DE69226305T2

DE69226305T2 - Bidirektionales Signalübertragungssystem

Info

Publication number: DE69226305T2
Application number: DE69226305T
Authority: DE
Inventors: Anthony Nl-5656 Aa Eindhoven Aguilar; Herbert Nl-5656 Aa Eindhoven Kniess
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 1991-04-29
Filing date: 1992-04-21
Publication date: 1999-02-25
Anticipated expiration: 2012-04-22
Also published as: AU656956B2; KR920020888A; ATE168846T1; JP3194785B2; FI921852A0; SG44723A1; JPH07183877A; EP0511706A2; KR100256384B1; TW198778B; AU1518592A; US5790526A; MY110091A; FI921852A; EP0511706A3; DE69226305D1; EP0511706B1; RU2099793C1

Description

Die Erfindung betrifft ein bidirektionales Signalübertragungssystem mit einem bidirektionalen Signalweg mit einem mit einem Hochimpedanzabschnitt gekoppelten Niederimpedanzabsehnitt zur Übertragung eines binären Signals in beide Richtungen. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anpassungsschaltung für ein derartiges System. Ein solches System ist aus EP-A-0 171 125 bekannt.
Ein Beispiel für ein solches System ist das wohlbekannte I²C-Bussystem, das beispielsweise im Philips Data Handbook IC12a, "I²C-bus compatible ICs, Types MAB84X1 family to PCF8579", 1989, S. 31-53 beschrieben wird. Das I²C-Bussystem ist ein serielles Bussystem mit Stationen (integrierte Schaltungen, ICs), die über einen bidirektionalen Zweidraht-Übertragungskanal miteinander verbunden sind, ein Draht für ein binäres Datensignal und ein anderer für ein binäres Taktsignal, und die gemäß einem zuvor bestimmten Protokoll kommunizieren. Je nach ihrer speziellen Funktion innerhalb des Systems kann jede Station als Sender oder Empfänger arbeiten oder als beides.
Der Datendraht sowie der Taktdraht sind über Pull-Up-Widerstände mit einer positiven Versorgungsspannung verbunden. Die Drähte liegen auf schwebendem hohem Pegel, wenn die Stationen nicht kommunizieren. Die Ausgangsstufen der Stationen haben Schnittstellen zum Bus mit einem offenen Kollektor oder einem offenen Drain, um die erforderliche festverdrahtete UND-Verknüpfung aller Schnittstellen zum I²C-Bus herzustellen.
Die Impedanz des Kanals, d. h. die Pull-Up-Widerstände, und das Stromableitvermögen der Sendestation bestimmen beide die höchste nutzbare Frequenz und den längsten möglichen Abstand zwischen der Sendestation und einer Empfangsstation. Die parasitäre Kapazität des Kanals wird mit zunehmendem Abstand größer. Da die Kapazität und die Kanalimpedanz die Anstiegs- und Abfallzeit des Signals bestimmen, nimmt daher die maximale Übertragungsfrequenz ab. Verkleinern der Kanalimpedanz würde an sich höhere Frequenzen zulassen. Wegen des begrenzten und standardisierten Stromableitvermögens der Sendestation müßte jedoch ein größerer Strom aus dem jetzt kleineren Pull-Up-Widerstand abgezogen werden, was den Vorteil der verringerten Kanalimpedanz aufhebt. Daher beträgt die maximale Übertragungsfrequenz für das I²C- Bussystem bei 3 mA etwa 100 kHz, während der maximale Abstand zwischen den Stationen nicht viel größer als etwa 4 Meter sein sollte. Zudem ist wegen des begrenzten Ausgangsstroms das Ansteuerungsvermögen der Sendestation (Ausgangslastfaktor) beschränkt.
Ein anderes Beispiel für ein solches System ist eine Mikroprozessoranordnung, die mit einer integrierten Speicheranordnung über bidirektionale Durchverbindungen mittels eines Puffers, eines Multiplexers oder einer anderen Leitweganordnung kommuniziert. Siehe beispielsweise Signetics Microcontroller User's Guide, 1989, S. I-4-I-7. Der Betrieb der Leitweganordnung hinsichtlich der Richtung des Datenflusses wird üblicherweise vom Mikroprozessor gesteuert. Hierzu gibt der Mikroprozessor ein Lesekommando oder ein Schreibkommando an die Leitweganordnung. Dieser Aufbau erfordert zusätzliche E/A-Anschlußstifte, Steuerelektronik und Verdrahtung zur Steuerung der Leitweganordnung.
Wie oben angedeutet, haben die Systeme nach dem Stand der Technik unter Nachteilen zu leiden, die das Anwendungsgebiet in bezug auf maximalen Kommunikationsabstand, maximales Ansteuerungsvermögen oder minimale Anzahl erforderlicher E/A-Anschlußstifte begrenzt. Das System nach EP 171 125 verschafft einen pnp-Transistor in Emitterfolgerschaltung, dessen Basis mit dem Hochimpedanzabschnitt und dessen Emitter mit dem Niederimpedanzabschnitt gekoppelt ist. Zudem wird ein Widerstand zwischen den Hochimpedanzabschnitt und den Niederimpedanzabschnitt geschaltet. Dieses System ermöglicht die Verwendung längerer Kommunikationsabstände, ohne zusätzliche E/A-Anschlußstifte zu erfordern. Signale im Hochimpedanzabschnitt steuern den Emitterfolger, um entsprechende Signale im Niederimpedanzabschnitt zu generieren. Der Widerstand läßt Signale vom Niederimpedanzabsehnitt zum Hochimpedanzabschnitt durch.
