicherweise dem Wellenwiderstand Z der Leitung, mit Masse verbunden.

ECL-Schnittstelle: Der Steuereingang M_ECL wird mit Masse verbunden. Damit entfällt die Vorspannung durch die beiden Dioden D1, D2. Durch externe Belastung der Ausgänge Q1, Q2, im allgemeinen mit einer angepaßt abgeschlossenen Leitung gegen U = -2V, ist die ECL-Schnittstellenschaltung aktiv. Über die Steuerschaltung 1 ist nunmehr der Strom der ersten Stromquelle I₀₁ abgeschaltet. Durch die integrierte Schaltungslösung ist es möglich, bei vorgegebenen Anstiegs- und Abfallzeiten der digitalen Signale den Strom durch die Widerstände R1, R2 der ECL-Schnittstellenschaltung wesentlich niedriger zu halten als bei einer externen Anpassungsschaltung, da die parasitären Kapazitäten innerhalb einer integrierten Schaltung sehr viel geringer sind.

Die Steuerschaltung 1 ist für die Funktion der Schaltungsanordnung nicht zwangsläufig erforderlich, sie ist jedoch zweckmäßig. Die Abschaltung der Ströme der Stromquellen I₀₁, I₀₂ kann entfallen, es ist auch ein Absenken der Ströme auf einen bestimmten Wert denkbar.

Aus dem Bedürfnis, den schaltungstechnischen Aufwand zu optimieren und damit den Bedarf an Chipfläche bei einer integrierten Schaltung zu verringern, ist die in Fig. 2 dargestellte Schaltungsanordnung entstanden. Diese Schaltungsanordnung unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten dadurch, daß die zweite Differenzverstärkerstufe, im wesentlichen bestehend aus zwei Transistoren T3, T4 und einer zweiten Stromquelle I₀₂, entfallen ist. Die Eingangssignale 11, 12 liegen nunmehr nur an einer, in Fig. 1 der ersten, Differenzverstärkerstufe bestehend aus den Transistoren T1, T2 und einer Stromquelle I₀. Somit entfällt auch bei der Steuerschaltung 1 ein Ausgang, so daß diese nunmehr nur einen Ausgang hat. Um die CML-Schnittstelle von der ECL-Schnittstelle entkoppeln zu können, wurden in die Schaltungsanordnung vier Dioden D5, D6, D7, D8 eingefügt.

CML-Schnittstelle: Der Steuereingang M_ECL bleibt offen. Der erste und zweite Schaltungsausgang Q1, Q2 wird jeweils mit einem Leitungsabschlußwiderstand gegen Masse beschaltet. Der Strom fließt dann abhängig von den Potentialen am ersten und zweiten Eingang I1, I2 entweder vom ersten Ausgang Q1 über die Diode D6, den zweiten Transistor T2 des Differenzverstärkers und die Stromquelle I₀ zum negativen Pol der Betriebsspannungsquelle V_EE oder entsprechend vom zweiten Ausgang Q2 über die Diode D5, den ersten Transistor T1 und die Stromquelle I₀ zum negativen Pol der Betriebsspannungsquelle V_EE.

ECL-Schnittstelle: Der Steuereingang M_ECL wird mit Masse, praktisch also mit M1, verbunden. Der erste und der zweite Schaltungsausgang Q1, Q2, nunmehr Ausgänge des Emitterfolgers, werden jeweils mit einem Leitungsabschlußwiderstand gegen beispielsweise -2V beschaltet. Der Strom fließt dann abhängig von den Potentialen am ersten und zweiten Eingang I1, I2 entweder von Masse über den Widerstand R1, die Diode D7, den ersten Transistor T1 des Differenzverstärkers und die Stromquelle I₀ zum negativen Pol der Betriebsspannungsquelle V_EE oder entsprechend über den Widerstand R2, die Diode D8 und den zweiten Transistor T2 des Differenzverstärkers.

