DE60133631T2

DE60133631T2 - Aktives abschlussnetzwerk

Info

Publication number: DE60133631T2
Application number: DE60133631T
Authority: DE
Inventors: Anthony S. Dallas PARTOW; Erlend Duarte OLSON
Original assignee: Broadcom Corp
Current assignee: Broadcom Corp
Priority date: 2000-01-24
Filing date: 2001-01-24
Publication date: 2009-06-25
Anticipated expiration: 2021-01-25
Also published as: ATE392741T1; EP1254514B1; US6424169B1; WO2001054273A3; WO2001054273A2; DE60133631D1; WO2001054273A9; US6720795B2; US20020145443A1; EP1254514A2; AU2001231124A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine aktive Schaltung für den Abschluss einer Übertragungsleitung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Computer und Kommunikationssysteme verwenden häufig Übertragungsleitungen für das interne Senden von Daten und das Senden von Daten zu anderen Systemen und Teilsystemen. Übertragungsleitungen müssen einen korrekten Abschluss aufweisen, um die Verzerrung der übertragenen Signale zu minimieren. Dies ist vor allem deshalb wichtig, weil die Betriebsfrequenzen von Übertragungsleitungen erhöht werden, um zu den höheren Betriebsfrequenzen der neuesten integrierten Schaltungen zu passen. Viele Systeme und integrierte Schaltungen weisen im Augenblick Betriebsfrequenzen im GHz-Bereich auf.
Abschlussnetzwerke werden verwendet, um die korrekte Abschlussimpedanz bereitzustellen. Ein chipexterner Präzisionswiderstand kann einen Übertragungsleitungsabschluss bereitstellen. Chipexterne Widerstände benötigen einen beträchtlichen Platz auf der Leiterplatte und steigern somit die Leiterplattenkomplexität und die Kosten. Der Abstand zwischen den chipexternen Widerständen und der Übertragungsleitung, die abgeschlossen werden soll, kann groß genug sein, um Signalreflexionsprobleme zu verursachen. Die Verwendung von chipinternen Abschlusswiderständen wird bevorzugt, aber Präzisionswiderstände sind unter Verwendung von Standard-CMOS-Verfahren bedingt durch Schwankungen bei den Herstellungsverfahren und thermische Schwankungen schwierig zu bilden. Ein Widerstand, der durch aktuelle CMOS-Verfahren hergestellt ist, könnte einen Toleranzbereich von bis zu plus oder minus 30% aufweisen, was vollkommen inakzeptabel für die Verwendung als ein Übertragungsleitungsabschluss ist. Ein Laser-Abgleichen von chipinternen CMOS-Widerständen ist teuer und sollte vermieden werden, wenn es überhaupt möglich ist.
Die Verwendung von aktiven Schaltungen für den Abschluss einer Übertragungsleitung ist im Stand der Technik bekannt, und es gibt bereits viele Lösungswege für dieses Problem.
Es ist im Stand der Technik auch bekannt, dass sich ein FET (ein Feldeffekttransistor) wie ein Widerstand für niedrige Ströme und Spannungen verhält, aber dass der Kanalwiderstand eines FET nicht linear ist: Zum Beispiel beschreibt die WO 96/16494 eine mit einer Abschlussschaltung in Bezug stehende Kopplungsanordnung für das Erzielen einer geregelten Impedanzanpassung.
Die US-A-5 726 582 beschreibt ein Abschlussnetzwerk für eine elektrische Impedanzanpassung an dem empfangenden Ende einer Übertragungsleitung.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aktive Schaltung für den Abschluss von Übertragungsleitungen bereitzustellen, die aus unpräzisen, hochtoleranten Bauteilen zusammengesetzt ist, die so konfiguriert sind, dass sie als ein Präzisionsabschluss arbeiten.
Dieses Problem wird von der Schaltung von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Verbesserung gegenüber früheren Versuchen dar, eine aktive Abschlussschaltung für den Abschluss von Übertragungsleitungen mit einem hohen Grad an Genauigkeit bereitzustellen, vor allem dann, wenn diese auf einer integrierten Schaltung gefertigt wird. Die vorliegende Erfindung verwendet eine Bezugsimpedanz, die eine in Reihe geschaltete Kombination aus einem aktiven Widerstand und einem passiven Widerstand ist. Der aktive Widerstand ist ein CMOS-Transistor, der als ein spannungsgesteuerter Widerstand betrieben wird. Eine variable Spannung wird an das Gate angelegt, um den Drain-Source-Widerstand zu regeln. Der passive Widerstand ist auf einen festgelegten Widerstand eingestellt.
Der Strom durch die Bezugsimpedanz ist auf einen festgelegten Wert eingestellt. Ein Regelkreis mit einer Rückkopplungsschleife fühlt die Spannung quer durch die Bezugsimpedanz ab, um eine Regelspannung zu erzeugen, um den Widerstand des aktiven Widerstands zu regeln und somit den Widerstand der Bezugsimpedanz zu steuern.
Die Abschlussimpedanz und die Bezugsimpedanz sind als identische Schaltungen hergestellt, die zum gleichen Zeitpunkt auf der gleichen integrierten Schaltung gebildet werden und als Folge davon identische Eigenschaften aufweisen. Die Abschluss- und Bezugsimpedanzen sind so ausgelegt, dass sie die gleiche Impedanz aufweisen und von der gleichen Regelspannung geregelt werden, die von einer Rückkopplungsschleife erzeugt wird.