Die Geschwindigkeit, mit der Signale vom Niederimpedanzbus zum Hochimpedanzbus durchgelassen werden, kann nur hoch werden, wenn der Widerstandswert des Widerstandes verkleinert wird. Daher ist in dem System von EP 171 125 die maximale Geschwindigkeit begrenzt, weil der Widerstandswert nur in begrenztem Maße verkleinert werden kann, um zu verhindern, daß die Basis-Emitter-Spannung des pnp- Transistors unter der Schwelle bleibt und dieser Transistor nicht imstande ist, als Emitterfolger zu arbeiten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein bidirektionales Übertragungssystem der eingangs erwähnten Art zu verschaffen, in dem der Abstand zwischen miteinander kommunizierenden Stationen erheblich größer sein kann als nach dem Stand der Technik. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein solches Übertragungssystem zu verschaffen, in dem das Ansteuerungsvermögen der Sendestation keinen begrenzenden Faktor mehr darstellt. Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, Mittel zu verschaffen, um die Anwendbarkeit bidirektionaler Eindraht-Bussysteme, wie das I²C-Bussystem stark zu erweitern. Der Erfindung liegt weiterhin noch die Aufgabe zugrunde, Anpassungsmittel zur Anpassung herkömmlicher Schaltungen zu verschaffen, damit sie entsprechend diesen Aufgaben funktionieren. Eine andere Aufgabe der Erfindung ist, die Anzahl Durchverbindungen und E/A-Anschlußstifte, die die Kommunikationskanäle zwischen integrierten Schaltungsanordnungen bilden, zu verringern.
Hierzu verschafft die Erfindung ein bidirektionales Signalübertragungssystem, das einen bidirektionalen Signalweg mit einem mit einem Hochimpedanzabschnitt gekoppelten Niederimpedanzabschnitt hat, zur Übertragung eines binären Signals in beide Richtungen. Das System hat ein Anpassungsmittel zum Anpassen einer Signalkopplung zwischen den Abschnitten unter der Steuerung des Signals selbst, in Abhängigkeit von einer Richtung der Übertragung.
Die Übertragungsrichtung des Signals verläuft entweder vom Hochimpedanzabschnitt zum Niederimpedanzabschnitt oder vom Niederimpedanzabschnitt zum Hochimpedanzabschnitt. Dem Erfindungsprinzip liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Übertragung vom Hoch- zum Niederimpedanzabschnitt der begrenzende Faktor in der Kommunikation ist, und daß Anpassen der Signalkopplung bei bidirektionalem Gebrauch daher unter Übertragungsrichtungssteuerung erfolgen sollte. Beim Eintreffen des Signals bei der Kopplung zwischen den Abschnitten detektiert das Anpassungsmittel die Fortpflanzungsrichtung und verändert daraufhin die Signalkopplung. Diese Architektur erfordert nur lokale Anpassungsmittel, d. h. solche, die zwischen den Abschnitten liegen, im Unterschied zu Anpassungsmitteln nach dem Stand der Technik, die von zusätzlichen Steuersignalen, beispielsweise dem oben besprochenen Lese-/Schreibkommando, gesteuert werden. Die letztgenannte Möglichkeit würde Hilfssteuerteile und Steuerverbindungen erfordern, nämlich die Anzahl E/A-Anschlußstifte, wodurch die Anzahl benötigter Teile zunimmt und die Kosten steigen.
Der Hochimpedanzabschnitt umfaßt beispielsweise eine Ausgangsimpedanz einer Station, die zumindest binäre Signale senden kann, und der Niederimpedanzabschnitt umfaßt eine Kanalimpedanz des bidirektionalen Übertragungskanals.
Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform umfaßt das Anpassungsmittel einen Detektor zum Detektieren der Übertragungsrichtung und einen mit dem Übertragungskanal verbundenen Puffer. Der Puffer kann vom Detektor gesteuert werden. Bei Detektion einer bestimmten Richtung der Übertragung wird der Puffer so gesteuert, daß er nahezu synchron zu dem Signal arbeitet. Für den Fall einer Übertragung in die andere Richtung kann das Anpassungsmittel für das Signal nahezu transparent sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems zur Übertragung eines elektrischen Signals umfaßt der Detektor ein zwischen den Abschnitten liegendes Fühlelement. Das System umfaßt weiterhin einen Sensor, um beim Detektieren der Polarität eines durch das Element fließenden Stroms zur Steuerung des Puffers ein Steuersignal abzugeben, das die detektierte Polarität anzeigt.
Der Sensor kann einen Differenzverstärker zum Detektieren der Polarität der am Fühlelement anliegenden Spannung umfassen. Vorzugsweise sind Linearbereichmittel vorgesehen, um den Verstärker in seinem linearen Bereich zu halten. Seine Verstärkungskennlinie ist in diesem speziellen Bereich am steilsten. Daher ist das Ausgangssignal des Verstärkers innerhalb des linearen Bereichs am empfindlichsten für Eingangsspannungsveränderungen.
Das Fühlelement kann beispielsweise ein Widerstandselement, ein Paar Dioden, vorzugsweise Schottky-Dioden, die antiparallel zueinander zwischen den Abschnitten angeordnet sind, oder eine beliebige andere aktive oder passive Schaltung zum Erzeugen einer Spannungsdifferenz beim Detektieren eines durch das Fühlelement fließenden Stroms umfassen.