Es ist möglich, den Strom der Stromquelle I₀ entsprechend den Anforderungen der Schnittstellen fest einzustellen, dann kann auch die Steuerschaltung 1 entfallen. Um jedoch die Verlustleistung zu verringern, wird mit der Steuerschaltung 1 die Stromquelle I₀ hinsichtlich des optimalen Strombedarfs für den jeweiligen Betriebsfall umgeschaltet.

Die Dioden D7, D8 verhindern, daß bei CML-Betrieb zwischen den Knoten C1 und C2 über die Widerstände R1 und R2 und den Knoten M_ECL Strom fließt und damit der "High"-Pegel und der "Low"-Pegel am ersten und zweiten Schaltungsausgang Q1, Q2 verändert und dadurch der Hub zwischen den logischen Signalen reduziert wird. Falls der Pegelunterschied zwischen dem "High"-Pegel und dem "Low"-Pegel entsprechend gering, d. h. deutlich kleiner als die Durchlaßspannung einer Diode, ist, falls der "Low-"Pegel durch Erhöhung des Stromes der Stromquelle I₀ eingestellt und falls die Änderung des "High"-Pegels akzeptierbar ist, können die Dioden D7, D8 entfallen.

Die Dioden D5, D6 verhindern, daß im ECL-Betrieb ein Strom über die Transistoren T5, T6 des Emitterfolgers zu dem ersten und zweiten Transistor T1, T2 des Differenzverstärkers fließt. Ohne diese Dioden D5, D6 würde eine Stromaufteilung stattfinden und der Strom würde nicht mehr vollständig über die Knoten B5 und B6 fließen, so daß dann der "Low"-Pegel stark erhöht werden würde.

In den gemäß Fig. 1 und Fig. 2 beschriebenen Schaltungsanordnungen sind folgende Modifikationen möglich:

Statt der beiden Dioden D1, D2 zur Erzeugung der Vorspannung an den Basen der Transistoren T5, T6 der Emitterfolger können auch Widerstände oder Netzwerke aus Widerständen und Dioden oder Transistoren eingesetzt werden. Es ist auch möglich, eine außerhalb der Schaltungsanordnung erzeugte Referenzspannung zu verwenden.

Bei der internen Beschaltung der Eingänge I1, I2 ist es möglich, nur einen Eingang zu benutzen, wenn an den zweiten eine Referenzspannung gelegt wird.

Das Netzwerk R3, D3, D4, das dazu dient, den Ausgangspegel der ECL-Schnittstellenschaltung möglichst temperatur- und versorgungsspannungsunabhängig zu machen, kann auch durch ein anders aufgebautes Netzwerk ersetzt werden. Es gibt aber auch Anwendungsfälle, bei denen dieses Netzwerk entfallen kann, denn diese Kompensationsschaltungen erfordern eine größere Chipfläche und verursachen damit zusätzliche Kosten.

Der zweite Masseanschluß M2 für die Emitterfolger der ECL-Schnittstelle dient dazu, die beim Schaltvorgang an der Zuleitungsinduktivität dieses Anschlusses auftretenden Spannungsspitzen von der Versorgungsspannung der Differenzverstärkerstufe fernzuhalten. Je nach Anwendungsfall kann dieser separate Masseanschluß M2 entfallen, wenn intern eine Verbindung zum ersten Masseanschluß M1 hergestellt wird.

Üblicherweise wird die Schnittstellenschaltung von einer negativen Spannung V_EE = -5,2 V versorgt. Es ist aber auch möglich, die Schaltung mit einer positiven Versorgungsspannung zu betreiben, dann entspricht der Versorgungsspannungsanschluß V_EE dem Masseanschluß M1 und die Masseanschlüsse M1, M2 werden an den positiven Pol einer Versorgungsspannungsquelle geschaltet. Der Steuereingang M_ECL wird dann auch an eine positive Spannung gelegt.

