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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
für das Übertragen von
Daten. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf eine Technik
für das
Erhöhen
des Datendurchsatzes auf einem Differenzdatenausgang.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine
Haupteinschränkung
in vielen Datenverarbeitungsschaltungen ist die Anzahl von verfügbaren Datenausgangssignalen.
Dies trifft besonders im Fall von integrierten Schaltungen zu, wo
die Anzahl von Schaltungselementen die der verfügbaren Ausgangsstifte weit übersteigt.
Dementsprechend ist es wünschenswert,
unter Verwendung der Mindestanzahl von Verbindungen so viele Daten
wie möglich
zwischen zwei Punkten zu übertragen.
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In
einem herkömmlichen "unsymmetrischen" Datenübertragungsverfahren
wird ein einzelnes Datensignal durch das Variieren eines Signalattributs, wie
z.B. Strom oder Spannung, über
einen Datenkanal, wie z.B. einen Draht, geschickt. Zum Beispiel kann
bei einer digitalen Datensignalübertragung
das Übertragen
eines 0 Volt-Signals ein digitales Null-Bit anzeigen, während das Übertragen
eines 5-Volt-Signals ein digitales Eins-Bit anzeigt. Dieses herkömmliche
Verfahren für
Datensignalübertragung
ist geeignet, wenn die Signalpegel weit beabstandet und gut definiert
sind. Jedoch ist der Energieverbrauch von elektronischen Vorrichtungen
in letzter Zeit ein wichtiges Thema geworden. Um dieses Problem
anzugehen, wurden die Versorgungsspannungen und die Trennung zwischen
verschiedenen Datenpegeln wesentlich reduziert. Trennungen im Bereich
von nur mehreren hundert Millivolt sind nicht ungewöhnlich. Leider
sind unsymmetrische Datenübertragungen
relativ anfällig
für Rauschen
und wird, wenn Signalschwankungen reduziert werden, Rauschen zu
einem ernsthaften Problem und sogar ein kleines Störungsausmaß kann die
Zuverlässigkeit
der Schnittstelle ernsthaft verschlechtern.
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Eine
herkömmliche
Lösung
für Leitungsrauschen
bestand bis jetzt darin, einen Differenztakttyp für Signalübertragung
zu verwenden. Ein einziges Datensignal wird über zwei Drähte übertragen, von denen jeder
eine Signalkomponente führt.
Die zwei Komponenten werden allgemein von dem gleichen Quellendatensignal
abgeleitet und werden so variiert, dass das Datensignal als der
Unterschied zwischen den Signalpegeln der zwei Signalkomponenten übertragen
wird.
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In
digitalen Umgebungen werden Differenzdatensignale als zwei Spannungssignale
von entgegengesetzter Polarität
relativ zu einem Bezugspegel übertragen
(Differenzspannungssignalübertragung). Die übertragenen
Daten werden durch das Bestimmen, welche Signalkomponente eine größere Spannung
hat, extrahiert. Durch das Ändern
der Spannungspolarität
der Signalkomponenten können
die erwünschten
Daten übertragen
werden. Alternativ kann eine Stromsignalübertragung verwendet werden,
bei der ein Differenzsignal als zwei Stromsignale dargestellt wird,
die in entgegengesetzte Richtungen auf einer geschlossenen Schleife
fließen.
Die Richtung des Stromflusses zeigt die Polarität des übertragenen Digitalsignals
an. Durch das Ändern
der relativen Polarität
der Spannungssignalkomponentenrichtung des Stromflusses können die
erwünschten
Daten übertragen
werden.
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Differenztaktsignalübertragung
schafft eine stark verbesserte Rauschimmunität, weniger Energieverbrauch
als auch weniger Rauscherzeugung und wird deshalb weithin verwendet,
um Digitalschaltungen auf separaten Chips und Leiterplatten miteinander
zu verbinden. Jedoch besteht ein wesentliches Problem bei der Differenzübertragung
darin, dass zwei Drähte
erforderlich sind, um ein Datensignal zu übertragen. Dies ist ein besonders
ernsthaftes Problem, wenn integrierte Schaltungen betroffen sind,
da die Anzahl von verfügbaren
Eingangs- und Ausgangsstiften äußerst beschränkt ist.
Es ist deshalb wünschenswert,
die Datenmenge, die über
eine digitale Datenschnittstelle übertragen werden kann, zu erhöhen und
gleichzeitig die mit zweidrahtiger Differenzsignalübertragung
verbundenen Vorteile bezüglich
Energie und Rauschimmunität
zu bewahren. Es ist auch wünschenswert,
zusätzliche
Information über
eine zweidrahtige Differenzschnittstelle zu übertragen, ohne die Genauigkeit
des ursprünglichen
Differenztaktsignals zu verringern und ohne die Anzahl von erforderlichen
Schnitt stellendrähte
zu erhöhen.
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Differenzsignalübertragung
wurde auch in der Telekommunikationsumgebung verwendet, besonders
im Zusammenhang mit zweidrahtiger "verdrillter" Audiokommunikation. Sende- und Empfangsschaltungen
sind unter Verwendung von Transformatoren mit der Schnittstelle
gekoppelt. Im Zusammenhang mit Audiokommunikation über Telefonkabel wurden
die Kopplungstransformatoren mit einem Mittelabgriff versehen, um
zu ermöglichen,
dass ein zusätzliches
Signal auf dem verdrillten Draht-Paar übertragen wurde. Zwei mit Mittelabgriff
versehene Schaltungen wurden wie in 1 gezeigt
unter Verwendung von Transformatoren kombiniert, um eine "Phantomschaltung" zu schaffen. Wie
gezeigt, werden zwei Analogsignale auf eine normale Art über jedes
der symmetrischen Paare übertragen.
Ein drittes Analogsignal wird über
die vier Drähte
durch die Mittelabgriffe der Transformatoren übertragen. Vorausgesetzt, dass
alle vier Drähte
genau symmetrisch sind, werden die ersten zwei Signale nicht von
Strömen
beeinflusst, die durch die Mittelabgriffe der Transformatorwicklungen
eintreten und austreten.
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Ein
wesentlicher Nachteil dieses Schaltungstyps ist die einschränkende Natur
der Transformatorkopplung. Transformatoren sind Strukturen mit einem
relativ schmalen Bandpass und die Attribute der in einer speziellen
Anwendung verwendeten Transformatoren müssen gemäß einer vorherbestimmten und
begrenzten Eingangssignalbandbreite gewählt werden. Für Standardtelefonie
ist diese Grenze 300 Hz bis 3300 Hz. Signale mit einer Frequenz
außerhalb
der vorgesehenen Bandbreite werden von der Transformatorschnittstelle
gedämpft
und von dem System nicht weitergeleitet. Folglich sind, während Phantomschaltungen
für das Übertragen
eines dritten Signals mit beschränkter
Bandbreite über zwei
Schmalbandstimmensignalen geeignet sein mögen, auf Transformatoren basierende
Schaltungen ungeeignet für
Datenkommunikation mit Breitband oder variablem Band. Insbesondere
sind sie ungeeignet für
digitale Kommunikation, da die pseudo-zufällige Natur von Digitalsignalen
zu Signalfrequenzen führt,
die je nach dem Dateninhalt von null Hertz für eine Reihe von Bits mit der
gleichen Polarität
bis zu mehreren Giga-Hertz reichen können. Ein zusätzlicher
Nachteil bei diesem Typ von Schaltungsanordnung ist die Schwierigkeit,
eine symmetrische Schnittstelle aufrecht zu erhalten, wenn mehr
als ein paar verdrillte Drähte
vorhanden sind. Dies ist besonders schwierig, da die Schnittstellenmerkmale
entlang der Länge
eines Telefonkabels auf Grund von Verschiebung der relativen Position
eines Paars von Drähten
in Bezug auf andere und die Mittelabgriffe der verschiedenen Drähte variieren,
wenn zusätzliche
Teilnehmer verbunden werden.