Falls das Anpassungsmittel teilweise oder vollständig in einer integrierten Schaltung aufgenommen ist, kann die Diodenschaltung insbesondere zum Einsparen von Substratfläche beitragen. Die Dioden können vom Schottky-Typ sein, was im Hinblick auf ihre niedrige Schwellenspannung von 0,2 Volt vorteilhaft sein kann. Der Spannungs abfall am Fühlelement entspricht vorzugsweise dem Eingangssignalarbeitsbereich des Differenzverstärkers. Die anderen Alternativen für das Fühlelement können ebenfalls integriert sein, zusammen mit dem Puffer und dem Sensor.
Der Puffer enthält beispielsweise eine steuerbare Stromquelle, die mit einem Knotenpunkt zwischen dem Fühlelement und dem Niederimpedanzabschnitt gekoppelt ist. Die Stromquelle hat einen mit einem Ausgang des Verstärkers gekoppelten Steuereingang, damit sie nahezu synchron zur Sendeschaltung gesteuert wird. Zusätzlich könnte die Pufferschaltung als Impulsformer entworfen worden sein.
Die Stromquelle kann einen Hauptstrompfad eines zwischen den Kanal und eine Bezugsspannung geschalteten Bipolartransistors enthalten. Bekanntermaßen haben Bipolartransistoren steilere Steuerspannung/Strom-Kennlinien als Feldeffekttransistoren und ziehen mehr Strom ab. Daher bewirkt ein Bipolartransistor einen schnelleren Betrieb. Alternativ kann die Stromquelle einen Feldeffekttransistor umfassen. Wenn die Spannung an dessen Hauptstrompfad verkleinert wird, wird sein Stromansteuerungsvermögen weniger beeinflußt als das eines Bipolartransistors, der in Sättigung gesteuert würde. Ein Feldeffekttransistor könnte die Last der Stromquelle je nach der Situation vollständig laden oder entladen.
Zusätzlich kann die Stromquelle eine zusammengesetzte Anordnung umfassen, wie eine Darlington-Transistor-Konfiguration oder eine andere stromverstärkende Konfiguration zur Erhöhung der Geschwindigkeit.
Vorzugsweise sind Stabilisierungsmittel vorgesehen, um Schwingungen in dem für die Signalübertragung wesentlichen Frequenzbereich zu vermeiden. Die Stabilisierungsmittel können beispielsweise zumindest ein kapazitives Element zwischen einem der Eingänge des Verstärkers und dem Ausgang des Verstärkers enthalten, um Phasenverschiebung zu erreichen. Alternativ können die Stabilisierungsmittel ein nichtlineares Element, wie z. B. eine Diode, in einer Rückkopplungsstrecke des Verstärkers umfassen. Falls das Fühlelement die antiparallele Diodenschaltung verwendet, brauchen zusätzliche Stabilisierungsmittel nicht erforderlich zu sein, da Dioden nichtlineare Anordnungen sind.
Vorzugsweise enthält das Linearbereichmittel ein zusätzliches Widerstandselement, das den nicht-invertierenden Eingang des Inverters und den invertierenden Eingang des Verstärkers über das Fühlelement koppelt. Dies verhindert, daß der Verstärker in den flachen Bereich in seiner Verstärkungskennlinie gelangt. Falls die Stromquelle einen Bipolartransistor umfaßt, hält ein zusätzliches Widerstandselement auch den Transistor aus der Sättigung heraus.
Vorzugsweise sind Vorspannmittel vorgesehen zum Vorspannen des Ausgangssignals des Verstärkers bei einem zuvor bestimmten Spannungspegel, wenn das System sich im Ruhezustand befindet. Dies wird genutzt, um die Stromquelle, z. B. den Bipolartransistor, gerade unter seiner Schaltschwelle zu halten. Daher wird weniger Zeit benötigt, um die Stromquelle in ihren aktiven Zustand zu bringen.
Eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Anpassungsmitteln, die als Kaskade in Intervallen entlang einem Signalweg angeordnet sind, erlaubt noch größere Abstände zwischen miteinander kommunizierenden Stationen.
Es sei bemerkt, daß die Ausführungsformen, die hier dargestellt werden, nicht auf das I²C-Bussystem beschränkt sind. Sie können auch in anderen Bussystemen verwendet werden, die bidirektionale Eindrahtdurchverbindungen verwenden. Experimente mit dem I²C-Bussystem bei 100 kHz haben angegeben, daß Abstände zwischen Stationen in der Größenordnung von 100 Meter und mehr liegen können, wenn das System mit erfindungsgemäßen Anpassungsmitteln ausgerüstet ist, während noch immer akzeptable Kommunikation möglich ist.
Es sei auch bemerkt, daß ein gesondert verfügbares Anpassungsmittel, vorzugsweise als integrierte Schaltung, bestehende Bussysteme vielseitiger macht. Die Anpassung erfolgt nur lokal und dies erfordert keine Modifikationen in der herkömmlichen Elektronik selbst.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Beispiel für ein System mit erfindungsgemäßen Anpassungsmitteln;
Fig. 2a und 2b ein System nach dem Stand der Technik und ein zweites Beispiel für ein System mit erfindungsgemäßen Anpassungsmitteln;
Fig. 3a, 3b, 3c und 3d die Grundschaltung eines erfindungsgemäßen Anpassungsmittels;
Fig. 4 eine erste Ausführungsform für das Anpassungsmittel;
Fig. 5 eine zweite Ausführungsform für das Anpassungsmittel und
Fig. 6 eine dritte Ausführungsform für das Anpassungsmittel.