Die vorliegende Erfindung weist viele Vorteile auf, die aus den ausführlichen Beschreibungen klar werden.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Übertragungsleitungs-Abschlussschaltung in Übereinstimmung mit der Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
1 zeigt eine Übertragungsleitung 1, die an dem empfangenden Ende durch ein Abschlussimpedanz-Netzwerk 8 abgeschlossen ist, das aus einem aktiven Widerstand 9 in Reihe geschaltet mit einem passiven Widerstand 10 gebildet wird. Der aktive Widerstand 4 und der passive Widerstand 5 bilden eine Bezugsimpedanz 3, deren Widerstand durch ein Steuersignal gesteuert wird, das von einem Operationsverstärker 2 kommt. Als Teil einer negativen Rückkopplungsschleife vergleicht der Operationsverstärker 2 den Spannungsabfall quer durch die Widerstände 4 und 5 mit einer Bezugsspannung Vref, um eine Regelspannung zu erzeugen, die die aktiven Widerstände 4 und 9 regelt. Eine Stromquelle 7 begrenzt den Stromfluss durch den Bezugswiderstand 3.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der allgemein bekannten Tatsache, dass sich ein FET (ein Feldeffekttransistor) wie ein Widerstand für niedrige Ströme und Spannungen verhält, aber der Kanalwiderstand eines FET nicht linear ist.
Der Kanalwiderstand eines FET ist in hohem Maße nicht linear und schwankt, wenn sich die Drain-Source-Spannung der Vorrichtung ändert. Da ein FET verwendet wird, um eine Übertragungsleitung abzuschließen, ist er dieser Nichtlinearität ausgesetzt, die von dem Spannungshub in der Leitung bewirkt wird. Um diese Spannungsempfindlichkeit zu reduzieren, enthält die vorliegende Schaltung einen POLY-Widerstand in Reihe geschaltet mit dem FET. Der Nennwiderstand des POLY-Widerstands wird derart gewählt, dass er etwa gleich dem nominellen FET-Kanalwiderstand ist, und folglich wird die maximale Spannungsschwankung, die quer durch den FET zu beobachten ist, um die Hälfte verringert, und sein gesamter Nichtlinearitätsbeitrag wird um einen Faktor von 2 reduziert.
Das Verhältnis zwischen den aktiven und passiven Widerständen muß nicht genau 1 zu 1 sein, sondern es kann während der Konstruktion des aktiven Abschlusselements so eingestellt werden, dass es für eine bestimmte Anwendung geeignet ist.
Die Stromquelle 7 begrenzt den Stromfluss durch den Bezugswiderstand 3 auf 10 mA. Der Operationsverstärker 2 erzeugt ein Steuersignal, um den Spannungsabfall an dem Knoten 6 auf 0,5 Volt unter der Speisespannung Vdd zu halten. Als Folge davon ist der Widerstand von 3 gleich 0,5 V/10 mA, was 50 Ohm entspricht, was ein allgemein üblicher Wellenwiderstand für Übertragungsleitungen ist. Damit die Rückkopplungsschleife korrekt funktioniert, muß die Bezugsspannung Vref 0,5 Volt unterhalb der Speisespannung Vdd liegen.
Die Auswahl der spezifischen Schaltungswerte wird von den Betriebsbedingungen einer bestimmten Übertragungsleitung abhängen. Als ein Beispiel dafür, wie das vorliegende Ausführungsbeispiel funktionieren würde, müsste, wenn das Signal auf der Übertragungsleitung von einer Stromquelle mit einem Stromlimit von 10 mA angesteuert wird, dann die Stromquelle 7 einen Wert von 10 mA aufweisen.
Diese und andere Schaltungsdesignanpassungen, wie etwa das Abstimmen auf Übertragungsleitungen, die von einer Spannungsquelle angesteuert werden oder andere Abschlussimpedanzen aufweisen, können von den Fachleuten auf diesem Gebiet durchgeführt werden.
Der Bezugswiderstand 3 und der Abschlusswiderstand 8 sind als identische Schaltkreise auf der gleichen integrierten Schaltung ausgelegt und werden identische Eigenschaften aufweisen. Je enger die Widerstände 3 und 8 bezüglich der Nähe zueinander auf der gleichen integrierten Schaltung angeordnet sind, desto gleichwertiger werden ihre Betriebstemperaturen und ihre Leistung sein. Da die Regelspannung automatisch von der Rückkopplungsschleife variiert wird, um die Bezugsspannung 3 auf einem Wert von 50 Ohm zu halten, wird die gleiche Spannung verwendet, um die Abschlussimpedanz 8 auf einem Wert von 50 Ohm zu halten. Auf diese Weise wird die Übertragungsleitung mit einer aktiven Impedanz abgeschlossen, die den korrekten Widerstand aufweist.
Die vorliegende Erfindung ist in der Lage, eine Abschlussimpedanz bereitzustellen, die plus oder minus 5% des gewünschten Wertes beträgt.
Es ist für die Fachleute auf diesem Gebiet auch möglich, die vorliegende Erfindung für das Abschließen von symmetrischen Übertragungsleitungen zu verwenden.
Das Übernehmen der vorliegenden Erfindung derart, dass sie ein Reihenabschluss an der Quelle der Übertragungsleitung ist, ist den Fachleuten auf diesem Gebiet wohl bekannt.