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Das
US-Patent mit der Nummer 5 592 510 offenbart eine Anordnung in einer
Treiberschaltung für
ein verdrilltes Paar aufweisendes Kabel mit einem Kompensator für das Verhindern
eines wesentlichen Gleichtaktstromflusses in das ein verdrilltes
Paar aufweisendes Kabel oder daraus heraus als Antwort darauf, dass
die Vorrichtung einen breiten Bereich von Gleichtaktvorspannungspegeln
empfängt.
WO 97/32252 offenbart ein Verfahren für das dynamische Verbessern
eines Datenspeichersystems, Diplex-Computerkommunikation und einen
Diplexer, wobei der Diplexer und die Diplex-Kommunikation in einem
dynamisch verbesserbaren Scheibenanordnungs-Chassis verwendet werden
können.
WO 98/28887 offenbart ein System für das Übertragen von Information von
einer Quelle an ein Ziel unter Verwendung von mehrpegeliger Signalübertragung. Mehrere
Leiter sind zwischen die Übertragungsquelle
und das Übertragungsziel
gekoppelt. Mehrere Treiber sind mit den Leitern an der Übertragungsquelle gekoppelt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß dem ersten
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Schaltung für das Übertragen
von digitalen Daten nach Anspruch 1 vorgesehen. Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung ist eine Schaltung für das Empfangen
eines ersten digitalen Signals, das als eine erste und eine zweite
Differenzsignalkomponente übertragen
wird, und für
das Empfangen eines zweiten digitalen Signals, das als ein eingekoppeltes
Gleichtaktsignal übertragen
wird, das von Differenzsignalkomponenten geführt wird, nach Anspruch 6 vorgesehen.
In einem dritten Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein System
für das Übertragen
und Empfangen eines ersten und eines zweiten digitalen Signals über eine
Schnittstelle mit einem ersten und einem zweiten Ende nach Anspruch
8 vor. In einem vierten Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein
Verfahren für
das Übertragen
von digitalen Daten nach Anspruch 10 vor.
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Gemäß der Erfindung
wird eine zweidrahtige Datenschnittstelle mit einer Ausgangsstufe,
die eine Breitband- oder Allpass-Differenzschaltstruktur aufweist,
verwendet, um digitale Daten unter Verwendung von Differenzsignalübertragung
zu übertragen. Die
Ausgangsstufe weist eine Gleichtakteinkopplungsschaltung, wie z.B.
ein über
der Schnittstelle platziertes Widerstandsnetzwerk auf, das verwendet wird,
um einen Gleichtaktstrom oder eine Gleichtaktspannung auf eine Weise,
die die zwei Differenzsignalkomponenten in im Wesentlichen dem gleichen Ausmaß beeinflusst,
auf die Schnittstelle einzukoppeln. Da der Unterschied zwischen
den zwei Signalkomponenten konstant bleibt, bleibt das Differenztaktsignal
unverändert.
Eine Eingangsstufe ist vorgesehen, um das Differenzsignal zu detektieren,
und hat eine Extraktionsschaltung, die ein zweites Widerstandsnetzwerk
sein kann, um den übertragenen Gleichtaktsignalpegel
zu extrahieren. Alternativ kann das Gleichtaktsignal in eine den
Differenzdaten entgegengesetzte Richtung eingekoppelt werden (d.h. die
Einkopplungsschaltung ist in der Eingangsstufe und die Extraktionsschaltung
ist in der Ausgangsstufe).
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Dementsprechend
werden zwei Datendrähte verwendet,
um ein erstes digitales Datensignal unter Verwendung von Differenzsignalübertragung
zu übertragen
und ein zweites Gleichtaktsignal in die gleiche Richtung wie das
Differenzsignal oder die dem Differenzsignal entgegengesetzte Richtung
zu übertragen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird
Differenzstromsignalübertragung
mit einem Stromschalter erreicht, der als der Differenzausgangstreiber
mit der Schnittstelle verbunden ist und wird ein geschalteter Strom
oder eine geschaltete Spannung als das Gleichtaktsignal angelegt.
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In
einer zweiten Ausführungsform
ist eine dritter Draht auf der Datenschnittstelle vorgesehen. Die
Größe eines
Signals auf dem dritten Draht wird auf eine koordinierte Weise mit
dem auf das Differenzpaar eingekoppelte Gleichtaktsignal variiert.
Das Gleichtaktsignal und das Signal des dritten Drahts werden verwendet,
um ein zweites Datensignal in die gleiche wie das erste Signal oder
in die dem ersten Signal entgegengesetzte Richtung differenzmäßig zu übertragen.
In einer Variante dieser Ausführungsform wird
eine "zweite" Differenzausgangsstufe
oder ein Treiber mit einer Gleichtakteinkopplungseinrichtung verwendet, um
den dritten Draht und das Gleichtaktsignal der ersten Ausgangsstufe
zu treiben. Ein zweites Gleichtaktsignal kann auch durch die zweite
Ausgangsstufe eingekoppelt werden. Diese Anordnung ermöglicht,
dass sowohl zwei Differenzdatensignale über drei Schnittstellendrähte als
auch ein drittes Gleichtaktsignal übertragen werden.
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In
noch einer dritten Ausführungsform
sind zwei Differenzdatenschnittstellen für das Übertragen von zwei binären Datensignalen
in die gleiche oder entgegengesetzte Richtung vorgesehen. Jede Schnittstelle
hat eine Gleichtakteinkopplungs- und -extraktionsschaltung, so dass
ein Gleichtaktsignal über
jede zweidrahtige Differenzschnittstelle übertragen werden kann. Die
zwei Gleichtaktsignale werden verwendet, um ein drittes binäres Datensignal
differenzmäßig zu übertragen.
Somit können
vier Datendrähte
verwendet werden, um drei Differenzsignale zu übertragen. Außerdem kann
eine gemeinsame "Gleichtakt"-Signalspannung auf
alle vier Drähte
eingekoppelt werden, was ermöglicht,
dass ein weiteres Datensignal als ein unsymmetrisches Signal geführt wird,
wodurch die Datenführungsfähigkeit
erhöht wird.
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In
einer vierten Ausführungsform,
die eine Modifikation der dritten Ausführungsform ist, werden die
zwei eingekoppelten Gleichtaktsignale von einer dritten Ausgangsstufe
erzeugt, die mit den Einkopplungsschaltungen in den zwei Ausgangsstufen
verbunden ist, die die Schnittstelle treiben. Die eingekoppelten
Gleichtaktsignale werden verwendet, um sowohl ein Differenzdatensignal
als auch ein zusätzliches
Gleichtaktsignal zu übertragen.
In dieser Ausführungsform
werden vier Ausgangsdrähte
verwendet, um vier Datensignale zu übertragen, von denen drei Differenzdatensignale
sind und das vierte ein unsymmetrisches Gleichtaktsignal ist. Wie
in den vorherigen Ausführungsformen
kann der Datenfluss in jede Richtung gehen. Dies ist eine wesentliche
Verbesserung gegenüber
herkömmlichen
Differenzschnittstellen, wo nur zwei Datensignale über vier
Drähte übertragen
werden.
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Gemäß der Erfindung
können
Differenzeingangs und -ausgangsstufen mit Gleichtakteinkopplungs-
und -extraktionsschaltungen in einer großen Vielfalt von Weisen kombiniert
werden, um die Anzahl von über
Differenzdatenpaare übertragenen
Datensignalen zu erhöhen.