ERSTES SYSTEMBEISPIEL

Fig. 1 zeigt ein erstes Beispiel für ein System mit erfindungsgemäßen Anpassungsmitteln. Gezeigt wird ein I²C-System mit zwei Stationen, 10 und 12, die über einen bidirektionalen Zweidrahtbus 14 kommunizieren. Der Bus 14 enthält einen Datendraht 16 für den Datensignaltransport und einen Taktdraht 18 für den Taktsignaltransport. Das Datensignal und das Taktsignal sind beide binäre Signale.
Jeder der Busdrähte 16 und 18 wird durch Pull-Up-Widerstände 20 bzw. 22 auf die Versorgungsspannung VDD gebracht, wenn keine Kommunikation vorliegt. Kommunikation zwischen Stationen 10 und 12 wird erreicht, indem die Drähte entsprechend einem zuvor festgelegten Protokoll auf den niedrigen Pegel gebracht werden. Daten werden von einer Station zur anderen unter der Taktsteuerung der Sendestation übertragen oder wie im I²C-System von der die Übertragung initiierenden Station.
Wenn die Anordnungen 10 und 12 die I²C-Standards erfüllen, bedeutet das unter anderem, daß es ein begrenztes Stromableitvermögen von etwa 3 mA bei 100 kHz für die Sendestation gibt, um einen Draht auf den niedrigen Pegel zu bringen. Dies schränkt den Arbeitsbereich einer solchen Anordnung auf etwa 4 Meter ein, da die innere Buskapazität und die Pull-Up-Widerstände 20 und 22 die Anstiegszeit und Abfallzeit des Signals begrenzen. Verringern des Wertes der Pull-Up-Widerstände 20 und 22 würde zu einer größeren, von den Anordnungen 10 und 12 anzusteuernden Last führen oder mit anderen Worten einem kleineren Netto-Stromableitvermögen.
Um dieses Problem zu überwinden, werden Anpassungsmittel 24, 26, 28 und 30 zwischen jeder Station, 10 und 12, und den Drähten 16 und 18 eingebracht. Wenn beispielsweise die Station 10 zu senden beginnt, entweder über den Datendraht 16 oder den Taktdraht 18, verändert das betreffende Anpassungsmittel 24 oder 26 die Busimpedanz, wie sie von der Station 10 aus bei Detektion des sich zum Bus 14 fortpflanzenden Signals gesehen wird. Wenn Station 10 über den Draht 16 oder 18 von der Station 12 aus ein Signal empfängt, stört das Anpassungsmittel 24 oder 26 die Kommunikation nicht und ist nahezu transparent.
Übertragung wird entweder über eine gesonderte Steuerverbindung (nicht abgebildet) zwischen der Sendestation und dem zugehörigen Anpassungsmittel bestätigt oder unter Steuerung des übertragenen Signals selbst. Die letztgenannte Alternative wird vorgezogen, wenn die Anzahl Durchverbindungen und E/A-Anschlußstifte der Stationen und der Anpassungsmittel minimal gehalten werden soll. Noch wichtiger ist, daß An paßbarkeit unter Signalsteuerung die Verwendung von Standard-I²C-Anordnungen erlaubt. Eine integrierte Schaltungsanordnung könnte eine I²C-Anordnung enthalten und Anpassungsmittel in einem einzigen Chip oder Gehäuse, um eine kompakte Anordnung zu verschaffen.