Claims

Übertragungsleitungs-Abschlussschaltung mit: einer Verbindung zu einer Übertragungsleitung (1); einer Abschlussimpedanz (8), die mit der Übertragungsleitung (1) durch die Verbindung verbunden ist, und die eine aktive Impedanz (9) und eine passive Impedanz (10) enthält, die in Reihe geschaltet sind; einer Bezugsimpedanz (3), die eine aktive Impedanz (4) und eine passive Impedanz (5) enthält, die in Reihe geschaltet sind, wobei die Bezugsimpedanz (3) mit Eigenschaften proportional zu den Eigenschaften der Abschlussimpedanz (8) hergestellt ist, wobei die aktive Impedanz (4) der Bezugsimpedanz (3) einen Transistor umfasst und die aktive Impedanz (9) der Abschlussimpedanz (8) einen Transistor umfasst, einem Regelkreis zum Erzeugen eines Steuersignals zum Steuern der Impedanz der aktiven Impedanz (9) der Bezugsimpedanz (8) derart, dass die Bezugsimpedanz (8) dem Wellenwiderstand der Übertragungsleitung (1) entspricht, wobei das Steuersignal die Impedanz der aktiven Impedanz (9) der Abschlussimpedanz (8) steuert, damit die Abschlussimpedanz (8) im Wesentlichen gleich dem Wellenwiderstand der Übertragungsleitung (1) ist, und die Schaltung des Weiteren eine Stromquelle (7) zum Begrenzen des Stroms durch die Bezugsimpedanz (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bezugsimpedanz (8) und die Abschlussimpedanz (3) auf der gleichen integrierten Schaltung angeordnet sind, und die passiven Impedanzen (5, 10) POLY-Widerstände sind, wobei die Widerstände der POLY-Widerstände so ausgewählt werden, dass sie etwa gleich dem nominellen Kanalwiderstand der aktiven Impedanz (4, 9) sind.
Übertragungsleitungs-Abschlussschaltung nach Anspruch 1, wobei die Abschlussimpedanz mit der Übertragungsleitung (1) parallel geschaltet ist.
Übertragungsleitungs-Abschlussschaltung nach Anspruch 1, wobei die Abschlussimpedanz mit der Übertragungsleitung (1) in Reihe geschaltet ist.
Übertragungsleitungs-Abschlussschaltung nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis der Spannung quer durch die Bezugsimpedanz (3) zu dem Strom durch die Bezugsimpedanz (3) im Wesentlichen konstant und im Wesentlichen gleich dem Wellenwiderstand der Übertragungsleitung (1) ist.
Übertragungsleitungs-Abschlussschaltung nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis der Spannung quer durch die Abschlussimpedanz (8) zu dem Strom durch die Abschlussimpedanz (8) im Wesentlichen konstant und im Wesentlichen gleich der Bezugsimpedanz (3) ist.