Infolgedessen kann der Datendurch satz auf einer gegebenen Anzahl
von zweidrahtigen Differenzschnittstellen erhöht werden, um dem einer unsymmetrischen
Datenübertragung
(d.h. einem Bit pro Draht) äquivalent
zu sein, während
er die Vorteile von niedrigem Energieverbrauch und hoher Rauschimmunität von Differenztaktübertragung bewahrt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorhergehenden und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden
leichter aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Zeichnungen
von erläuternden
Ausführungsformen
der Erfindung ersichtlich. In denen ist:
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1 eine
Transformator-basierte Phantomschaltung, die in Telefonieanwendungen
verwendet wird;
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2a ein
Schaltungsdiagramm einer Datenschnittstelle gemäß der Erfindung;
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2b ein
Teil der Datenschnittstelle aus 2a, der
eine bidirektionale Gleichtaktsignalübertragungsanordnung aufweist;
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2c ein
Schaltungsdiagramm eines bidirektionalen Differenz- und Gleichtaktschaltschnittstellenpuffers;
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2d ein
Blockdiagramm eines Multiportbusses, der die bidirektionale Schnittstelle
aus 2C verwendet;
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2e ein
Schaltungsdiagramm eines grundlegenden Empfängers für auf einer Differenzschnittstelle übertragene
Gleichtaktsignale;
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3 ein
Blockdiagramm einer dreidrahtigen Datenschnittstelle gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung;
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4 ein
Blockdiagramm einer vierdrahtigen Datenschnittstelle gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung;
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5 ein
Blockdiagramm einer vierdrahtigen Datenschnittstelle gemäß einer
vierten Ausführungsform
der Erfindung;
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6 ein
Blockdiagramm einer hybriden dreidrahtigen Schnittstelle gemäß noch einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung;
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7 ein
Schaltungsdiagramm eines alternativen Differenz- und Gleichtaktdatensenders
gemäß der Erfindung;
und
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8 ein
Schaltungsdiagramm eines alternativen Differenz- und Gleichtaktdatensenders
gemäß der Erfindung,
der eine dreidrahtige Schnittstelle verwendet.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜRHUNGSFORMEN
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Ein
Schaltungsdiagramm einer digitalen All-Pass-Datenschnittstelle,
die Differenz- und Gleichtaktsignalübertragung gemäß der Erfindung kombiniert,
ist in 2a gezeigt. Die Schnittstelle
hat eine Ausgangsstufe 30 und eine Eingangsstufe 31. Die
Ausgangsstufe 30 weist eine Differenzschaltschaltung 32 mit
einer hohen Bandbreite und vorzugsweise einem All-Pass und eine
Gleichtakteinkopplungsschaltung 47 auf. Die Eingangsstufe 31 weist
einen Differenzempfänger 41 mit
einer Gleichtaktextraktionsschaltung 49 auf. In den in
den Figuren erläuterten
Schaltungen sind herkömmliche
Widerstände
erläutert.
Jedoch versteht sich, dass der Widerstand unter Verwendung anderer
Widerstands-Vorrichtungen, wie z.B. geeignet vorgespannter MOS-Transistoren,
oder einer Kombination von passiven und aktiven Komponenten, implementiert werden
kann.
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Die
Schaltschaltung 32 liefert ein Paar Differenzsignale auf
der Schnittstelle 34, 36 als Antwort auf ein erstes
digitales Datensignal D0. Die Gleichtakteinkopplungsschaltung 47 liefert
ein Gleichtaktsignal entsprechend einem zweiten Digitaldatensignal D1.
Das Gleichtaktsignal wird auf eine Weise, die die Differenzsignale
in dem im Wesentlichen gleichen Ausmaß ändert, auf jedes Differenzsignal
eingekoppelt. Da der Unterschied zwischen den Differenzsignalen
im Wesentlichen gleich bleibt, bleiben die differenzmäßig übertragenen
Daten unverändert.
Das eingekoppelte Gleichtaktdatensignal D1 kann dann getrennt von
der Extraktionsschaltung 49 extrahiert werden.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
ist die Differenzschaltschaltung 32 ein Stromschalter,
der einen Strom I von einer angepassten Stromquelle und -senke 33, 35 durch
Schalterpaare SA, SB, Drähte 34, 36 und
eine angeschlossene Last, hier die Eingangsstufe 31, liefert.
Die Schalter SA und SB können
auf eine komplementäre
Weise betätigterden,
so dass, wenn ein Paar offen ist, das andere geschlossen ist. Der
Zustand der Schalter steuert die Richtung des Strom flusses durch
die Schnittstelle 34, 36. Das Stromsignal auf
den zwei Drähten
bildet ein Differenzdatensignal. Die Richtung des Stromflusses wird
von einem Komparator 41 detektiert, der den Spannungsabfall über einer
Widerstandsvorrichtung, wie z.B. Widerständen 38, 40,
misst. Die Polarität
des gemessenen Spannungsabfalls zeigt die Polarität des übertragenen
Datenbits an. Hier wird der Zustand der Schalter SA, SB von dem
digitalen Datenbit D0 gesteuert, so dass, wenn zum Beispiel D0 hoch ist,
die Schalter SA geschlossen sind, während die Schalter SB offen
sind.
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Alternativ
kann Differenzspannungsschalten verwendet werden. In diesem Fall
wird einer von zwei verschiedenen Spannungspegeln an jeden Draht 34, 36 angelegt.
Die angelegten Spannungen werden mittels komplementärer Schaltern
gewählt,
die von z.B. dem Datenbit D0 getrieben werden. Der Wert von D0 wird
durch das Messen des Spannungsunterschieds zwischen den zwei Drähten bestimmt,
um zum Beispiel zu bestimmen, welcher Draht eine höhere Spannung
hat. Da kontinuierlicher Strom nicht durch die Schnittstelle fließen muss,
um Spannungspegel zu übertragen,
müssen
Schnittstellendrähte 34, 36 keine
geschlossene Schleife bilden, wie es in einem Stromsignalübertragungsschema
erforderlich ist. Spannungssignalübertragung ist untenstehend detaillierter
erörtert.
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Eine
Gleichtakteinkopplungsschaltung 47 ist vorgesehen, um eine
Gleichtaktspannung oder einen Gleichtaktstrom in die Schnittstelle 34, 36 einzukoppeln.
In der bevorzugten Ausführungsform
weist die Einkopplungsschaltung 47 zwei über der
Schnittstelle 34, 36 in Reihe platzierte Widerstände 42 und 44 auf.
Ein Strom oder eine Spannung wird zwischen den Widerständen 42, 44 an
einem Knoten 46 eingekoppelt. Eine Gleichtaktextraktionsschaltung 49 ist an
dem entgegengesetzten Ende der Schnittstelle vorgesehen und weist
hier über
der Schnittstelle 34, 36 in Reihe platzierte Widerstände 38 und 40 auf. Das
eingekoppelte Gleichtaktsignal wird von der Stelle zwischen den
Widerständen 38, 40 an
dem Knoten 48 extrahiert. In der in 2 gezeigten
Ausführungsform
ist die Einkopplungsschaltung 47 in der Ausgangsstufe 30 und
ist die Extraktionsschaltung 49 in der Eingangsstufe 31.
Jedoch kann die Position der Einkopplungs- und der Extraktionsschaltung 47, 49 so
geschaltet sein, dass der Gleichtaktdatenfluss dem Differentialtaktdatenfluss
entgegengesetzt gerichtet ist.
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Wie
erläutert,
fließt,
wenn das Schalterpaar SA geschlossen ist und SB offen ist, ein Teil
des Stroms I von der Stromquelle 33 durch den Draht 34, die
Extraktionswiderstände 38 und 40 in
der Empfangsstufe 31 und dann zurück durch den Draht 36 zur
Ausgangsstufe 30. Der Rest des Stroms fließt durch
die Einkopplungsschaltungswiderstände 42, 44.