ZWEITES SYSTEMBEISPIEL

Fig. 2a und 2b zeigen ein System nach dem Stand der Technik bzw. ein zweites Beispiel für ein erfindungsgemäßes System.
Fig. 2a zeigt ein Beispiel für ein System nach dem Stand der Technik, das eine integrierte Mikroprozessorschaltung 32 umfaßt, die mit der integrierten Speicherschaltung 34 durch die Leitweganordnung 36 über einen bidirektionalen Bus kommuniziert. Siehe beispielsweise den oben erwähnten Signetics Microcontroller User's Guide, 1989, S. I-4-I-7. Die Leitweganordnung 36 ist beispielsweise ein Multiplexer oder ein bidirektionaler Puffer. Der Betrieb der Leitweganordnung 36 wird vom Mikroprozessor 32 mit Hilfe der Steuerverbindung 35 gesteuert. Ein Beispiel für einen solchen Puffer ist eine antiparallele Anordnung zweier Verstärker, wobei jeder Tristate-Ausgänge hat. Die Verstärker werden abwechselnd aktiviert, beispielsweise mittels des Lese-/Schreib-Kommandos, das den Puffern über die Steuerverbindung 35 zugeführt wird, in Abhängigkeit von der Richtung des Datenflusses.
Fig. 2b zeigt ein zweites Beispiel für ein erfindungsgemäßes System, wobei der Mikroprozessor 32 und die Speicherschaltung 34 über einen bidirektionalen Bus mit Hilfe eines Anpassungsmittels 38 kommunizieren. Unter der Steuerung des Datensignals (oder Adreßsignals) verstärkt das Anpassungsmittel das Signal. Diese Architektur benötigt die zusätzliche Steuerverbindung nicht. Außerdem hat der Mikroprozessor 32 einen E/A-Anschlußstift weniger als der in Fig. 2a, was den Kosten- und Steuerschaltungsaufwand verringert.