Bei sehr hohen Bitraten kann es von Vorteil sein, für die CML-Schnittstelle auf dem Chip intern einen Anschluß nach Masse vorzusehen, um die Reflexionen zu verringern. Fig. 3 zeigt die schaltungstechnische Realisierung mit zwei oder drei Dioden D5 . . . Dn, einem Widerstand R4 und einem externen Anschluß M_CML, wie sie für jeden Ausgang Q1, Q2 erforderlich ist. Ist die CML-Schnittstelle wirksam, wird der Anschluß M_CML mit Masse verbunden. Wird die ECL-Schnittstelle benötigt, so bleibt der Anschluß M_CML frei. Die Anzahl der Dioden D5 . . . Dn ist so gewählt, daß sie bei der minimalen Ausgangsspannung U_Q = U_QL noch sperrend sind, damit der Widerstand R4 unwirksam bleibt.

Claims (5)

1. Schnittstellenschaltung für integrierte Schaltkreise in Stromschaltertechnik, deren Grundschaltung aus einer Differenzverstärkerstufe besteht, die über die gekoppelten Emitter der Transistoren (T1, T2) von einer Stromquelle (I₀) gespeist wird, wobei unterschiedliche Ausführungsformen eines Grundgatters derart realisiert werden, daß in einer ersten Ausführungsform die Ausgänge des Grundgatters von den offenen Kollektoren (Q1, Q2) der Transistoren (T1, T2) der Differenzverstärkerstufe gebildet werden, kurz CML-Schnittstelle genannt, und daß in einer zweiten Ausführungsform Emitterfolger (T5, T6) der Differenzverstärkerstufe ausgangsseitig nachgeschaltet sind und die Ausgänge des Grundgatters von den offenen Emittern (Q1, Q2) der Emitterfolger gebildet werden, kurz ECL-Schnittstelle genannt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungen beider Ausführungsformen des Grundgatters derart angeordnet sind, daß die Eingänge (I1, I2) der Differenzverstärkerstufe (T1, T2, I₀) gemeinsamer Schaltungsteil von CML-Schnittstelle und ECL-Schnittstelle sind, daß jeweils ein offener Kollektor der CML-Schnittstelle mit einem entsprechenden offenen Emitter der ECL-Schnittstelle zu jeweils einem gemeinsamen Ausgang (Q1 beziehungsweise Q2) verbunden ist und daß technische Mittel vorhanden sind, um eine Referenzspannung an den Basisanschlüssen der Transistoren (T5, T6) der Emitterfolger zur Realisierung der CML-Schnittstelle so zu erzeugen, daß die Transistoren (T5, T6) gesperrt sind, wobei die Referenzspannung über einen Steuereingang (M_ECL) der Schnittstellenschaltung aktiviert wird.

2. Schnittstellenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils der offene Kollektor der CML-Schnittstelle über eine Katoden-Anoden-Strecke einer Diode (D5, D6) mit dem entsprechenden offenen Emitter der ECL-Schnittstelle verbunden ist.

3. Schnittstellenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Ausführungsform des Grundgatters, der ECL-Schnittstelle, die Widerstände (R1, R2) der Differenzverstärkerstufe gemeinsam über Dioden (D1, D2), die in Durchlaßrichtung betrieben werden, an einen Pol der Versorgungsspannungsquelle geschaltet sind.

4. Schnittstellenschaltung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuereingang (M_ECL) der Schnittstellenschaltung mit einer Steuerschaltung (1) verbunden ist, deren Ausgang an eine Stromquelle (I₀) geschaltet ist.

5. Schnittstellenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Entkopplung von CML-Schnittstelle und ECL-Schnittstelle jeweils zwischen offenem Kollektor der CML-Schnittstelle und Basisanschluß des Transitors (T5, T6) des Emitterfolgers eine Diode (D7, D8) geschaltet ist.