Vorzugsweise werden die Größen der
Widerstände 38, 40, 42 und 44 relativ
zu der Impedanz der Schnittstelle gewählt, um eine symmetrische Schaltung
zu schaffen, in der die Hälfte
des Stroms I durch die Schnittstelle fließt und die Hälfte durch
die Einkopplungsschaltung fließt.
Das Umkehren des Zustandes der Schalter SA, SB kehrt die Richtung
des Stromflusses um. Die Polarität
des Spannungsabfalls über
den Widerständen 38 und 40 wird
z.B. von einem Komparator 41 detektiert, um die Richtung
des Stromflusses und folglich den Wert des ersten übertragenen
Datensignals D0 zu bestimmen.
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Gemäß der Erfindung
wird ein Gleichtaktdatensignal, das ein Strom oder eine Spannung
sein kann, durch die Einkopplungsschaltung 47 an dem Knoten 46 auf
die Schnittstelle 34, 36 eingekoppelt. Die Schaltung
ist so konfiguriert, dass das eingekoppelte Signal im Wesentlichen
gleichmäßig über die zwei
Schnittstellendrähte 34, 36 verteilt
wird und deshalb das zugrunde liegende Differenzsignal nicht beeinflusst.
Das eingekoppelte Gleichtaktsignal wird an dem Knoten 48 in
der Extraktionsschaltung 49 extrahiert.
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Für die Gleichtaktspannungssignalübertragung
wird ein Gleichtaktspannungssignal, das ein zweites binäres Datensignal
D1 darstellt, vorzugsweise von einem Schalter 50 eingekoppelt,
der von dem Signal D1 gesteuert wird, das einen von zwei Differenzspannungspegeln
VH und VL auswählt. Die Größe der eingekoppelten
Spannung zeigt den Wert von D1 an. Da die Stromquelle 33 und
die Stromsenke 35 angepasst sind und nur einen Gesamtstrom
I unterstützen,
kann möglicherweise
kein zusätzlicher Strom
durch sie geliefert oder abgeleitet werden. Deshalb fließt, wenn
irgendein Strom i an dem Knoten 46 eingekoppelt wird, dieser
durch die Drähte 34 und 36 und
kann das Signal von dem System an dem Knoten 48 durch das
Signal 52 entfernt werden. Wenn im Wesentlichen kein Strom
von dem Knoten 48 gezogen wird, wie es geschehen würde, wenn
das extrahierte Signal 52 an eine Vorrichtung mit einer sehr
hohen Impe danz, wie z.B. einen Operationsverstärker, angelegt wird, wird der
Strom zu der Quelle analog zu dem gut bekannten Reflektionseffekt
in Quellenanschlussleitungstreibern zurück reflektiert und wird nur
das Gleichtaktspannungssignal übertragen.
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Obwohl
der elektrische Widerstandswert der Widerstände 38, 40, 42 und 44 auf
verschiedene relative Werte entsprechend den System- und Konstruktionsanforderungen
eingestellt werden kann, sind die Widerstandswerte der Widerstände 38, 40, 42 und 44 vorzugsweise
gleich, so dass jeder beliebige Strom, der entweder beabsichtigterweise
oder auf Grund inhärenter
Kapazitäten
des Systems eingekoppelt wird, gleichmäßig durch beide Signalpfade fließt und somit
den Strom in den Differenzsignalkomponenten auf den Drähte 34 und 36 beeinflusst. Am
besten sind die Größen der
Widerstände 38, 40, 42 und 44 äquivalent
und so gewählt,
dass sie eine symmetrische Impedanz schaffen.
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In
einer symmetrischen Schaltung fließt ein an dem Knoten 46 eingekoppelter
und an dem Knoten 48 extrahierter Strom i gleichmäßig durch
beide Drähte 34, 36 in
der Schnittstelle, so dass, wenn das Schalterpaar SA geschlossen
ist, ein Strom von 0,5I + 0,5i in dem Draht 34 fließt und –0,5I +
0,5i in dem Draht 36 fließt. Da beide Differenzsignalkomponenten
gleichermaßen
beeinflusst werden, wird der Differenzstromfluss nicht beeinflusst.
In einer Gleichtaktstromsignalübertragungsanordnung
wird die Größe des eingekoppelten
Stroms i gemäß D1 variiert.
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Es
ist zu erkennen, dass jeder beliebige Typ von digitalen Daten unter
Verwendung von Gleichtaktdatensignalübertragung übertragen werden kann. Folglich
kann das Treiben des digitalen Datensignals D1 Zeitsteuerungs- oder
Steuerdaten, wie z.B. Taktsignale, Aktivierungssignale usw., aufweisen.
Außerdem
können
die Gleichtaktdaten D1 mit Differenzdaten D0 synchronisiert oder
unabhängig
geschaltet werden.
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In
der in 2a gezeigten Schaltung hat der Ausgang
D2 auf dem Draht 52 die Attribute einer unsymmetrischen
Datenübertragung,
im Gegensatz zu einer Differenzübertragung,
da der Wert von D1 allgemein von der absoluten Größe des gleichtakteingekoppelten
Stroms abhängt.
Da unsymmetrische Datenübertra gung
relativ anfällig
für Rauschen
ist, kann ein (nicht gezeigtes) Tiefpass-RC-Filter verwendet werden,
um das Signal bei Bedarf zu glätten.
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Obwohl
die in 2a offenbarte Schnittstelle aus
diskreten Komponenten gebildet sein kann, ist sie vorzugsweise in
einer integrierten Schaltung ("IC") gebildet und wird
für den
Eingang und Ausgang von der IC verwendet, um getrennte integrierte Schaltungen
zu verbinden. Die Schaltung wird vorzugsweise unter Verwendung von
CMOS-Technik hergestellt, aber es kann jeder beliebige Typ von Vorrichtung,
wie z.B. bipolare Transistoren, verwendet werden. In der IC-Konfiguration
könnte
die Ausgangsstufe 30 auf einem Chip und die Eingangsstufe 31 auf
einem zweiten Chip hergestellt werden. Alternativ können beide
Teile der Schaltung auf einer einzelnen IC enthalten sein und verwendet
werden, um verschiedene Schaltungselemente auf der IC zu verbinden.
In diesem Fall wird vorzugsweise eine Differenzspannungsübertragung
verwendet. In einer anderen Anordnung kann ein Eingangs- und Ausgangspuffer
gemäß der Erfindung
verwendet werden, um separate ICs durch Drähte auf einer Leiterplatte,
einer Rückwandplatine
oder in einem Kabel zu verbinden. Die Datenschnittstelle 34, 36 wird
vorzugsweise aus symmetrischen Übertragungsdrähten gebildet. Die
Impedanzen der Übertragungsdrähte und
der Eingangs- und Ausgangsstufenwiderstände 38, 40, 42, 44 werden
so gewählt,
dass sie geeignet angepasste Eingangs- und Ausgangsimpedanzen schaffen.
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Anders
als auf Transformatoren basierende Phantomschaltungen des Standes
der Technik, wie in 1 gezeigt, ist eine Schaltschnittstelle
gemäß der vorliegenden
Erfindung gut für
synchrone oder asynchrone digitale Kommunikation mit hoher Geschwindigkeit
geeignet. Die analoge Transformatorkopplung, die auf der Phantomschaltungen
basiert, begrenzt die Bandbreite der Schaltung wesentlich. Im Gegensatz
dazu unterstützt
die Stromschaltanordnung mit Gleichtakteinkopplung eine Signalfrequenz
von D.C. bis zu der von der Schaltung unterstützten Höchstschaltgeschwindigkeit,
die bis zu mehreren GHz sein kann. Die Verwendung von eingekoppelter
Gleichtaktsignalübertragung
ermöglicht es,
dass ein zweites Datensignal in jede Richtung über der Differenzschnittstelle übertragen
wird, ohne das Differenzsignal zu stören. Diese Anordnung schafft
einen erhöhten
Datendurchsatz, ohne den grundlegenden Differenzsignalpfad zu opfern.