BASISKONZEPT EINES ANPASSUNGSMITTELS

Fig. 3a zeigt den Grundgedanken einer Schaltung, die als Anpassungsmittel geeignet ist, beispielsweise Anpassungsmittel 26 von Fig. 1. Das gleiche gilt für das Anpassungsmittel 24, 28, 30 in Fig. 1 und Anpassungsmittel 38 in Fig. 2b. Station 10 enthält einen E/A-Anschluß 40 zum Empfangen und Übertragen eines binären Signals. Intern ist der Anschluß 40 mit dem Pull-Down-Transistor 42 verbunden, der zum Übertragen verwendet wird, und dem Eingangspuffer 44, der zum Empfangen verwendet wird. Dem I²C-Bussystem eigen ist die festverdrahtete UND-Verknüpfung der Pull- Down-Transistoren. Für weitere Einzelheiten sei auf das obige Philips Data Handbook über I²C-Bus-kompatible ICs verwiesen.
Das Anpassungsmittel 26 enthält ein Fühlelement 46, einen Differenzverstärker 48, dessen Eingänge über dem Fühlelement 46 verbunden sind, und eine zwischen eine andere Versorgungsspannung Vss und den Draht 18 geschaltete Pull-Down- Stromquelle 50. Die Stromquelle 50 wird vom Ausgang des Verstärkers 48 gesteuert.
Das Fühlelement 46 kann beispielsweise ein Widerstandselement 46a (Fig. 3b), eine antiparallele Schaltung eines Diodenpaares 46b (Fig. 3c) oder eine beliebige aktive Schaltung 46c (Fig. 3d) umfassen, die beim Detektieren eines darin fließenden Stroms eine Spannungsdifferenz zwischen den Eingängen des Verstärkers 48 erzeugt. Verbindungen von Elementen 46a, 46b und 46c mit dem Verstärker 48 werden für die Verbindung mit dem nicht-invertierenden Eingang bzw. dem invertierenden Eingang des Verstärkers 48 durch Pluszeichen und Minuszeichen angedeutet. Der Deutlichkeit halber wird hierbei im weiteren angenommen, daß das Fühlelement 46 das Widerstandselement 46a enthält.
Die Funktionsweise ist folgendermaßen. Wenn der Pull-Down-Transistor 42 leitend gemacht wird, was eine Übertragung angibt, detektiert der Verstärker 48 eine Spannung am Widerstandselement 46 mit einer vorgegebenen Polarität. Diese Polarität ist derjenigen entgegengesetzt, die beim Empfangen eines Signals generiert wird. Der Verstärker 48 liefert ein Ausgangssignal, das zwischen einem auf den niedrigen Pegel Bringen ("pulling-low") durch Station 10 und anderen Ereignissen unterscheidet, um die Stromquelle 50 richtig zu aktivieren. Bei dem gezeigten Beispiel empfängt der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers 48 beim "pulling-low" durch den Transistor 42 eine höhere Spannung als sein invertierender Eingang. Der Verstärker 48 generiert dann eine hohe Ausgangsspannung, um die Stromquelle SO einzuschalten. Somit arbeitet die Stromquelle 50 nahezu synchron zum Transistor 42. Bei allen anderen Ereignissen läßt der Verstärker 48 die Stromquelle 50 abgeschaltet, wodurch die Anpassungsmittel 26 nahezu transparent für die einlaufenden Signale bleiben. Es sei bemerkt, daß nur die Differenzverstärkung durch den Verstärker 48 für den Betrieb relevant ist. Es sei auch bemerkt, daß die Unempfindlichkeit gegen Übertragungsrauschen infolge der Verwendung eines solchen Anpassungsmittels zugenommen hat.

ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ANPASSUNGSMITTEL

Das Grundkonzept von Fig. 3 erfordert einige Verfeinerungen. Erstens muß die Stromquelle 50 vorzugsweise als schnell ansprechende Anordnung ausgeführt werden. Zweitens bildet der Pull-Up-Widerstand 22 zusammen mit der Stromquelle 50 einen Inverter, der in der positiven Rückkopplungsstrecke des Verstärkers 48 liegt. Diese Konfiguration kann unerwünschterweise als Oszillator wirken. Phasenverschiebungsmittel müssen eingebracht werden, um Schwingungen in dem Frequenzbereich der Übertragung zu vermeiden. Drittens muß der Verstärker 48, um eine schnelle Schaltung zu verschaffen, in seinem linearen Bereich gehalten werden, wo seine Eingangs-/Ausgangsspannung-Kennlinie am steilsten ist.
In Fig. 4 wird eine Ausführungsform von Anpassungsmitteln 26 gezeigt, die die obigen Anforderungen erfüllt. Die Stromquelle 50 wird jetzt von dem Bipolartransistor 50 gebildet. Wie wohlbekannt ist, hat ein Bipolartransistor eine exponentielle Strom/Spannung-Kennlinie und kann daher als schnell ansprechende Stromquelle fungieren. Das Phasenverschiebemittel umfaßt einen Kondensator 52, der den Ausgang des Verstärkers 48 mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 48 koppelt, und einen Kondensator 54, der die Basiselektrode des Transistors 50 mit dem Draht 18 koppelt. Um den Verstärker 48 und den Transistor 50 außerhalb ihrer jeweiligen Sättigungsbereiche zu halten, ist ein Widerstand 60 zwischen den Anschluß 40 und den invertierenden Eingang des Verstärkers 48 geschaltet. Die Widerstände 56 und 58 fungieren als Spannungsteiler und halten den invertierenden Eingang auf einer zuvor bestimmten Spannung unterhalb Ver, wenn der Draht inaktiv ist, wobei somit dem Verstärker 48 ein Offset gegeben wird. Ein Widerstand 62 wird zwischen dem Ausgang des Verstärkers 48 und der Basis von Transistor 50 eingebracht, um den in die Basis fließenden Strom zu begrenzen.
Bei einer typischen Ausführungsform, bei der die Differenz zwischen VDn und VSS etwa 5 Volt beträgt, haben die obigen passiven Bauelemente vorzugsweise die folgenden typischen Werte. Der Fühlwiderstand 46 hat ungefähr 200 Ohm. Die Kondensatoren 52 und 54 haben ungefähr 220 pF bzw. 22 pF. Die Widerstände 56, 58 und 60 haben ungefähr 4,7 kOhm, 47 kOhm bzw. 470 Ohm. Der Widerstand 62 hat ungefähr 2, 2 kOhm.

ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM DER ANPASSUNGSMITTEL

Die Schaltungen der Fig. 3 oder 4 können als Impedanzanpassungsschaltungen für eine Richtung betrachtet werden. Ihr Anwendungsbereich geht über die anhand der nur als Beispiel gegebenen Fig. 1 und 2 besprochenen Kommunikations systeme hinaus.
Fig. 5 zeigt das Prinzip einer Konfiguration zur aktiven Steuerung der Signalkopplung in beiden Richtungen. Ein Kommunikationsbus 70 koppelt zwei Schaltungen (nicht abgebildet), die beide imstande sind, ein Signal auf dem Bus 70 zu übertragen und zu empfangen. Ein Fühlwiderstand 72 ist in den Bus eingefügt. Die Widerstände 74 und 76 stellen die Pull-Up-Widerstände dar. Ein Differenzverstärker 78 hat Ausgänge 80 und 82, die zueinander komplementäre Steuersignale liefern. Eine der Stromquellen 84 und 86 wird eingeschaltet sein, je nach der Fortpflanzungsrichtung des Signals entlang dem Draht 70. Die andere Stromquelle 86 oder 84 bleibt außer Betrieb.
Experimente geben an, daß eine solche Konfiguration die Wirkungen von Erdspannungsverschiebungen verringern, die auftreten, wenn ein Strom in der Versorgungsleitung Spannungabfälle bewirkt, infolge des inneren Widerstandes der Erdspannungsversorgungsleitung. Diese Konfiguration kann auch verwendet werden, um zwei physikalisch unterschiedliche Niederimpedanzabschnitte eines Übertragungskanals, wie ein Koaxialkabel und ein Paar verdrillter Leitungen zu koppeln.

DRITTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ANPASSUNGSMITTEL

Fig. 6 zeigt eine Ausführung des Plans von Fig. 5. Der Verstärker 78 ist mittels der Anordnung von Verstärkerschaltungen 90 und 92 ausgeführt, von denen jede einen invertierenden Eingang hat, der mit einem nicht-invertierenden Eingang der anderen Verstärkerschaltung gekoppelt ist. Der Fühlwiderstand 72 von Fig. 5 umfaßt jetzt eine Reihenschaltung von Widerständen 94 und 96. Ein dritter Widerstand 98 verbindet einen Knotenpunkt zwischen Widerständen 94 und 96 mit Erde. Pull-Up-Widerstand 74 und Widerstand 94 bilden einen Spannungsteiler mit dem Widerstand 98, der mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 92 verbunden ist. Seine Funktion ist anhand von Fig. 4 besprochen worden. Auf diese Weise verschmilzt der Spannungsteiler teilweise mit bereits vorhandenen Bauelementen. In gleichartiger Weise bilden der Pull-Up-Widerstand 76 und die Widerstände 96 und 98 einen anderen Spannungsteiler, der mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 90 verbunden ist.
Die Stromquellen 84 und 86 umfassen Bipolartransistoren 100 bzw. 102. Widerstände 104 und 106 begrenzen den in den Transistor 100 bzw. 102 fließenden Strom. Kondensatoren 108 und 110 führen eine Phasenverschiebung aus, um Schwingungen außerhalb des zur Signalübertragung gehörenden speziellen Frequenzbereichs zu halten.

Claims

1. Bidirektionales Signalübertragungssystem mit einem bidirektionalen Signalweg mit einem mit einem Hochimpedanzabschnitt gekoppelten Niederimpedanzabschnitt (18) zur Übertragung eines binären Signals in beide Richtungen sowie Mitteln (26) zum Anpassen einer Signalkopplung zwischen den Abschnitten unter der Steuerung des Signals selbst, in Abhängigkeit von einer Richtung der Übertragung, wobei die Mittel (26) ein zwischen dem Niederimpedanzabschnitt (18) und dem Hochimpedanzabschnitt liegendes Fühlelement (46) umfassen, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (26) einen Sensor (48) und einen Puffer (50) umfassen, wobei der Sensor (48) eine Polarität eines durch das Fühlelement (46) fließenden Stroms detektiert und ein Steuersignal abgibt, daß die detektierte Polarität zur Steuerung des Puffers (50) anzeigt, wobei der Puffer (50) eine mit einem Knotenpunkt zwischen dem Fühlelement (46) und dem Niederimpedanzabschnitt (18) verbundene steuerbare Stromquelle (SO) umfaßt, um unter der Steuerung des Sensors (48) synchron zur Signalfortpflanzung in der speziellen Richtung zu arbeiten.