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Da
die Richtung des Gleichtaktdatensignalflusses von dem Differenzdatenfluss
unabhängig
ist, können
Mechanismen geschaffen werden, um die Richtung des Gleichtaktdatenflusses
gemäß verschiedenen
Systemanforderungen dynamisch zu variieren. Zum Beispiel zeigt 2b ein
Schaltungsdiagramm der in 2a gezeigten
Extraktionsschaltung 49, das ferner einen bidirektionalen
Schaltmechanismus aufweist. Ein komplementäres Paar Schalter 70, 72 verbindet
den Knoten 48 mit entweder einem Gleichtaktempfangssignal 52 wie
in 2a, oder einem Gleichtakteinkopplungssignal wie
z.B. VH und VL,
die auf Signal 74 geführt
werden. Eine ähnliche Schaltung
ist für
die Einkopplungsschaltung 47 vorgesehen, nur dass sie auf
eine komplementäre
Weise betrieben wird. Diese Anordnung schafft eine unidirektionale
Differenzdatenschnittstelle mit einer bidirektional eingekoppelten
Gleichtaktübertragung.
Herkömmliche
Quittungs (hand-shaking)-Techniken können verwendet werden, um Logikschaltungen
für das Schalten
der Richtung des Gleichtaktdatenflusses zum Beispiel als Antwort
auf eine Systemlast zu steuern oder Anhäufungen von Datenverkehr mit
hohem Volumen unterzubringen. In einigen Anwendungen ist es vorteilhaft,
in der Lage zu sein, Gleichtaktdaten bei ihrer Übertragung zu überwachen.
Um das zu erreichen, kann der Schalter 70 entfernt werden
und können
die ausgehenden Daten jederzeit über
das Empfangssignal 52 überwacht
werden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung können
die Schaltungen aus 2a und 2b in
eine in 2c gezeigte einzige Daten-Sender-Empfängereinheit 80 kombiniert
werden, die Differenz- und Gleichtaktsignale sowohl übertragen
als auch empfangen kann. Die Einheit 80 weist einen Stromschalter 32 wie
in 2a, auf. Die Schalterpaare SA und SB in dem Stromschalter 32 können von
den Daten D0 getrieben werden, wie in 2a gezeigt,
und auch in eine Tri-state-Konfiguration
versetzt werden, während
der die Schalterpaare SA und SB beide offen sind. Wenn der Stromschalter 32 auf diese
Weise in einem Tri-state-Zustand
betrieben wird, wird er wirksam von der Schnittstelle getrennt. Ein
Reihenpaar Widerstände 42, 44 mit
einem zentralen Knoten 46 ist mit dem Stromschalter wie
in 2a verbunden. Wahlweise können einer oder mehrere Schalter 82, 84 mit
den Widerständen 42, 44 in
Reihe geschaltet sein, um zu ermöglichen,
dass die Lastwiderstände
von der Schnittstelle 34, 36 bei Bedarf getrennt
werden, zum Beispiel in einer Multiportbuskonfiguration, wie unten
erör tert.
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Außerdem ist
der Komparator 41, Teil der Eingangsstufe in 2a,
quer zu den Widerständen 42, 44 verbunden.
Letztendlich ist eine bidirektionale Gleichtakteinkopplungs- und
-extraktionsanordnung, wie in 2b gezeigt,
mit dem Knoten 46 verbunden.
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Um
Differenzstromsignale zu übertragen, wird
der Stromschalter 32, wie obenstehend besprochen, von der
Eingabe D0 gesteuert. Die Schalter 82 und 84 werden
geschlossen, wenn ein Lastwiderstand 42, 44 bereit
gestellt werden muss. Um Differenzstromsignale zu empfangen, wird
der Stromschalter 32 in den Tri-state-Zustand versetzt
und wird der Komparator 41 verwendet, um das Differenzstromsignal über die
Widerstände 42, 44 zu
detektieren. Um Gleichtaktsignale einzukoppeln, werden die Widerstände 42, 44 quer
zum Netzwerk verbunden, wird der Schalter 72 geschlossen
und wird die Gleichtaktspannung wie obenstehend beschrieben an dem
Knoten 46 gemäß dem Wert
von D1 eingekoppelt. Um unter Verwendung dieser Schaltung ein Gleichtaktsignal
zu empfangen, wird der Schalter 70 geschlossen und wird
das Gleichtaktsignal über
den Draht 52 extrahiert, wie bezüglich 2b beschrieben.
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Da
die Einheit 80 sowohl bidirektional als auch selektiv verbindbar
ist, können
mehrere Einheiten verbunden werden, um einen Multiportbus zu bilden,
wie in 2d gezeigt. Die Einheit 80 ist
als eine Sendeeinheit und die Einheit 80' als eine Empfangseinheit konfiguriert.
Wie aufgezeigt, sind die Lastwiderstände 42, 44 in
beiden Einheiten 80, 80' verbunden. Außerdem ist die Einheit 80'' auch mit dem gemeinsamen Bus verbunden.
Da die Einheiten 80 und 80' beide einen Lastwiderstand auf
der Schnittstelle schaffen, kann die Einheit 80'' das Differenzsignal D0 durch das
Versetzen in drei Zustände
des Stromschalters überwachen,
wodurch die Widerstände 42, 44 getrennt
werden und die Ausgabe des Komparators 41 beobachtet wird.
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Es
ist zu erkennen, dass in dieser speziellen Konfiguration die Einheit 80'' das Gleichtaktsignal nicht überwachen
kann, ohne die Widerstände 42, 44 mit
der Schnittstelle zu verbinden, da sie einen Gleichtaktextraktionspunkt
schaffen. Unter manchen Umständen
ist es vorzuziehen, in der Lage zu sein, den einge koppelten Gleichtaktspannungssignalen "zuzuhören", ohne eine wesentliche
Strommenge ziehen zu müssen,
um die Strompegel auf der Schnittstelle nicht zu stören. Ein
Empfänger 100,
der diese Anforderung erfüllt,
ist in 2e erläutert. Der Empfänger 100 ist
in einer gleichzeitig anhängenden US-Patentanmeldung
mit dem Titel "Receiver
for Common Mode Signals Transmitted on a Differentiel Interface", eingereicht am
gleichen Tag wie die vorliegende Erfindung, beschrieben.
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Kurz
gesagt, weist der Empfänger 100 einen modifizierten
Differenzverstärker
mit Transistoren 102, 104 auf, die parallel zwischen
eine Widerstandslast 106 und einen Stromtreiber 108 geschaltet
sind. Die Transistoren 102, 104 werden mit den
Differenzspannungen auf der Schnittstelle 34, 36 getrieben, deren
Spannungen von den Differenzstromsignalen von z.B. der Puffereinheit 80 erzeugt
werden. In dieser Konfiguration ist die Ausgangsspannung 110,
die von der Gesamtimpedanz der Transistoren 102, 104 abhängig ist,
im Wesentlichen proportional zu der auf der Schnittstelle erscheinenden
Gesamtspannung und kann deshalb verwendet werden, um die eingekoppelten
Gleichtaktdaten D1 zu bestimmen.
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Obwohl
Differenzstromsignalübertragung
mit eingekoppelter Gleichtaktspannung obenstehend als eine bevorzugte
Ausführungsform
erörtert
wurde, sind andere Anordnungen möglich.
Insbesondere kann Differenzspannungssignalübertragung verwendet werden,
wo der relative Spannungsunterschied zwischen den zwei Differenzsignalkomponenten
die übertragenen
Datenbits anzeigt und die Summe, der Durchschnitt oder eine andere
geeignete Kombination der Differenzsignale das Gleichtaktsignal
anzeigt.
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Zum
Beispiel können
zwei Drähte,
die VH bzw. VL tragen,
ein logisches Hoch anzeigen, während
das Schalten der Spannungen auf VL und VH ein logisches Tief anzeigt. Unter beiden
Umständen wäre ein Gleichtaktwert
zum Beispiel (VL + VH)/2.
Ein Gleichtaktspannungssignal wird durch das Pegelschieben beider
Differenzkomponenten um den gleichen Betrag eingekoppelt. Zum Beispiel
würden
die Differenzkomponenten, um eine Gleichtaktspannung VC einzukoppeln,
auf VH + VC und
VL + VC verschoben.
Das übertragene
Differenzsignal kann durch das Anlegen der Differenzsignalkomponenten
an einen Komparator und das Bestimmen, welche Komponente die größere Spannung
hat, extrahiert werden. Der Gleichtaktsignalpegel wird durch das
Anlegen der Differenzkomponenten an eine Schaltung vom Summier-
oder Mittelungstyp extrahiert. Verschiedene Typen von Spannungspegelschiebeeingangsschaltungen
und Spannungskombinationsausgangsschaltungen können verwendet werden. Diskrete
Pegelschiebe- und Kombinationsschaltungen sind dem Fachmann gut
bekannt.
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Jetzt
wird mit Bezug auf 3 eine andere Ausführungsform
der Erfindung gezeigt. Die Ausgangsstufe 30 und die Eingangsstufe 31 sind
wie in 2a gezeigt konfiguriert. Eine
dritte Schnittstellenleitung 54 ist vorgesehen und durch
einen Schalter 56 sowohl mit VH als
auch VL verbunden. Schalter 50 und 56,
die die Spannung auf den Signalen 45 bzw. 54 steuern,
werden von einem zweiten binären
Datensignal D1 auf eine komplementäre Weise so gesteuert, dass
die Spannungssignale 45 und 54 den Wert von D1
differenzmäßig darstellen.
Mit anderen Worten wird eine Differenzkomponente von D1 als ein
Gleichtaktsignal über
die Schnittstelle 34, 36 eingekoppelt und wird
die andere Komponente über
den dritten Draht 54 geführt. Die Gleichtaktsignalkomponente
wird in der Eingangsstufe 31 extrahiert und in Verbindung
mit der Spannung auf dem Draht 54 verwendet, um den übertragenen
Wert von D1 zu bestimmen. Vorzugsweise wird dies durch das Anlegen der
zwei Differenzspannungskomponenten von D1 an die Eingänge eines
Komparators 58 erreicht.
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Noch
eine andere Ausführungsform
der Erfindung ist in 4 erläutert. Diese Ausführungsform ist
der in 3 gezeigten ähnlich.
Jedoch wird die Spannung, statt auf einem separaten Draht 54 zu
basieren, um eine der D1 Differenzkomponenten zu führen, als
ein eingekoppeltes Gleichtaktsignal in einem Differenzsignal geführt, das
auf zwei zusätzlichen
Drähten
geführt
wird. Der obere Teil der Schaltung, der die Ausgangsstufe 30 und
die Eingangsstufe 31, die durch die Drähte 34 und 36 verbunden
sind aufweist, und das Datensignal D0 und die auf dem Signal 45 zugeführten und
auf dem Signal 52 ausgegebenen Gleichtaktdaten überträgt, ist
der gleiche wie in 3.
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In
dem unteren Teil wird die hinzugefügte Datenleitung 54 nicht
als eine Schnittstellenleitung selbst verwendet, sondern speist
stattdessen ein Gleichtakteinkopplungssignal in die Ausgangsstufe 30' (und wird deshalb
auch als Si gnal 45' gezeigt). Die
Ausgangsstufe 30' überträgt ein Differenzdatensignal
D0' über eine
zweidrahtige Schnittstelle 34', 36' an eine Eingangsstufe 31', wo die Differenzdaten auf
die oben erörterte
Weise extrahiert werden. Außerdem
wird die Gleichtaktsignaleingabe auf dem Signal 54 von
der Extraktionsschaltung 31' als
die Gleichtaktausgabe 52' übertragen
und extrahiert. Das Huckepack-Differenzdatensignal D1, das von den
zwei eingekoppelten Gleichtaktsignalen übertragen wird, wird durch
das Anlegen der Gleichtaktsignale 52, 52' an die Eingänge des
Komparators 58 abgerufen. In dieser Anordnung können drei
Differenzdatensignale über
zwei Differenzpaare gesendet werden. Zwei der Datensignale werden
durch Differenzstrom signalübertragen
und das dritte ist ein Differenzspannungssignal, das als in die
Differenzpaare eingekoppelte Gleichtaktsspannungen geführt wird. Diese
Anordnung, wie auch die aus 3, stellt
die Gleichtaktspannungssignalübertragung
dar, da im Wesentlichen kein Strom von dem Komparator 58 gezogen
wird und jeglicher eingekoppelte Strom zu der Quelle hin rückreflektiert
wird.
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Gemäß noch einem
weiteren Aspekt der Erfindung kann die in 4 gezeigte
Schaltung so modifiziert werden, dass die Übertragung eines unsymmetrischen
Gleichtaktsignals zusätzlich
zu dem gleichtaktübertragenen
Differenzsignal durch die Verwendung der zwei Gleichtaktsignale,
die über
die Differenzpaare übertragen
werden, um ein anderes Gleichtaktsignal zu tragen, dessen Größe einen
vierten Datenwert darstellt, zu ermöglichen. In einer Anordnung
wird dieses zusätzliche
Gleichtaktsignal durch das gleichzeitig Ändern des Werts der eingekoppelten
Spannungen VH und VL um
den gleichen Betrag erzeugt. Da der Unterschied zwischen den zwei
Spannungspegeln nicht geändert
wird, bleibt das Differenzsignal konstant. Die übertragene Größe des Differenzsignals
kann durch das Anlegen der extrahierten Spannungssignale an eine
Mittelungsschaltung bestimmt werden.
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In
der in 5 gezeigten bevorzugten Ausführungsform dieser Anordnung
wird Gleichtaktstromsignalübertragung
statt Spannungssignalübertragung
verwendet. Stromsignalübertragung
hat den Vorteil, dass die Differenzstromsignalübertragungsstufen 30, 31 leicht
auf eine hochgradig regelmäßige Art
miteinander verbunden werden können,
was ein Vorteil für
die Schaltungskonstruktion ist. Jede der Differenzschnittstellen
ist konfiguriert wie in 2a gezeigt.
Die Ausgangsstufe 30'' ist dafür konfiguriert, das
Datensignal D1 zu empfangen und es als ein Differenzstromsignal über die
Drähte 34'' und 36'' zu übertragen.
Diese Drähte
sind wie erläutert
jeder mit den Gleichtakteinkopplungseingängen 45, 45' der Ausgangsstufen 30, 30' verbunden.
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Wie
obenstehend erörtert,
wird, da die Stromquellen und -senken in den Ausgangstreibern 30, 30' die bezogene
und abgeleitete Strommenge festlegen, der zusätzliche Strom von der Ausgangsstufe 30'', der in die Ausgangsstufen 30 und 30' eingekoppelt
wird, in der Form eines Gleichtaktstromsignals über die Drähte 34 und 36 verteilt.