2. System nach Anspruch 1, in dem das Fühlelement (46) zumindest eine der folgenden Anordnungen umfaßt: ein Widerstandselement, eine aktive Elektronikschaltung zum Erzeugen einer Spannungsdifferenz, die die Richtung eines durch das Fühlelement fließenden Stroms anzeigt, ein Paar Dioden, vorzugsweise Schottky-Dioden, die antiparallel zueinander zwischen den Abschnitten angeordnet sind.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, in dem der Sensor (48) einen Differenzverstärker (48) umfaßt, der zum Detektieren der Polarität das zwischen einen invertierenden Eingang und einen nicht-invertierenden Eingang geschaltete Fühlelement (46) hat.

4. System nach Anspruch 3, in dem der Verstärker (48) Vorspannmittel (58) hat, um den Verstärker (48) in seinem linearen Verstärkungsbereich zu halten.

5. System nach Anspruch 3 oder 4, in dem der Verstärker (48) Stabilisierungsmittel (52) hat, um Schwingungen in einem zur Signalübertragung gehörenden Frequenzbereich über den Signalweg zu vermeiden.

6. System nach Anspruch 1, in dem die Stromquelle einen Hauptstrompfad eines Transistors (50) umfaßt, der eine mit dem Sensor (48) gekoppelte Steuerelektrode hat.

7. System nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, das weiterhin einen weiteren Puffer (84, 86) umfaßt, wobei die Pufferausgänge mit den verschiedenen Abschnitten des Signalweges gekoppelt sind und in Abhängigkeit von der detektierten Polarität abwechselnd durch den Detektor aktivierbar sind.

8. System nach Anspruch 7, in dem der Detektor ein erstes Fühlelement (72) und einen Differenzverstärker (78, 90, 92) umfaßt, der einen mit den Puffern (84, 86) gekoppelten Ausgang hat, um die Puffer (84, 86) in Abhängigkeit von der detektierten Polarität zueinander komplementär zu steuern.

9. System nach Anspruch 8, in dem der Verstärker (90, 92) erste und zweite Differenzverstärkerschaltungen (90, 92) umfaßt, wobei jede Schaltung (90, 92) einen invertierenden Eingang und einen mit dem invertierenden Eingang der anderen Schaltung (90, 92) gekoppelten nicht-invertierenden Eingang hat, und in dem ein zweites Fühlelement (94, 96) in Reihe mit dem ersten Fühlelement (94, 96) zwischen dem invertierenden Eingang und dem nicht-invertierenden Eingang jeder Schaltung (90, 92) angeordnet ist, wobei ein Knotenpunkt zwischen der ersten und der zweiten Anordnung mit einem Bezugsspannungsknotenpunkt gekoppelt ist.

10. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem eine Vielzahl von Anpassungsmitteln als Kaskade angeordnet ist.

11. Anpassungsschaltung zur Verwendung mit einem bidirektionalen Übertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die Anpassungsschaltung zum Anpassen einer Signalkopplung zwischen einem Niederimpedanzabschnitt und einem Hochimpedanzabschnitt unter Steuerung des Signals selbst, in Abhängigkeit von einer Richtung der Übertragung, wobei die Anpassungsschaltung ein zwischen dem Niederimpedanzabschnitt (18) und dem Hochimpedanzabschnitt liegendes Fühlelement (46) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Sensor (48) und einen Puffer (50) umfaßt, wobei der Sensor (48) eine Polarität eines durch das Fühlelement (46) fließenden Stroms detektiert und ein Steuersignal abgibt, das die detektierte Polarität zur Steuerung des Puffers (50) anzeigt, wobei der Puffer (50) eine mit einem Knotenpunkt zwischen dem Fühlelement (46) und dem Niederimpedanzabschnitt (18) verbundene steuerbare Stromquelle (50) umfaßt, um unter der Steuerung des Sensors (48) synchron zu dem sich in der speziellen Richtung fortpflanzenden Signal zu arbeiten.

12. Anpassungsschaltung nach Anspruch 11, wobei das Fühlelement in der integrierten Schaltung aufgenommen ist.