Dieses Signal wird an der Eingangsstufe 31 extrahiert und
auf dem Signal 52 geliefert. Auf ähnliche Weise wird die Differenzsignalkomponente
des Stroms auf dem Signal 36'' durch die Ausgangsstufe 30' und die Schnittstellendrähte 34', 36' an die Eingangsstufe 31' angelegt, wo
sie auf dem Signal 52' extrahiert
wird. Der eingekoppelte Strom kann nicht zurück in eine beliebige der Stromsenken
fließen
und wird so als Differenztaktstromsignalkomponenten 52, 52' extrahiert, die
an die Eingangsstufe 31'' angelegt werden,
wo sie verwendet werden, um das übertragene
Datensignal D1 zu reproduzieren.
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Ein
viertes Gleichtaktspannungsdatensignal D2 wird durch das Anlegen
einer Spannung an das Signal 45'',
wie z.B. VH und VL, übertragen.
Die Gleichtaktspannung wird über
die Datenschnittstellendrähte 34, 36, 34' und 36' übertragen
und als das Signal 52'' in der Eingangsstufe 31'' auf eine der oben erörterten ähnliche
Art extrahiert. Diese Anordnung schafft deshalb drei Datensignale,
die unter Verwendung von Differenztaktstromsignalübertragung über zwei
Paare Drähte
zu übertragen
sind und ein viertes Datensignal, das unter Verwendung von Gleichtaktspannungssignalübertragung
zu übertragen
ist.
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Die
in 5 gezeigte Konfiguration ist auch für die in
Bezug auf 2c–2e oben
erörterte Multiportbuskonfiguration
geeignet. Anstatt eine separate Eingangs- und Ausgangsstufe zu verwenden, können bidirektionale
Einheiten 80 in die "Baum"-Ein-/Ausgangsanordnung
verkettet werden, ähnlich
der in 5 gezeigten Anordnung. Die Anordnung der mit der "Seite" der Schnittstelle
verbundenen Einheiten 80 verbindet die vierdrahtige Schnittstelle
auf eine zu der in 2d gezeigten analoge Weise.
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Verschiedene
andere Formen des in 5 gezeigten Datenausgabenetzwerks
können
implementiert werden. In einer besonderen Ausführungsform wird eine Byte-breite
Datenschnittstelle mit einem Taktgeber unter Verwendung von drei
Sätzen der
Zweiebenennetzwerke aus 5 gebildet. Jedes Zweiebenennetzwerk
unterstützt
drei differenzmäßig signalübertragene
Datenbits. Das kombinierte Netzwerk kann folglich 8 Datenbits übertragen
und zum Beispiel ein Taktsignal unter Verwendung von Differenzsignalübertragung über nur
sechs Paare Schnittstellendrähte,
verglichen mit den neun Paaren, die bei der Verwendung von herkömmlicher
Differenzsignalübertragung
mit zwei Drähten
pro Bit notwendig sind. Außerdem
schafft das Byte-breite Netzwerk gemäß der Erfindung auch drei Gleichtaktdatenbits,
die verwendet werden können,
um verschiedene Systemprotokolle oder Steuersignale in beide Richtungen
zu übertragen,
ohne zusätzliche
Signalverbindungen zu benötigen.
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Alternativ
können
mehrere Schichten von GleichtakteinkopplungsDifferenzschnittstellen
auf diese Weise kombiniert werden. Zum Beispiel können zwei
Sätze von
Zweiebenenschaltungen wie in 5 gezeigt
vorgesehen sein, wo die Dateneingaben für D2 von einer Differenzausgangsstufe 31''' der dritten
Ebene geliefert werden, um dadurch zu ermöglichen, dass sieben Differenzdatenbits über 4 Paare
Drähte
mit auch einem zusätzlichen
Gleichtaktdatensignal übertragen
werden. Auf diese Weise können
N – 1
Datenbits unter Verwendung von Differenzdatensignalübertragung über N Drähte übertragen
werden. Für
eine große
Anzahl von Bits nähert sich
der Differenzsignalübertragene
Datendurchsatz dem Datendurchsatz einer herkömmlichen Schnittstelle mit
einem Draht pro Bit an, während
höhere Rauschimmunitäts- und
Energieeigenschaften geschaffen werden.
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In
einer in 6 gezeigten hybriden Ausführungsform
werden drei Drähte
verwendet, um zwei Differenzsignale und ein Gleichtaktsignal zu übertragen.
Wie gezeigt, werden Daten D0 differenzmäßig durch die Ausgangsstufe 30,
das Differenzpaar 34, 36 und die Eingangsstufe 31 übertragen,
wie obenstehend besprochen. Außerdem
wird ein eingekoppeltes Gleichtaktstromsignal 45 auf dem
Paar 34, 36 geführt. Das eingekoppelte Gleichtaktsignal
ist eine von einer zweiten Ausgangsstufe 30'' zugeführte Differenzsignalkomponente.
Die andere Differenzkomponente 45' der Ausgangsstufe 30'' wird über eine diskrete dritte Schnittstellenleitung 54 übertragen, ähnlich der
Anordnung aus 3. Eine Impedanz, wie z.B. Widerstände 60 und 62,
wird dem Draht 54 hinzugefügt, um sie bezüglich der
von der ersten Differenzkomponente 45 von Stufe 30'' gesehene Impedanz zu symmetrieren.
Die Ausgabe 52 von der Stufe 31 und die Stromkomponente
auf Draht 54 werden von der Ausgangsstufe 31'' so verarbeitet, dass sie das Differenzdatensignal
D1 und das Gleichtaktspannungssignal D2 ergeben.
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Diese
hybride Anordnung schafft eine wesentliche Erhöhung des Datendurchsatzes im
Vergleich zu herkömmlichen
Differenzdatenschnittstellen. Während
eine herkömmliche
Differenzschnittstelle zwei Drähte
erfordert, um ein einzelnes Bit zu übertragen, und vier Drähte erfordert,
um zwei Bits zu übertragen,
unterstützt
die Schaltung aus 6 zwei differenzmäßig übertragene
Datensignale unter Verwendung von nur drei Drähten und unterstützt als
ein zusätzlicher
Vorteil ein drittes Gleichtaktdatensignal.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Wirksamkeit
der offenbarten Schnittstellen durch das geeignete Steuern der Platzierung
der Schnittstellendrähte
verbessert. Im Gegensatz zu telefonischen Anwendungen, in denen die
Länge und
die Ausrichtung eines Paars Drähte verglichen
mit einem anderen auf Grund von Schwankungen in der Drahtplatzierung
in dem Kabel, Leitungsabgriffen, usw. wesentlich variieren können, ist
die Platzierung von Drähten
in einer integrierten Schaltung oder auf einer Leiterplatte oder
Rückwandplatine
unter absoluter Kontrolle des Konstrukteurs. In einer bevorzugten
Ausführungsform
werden die Platzierung und die Ausrichtung der symmetrischen Schnittstellenleitungen
für die
offenbarten Schnittstellenschaltungen bewusst so gewählt, dass sie
Einheitlichkeit zwischen Gleichtaktsignalen auf verschiedenen Differenzpaaren
schaffen. Eine konstante Versetzung für die Drähte in der Schnittstelle garantiert,
dass die elektrischen Merkmale der Drähte im Wesentlichen gleichförmig bleiben,
wodurch die Rauschwirkung auf die differenzmäßig übertragenen Daten reduziert
wird.
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Das
kann erreicht werden durch das Anordnen der Schnittstellendrähte derart,
dass der Mittelpunkt eines Paars Drähte eine relativ konstante
Verschiebung von einem dritten Draht oder einem zweiten Paar Drähte hat.
Zum Beispiel können
die Drähte 34 und 36 mit
Bezug auf 6 als parallele Bahnen auf einer
Schicht in einer IC oder einem gedruckten Schaltungsanordnungsblock
erreicht werden. Der Draht 54 wird dann vorzugsweise gleichweit
entfernt von beiden Drähten 34 und 36 platziert,
wobei der Abstand zwischen dem Draht 54 und dem Mittelpunkt der
Drähte 34 und 36 so
eingestellt werden kann, dass er die Gleichtaktimpedanz steuert.
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In
den oben erörterten
Ausführungsformen wurde
das Gleichtaktsignal auf der Schnittstelle als Spannung durch eine
Gleichtakteinkopplungsschaltung 47 platziert. Eine alternative
Anordnung für
Datenübertragung
unter Verwendung von Differenz- und Gleichtaktdatensignalübertragung
ist in 7 gezeigt. In dieser Anordnung wird ein Gleichtaktstromsignal
auf eine Weise, die die differenzmäßig übertragenen Datensignalkomponenten
gleichmäßig beeinflusst,
direkt an die Schnittstelle angelegt und daraus extrahiert.
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Jetzt
ist mit Bezug auf 7 eine Differenzschaltschaltung 32 gezeigt,
die mit symmetrischen Schnittstellendrähten 34 und 36 verbunden
ist. Auf ähnliche
Weise ist die Differenzschaltschaltung 32' mit den Schnittstellendrähte 34' und 36' verbunden. Die
Differenzschaltschaltungen 32 und 32' übertragen
jede ein Datensignal als zwei Differenzsignalkomponenten auf eine
oben im Detail erörterte
Weise.
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Gemäß diesem
Aspekt der Erfindung ist eine Gleichtaktstromeinkopplungsschaltung 92 vorgesehen,
um einen Gleichtaktstrom direkt in eine Schnittstelle 34, 36 einzukoppeln
und den Gleichtaktstrom von der anderen Schnittstelle 34', 36' zu extrahieren. Wie
erläutert,
weist die Einkopplungsschaltung 92 einen ersten Gleichtaktstromschalter 94 und
einen zweiten Gleichtaktstromschalter 96 auf. Die Stromschalter 94, 96 sind
parallel zwischen eine Stromquelle 98, die einen Strom
IC liefert, und eine Stromsenke 100, die einen Strom IC
ableitet, geschaltet.
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Der
Stromschalter 94 weist zwei Paare Schalter SC, SD auf.
Die Schalter SC werden verwendet, um selektiv beide Schnittstellendrähte 34, 36 mit
der Stromquelle 98 zu verbinden, und die Schalter SD werden
verwendet, um bei de der Schnittstellendrähte 34, 36 selektiv
mit der Stromsenke 100 zu verbinden. Folglich wird, wenn
die Schalter SC geschlossen sind, der Strom IC an jeden der Drähte 34, 36 in
der Schnittstelle angelegt. Da die Drähte 34 und 36 symmetrisch
sind, werden im Wesentlichen gleiche Strommengen in jeden Draht
eingeführt,
wodurch das von dem Differenzstromschalter 32 übertragene
Differenzdatensignal auf diese Art bewahrt wird. Wie obenstehend
besprochen, fließt,
da die Stromquelle und -senke 33, 35 in dem Differenzstromschalter 32 nur
eine festgelegte Strommenge treibt, der zusätzlich bezogene oder abgeleitete Strom
IC in eine mit einem gemeinsamem Stromknoten 48 verbundene
Last oder wird aus ihr gezogen.
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Der
Stromschalter 96 weist zwei Paare Schalter SC', SD' auf und arbeitet
auf eine ähnliche Weise
wie der Stromschalter 94, wodurch beide Schnittstellendrähte 34', 36' selektiv mit
entweder der Stromquelle 98 oder mit der Stromsenke 100 verbunden
werden. Jedoch ist, wie in der Figur gezeigt, der Schalter 96 auf
eine komplementäre
Art verbunden. Wenn die Schalter SC' geschlossen sind, ist die Schnittstelle 34', 36' mit der Stromsenke 100 verbunden,
und wenn die Schalter SD' geschlossen
sind, ist die Schnittstelle 34', 36' mit der Stromquelle 98 verbunden.
Der zusätzlich
gelieferte oder abgeleitete Strom IC fließt in eine mit einem Knoten 48' verbundene
Last oder wird aus ihr gezogen.
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Die
Knoten 48 und 48' sind
durch eine Widerstandslast, wie z.B. Widerstände 102 und 104,
miteinander verbunden. Die Stromschalter 94 und 96 werden
synchron miteinander betrieben, so dass, wenn der Schalter 94 Strom
IC liefert, der Schalter 96 Strom IC ableitet und umgekehrt.
Auf diese Weise fließt
der eingekoppelte Gleichtaktstrom IC von einer Schnittstelle und
in die andere durch die verbindende Widerstandslast. Durch das Steuern
der Richtung des Gleichtaktstromflusses können Gleichtaktdaten über die
Schnittstelle übertragen
werden, ohne das differenzmäßig übertragene
Datensignal zu stören. Die
gleichtaktübertragenen
Datensignal kann durch das Messen des Spannungsunterschieds zwischen den
Knoten 48 und 48' extrahiert
werden.
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Wie
erläutert,
können
die Schnittstellen 34, 36 und 34', 36' von einem Widerstand 90 lokal
abgeschlossen werden und können
ferner die zwei Schnittstellen über
eine lokale Widerstandsvorrichtung, wie z.B. Widerstände 106, 108 mitein ander
verbunden sein. Obwohl eine solche lokale Verbindung nicht notwendig
ist, kann sie nützlich
sein, um zu helfen, die Schnittstellen zu symmetrieren. Man beachte,
dass, wenn die Schnittstellen lokal verbunden sind, eine entfernte
Verbindung (d.h. über
die Widerstände 102 und 104)
nicht erforderlich ist, da der Strom IC immer noch zwischen den
Schnittstellen fließen
kann. Der Spannungsabfall über
die lokale Verbindung wird über
die Schnittstellen verteilt und kann an dem Empfangsende detektierbar
sein.
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Man
kann erkennen, dass in dieser Ausführungsform das Gleichtaktdatensignal
als ein erster Gleichtaktstrom in der Schnittstelle 34, 36 und
ein zweiter Gleichtaktstrom in der Schnittstelle 34', 36' übertragen
wird, der in die dem ersten Gleichtaktstrom entgegengesetzte Richtung
fließt
und so das Gleichtaktdatensignal auf eine differenzmäßige Weise übertragen
wird. Dementsprechend sieht diese Schaltung vor, dass für drei differenzmäßig übertragene
Datensignale über
zwei Differenzschnittstellenpaare übertragen werden.
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8 erläutert eine
Variation der in 7 gezeigten Schaltung, die eine
dreidrahtige Schnittstelle auf eine der in 6 gezeigten ähnliche
Art nutzt. In einer solchen Ausführungsform
werden die Drähte 34', 36' durch einen
einzigen Draht 110 ersetzt und weist der entsprechende
Gleichtaktstromschalter 96 nur ein einziges Schalterpaar
auf, das den Draht 110 selektiv mit entweder der Stromquelle 98 oder
der Stromsenke 100 entsprechend dem übertragenen Gleichtaktstromsignal
verbindet.
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Während die
Erfindung besonders mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen
davon gezeigt und beschrieben wurde, wird der Fachmann verstehen
wird, dass verschiedene Änderungen
in Form und Details darin gemacht werden können, ohne von dem Umfang der
Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können, während die offenbarten Schaltungen mit
Bezug auf Zweiebenendigitaldatensignale erörtert werden, die Schaltungen
so modifiziert werden, dass sie mehrstufige Digitalsignale übertragen
und empfangen, die mehr als ein Bit Information enthalten.