JP3967321B2 - 半導体集積回路 - Google Patents

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Description

本発明は、一般的に半導体集積回路に関し、特に、小振幅の差動信号を外部に出力するためのラインドライバを含む半導体集積回路に関する。
近年、パーソナルコンピュータのグラフィックボードとディスプレイ部との間の信号伝送等において、小振幅の差動信号(low voltage differential signaling:LVDS)を用いる方式が採用されている。この方式によれば、ディジタル信号をフルスイングで伝送する場合と比較して、EMI(electromagnetic interference:電磁妨害雑音)を抑制することができる。
図1に、LVDS方式において使用されている従来のラインドライバの例を示す。このラインドライバは、差動信号In1及びIn2がゲートに入力されてスイッチング動作を行うNチャネルMOSトランジスタQN11〜QN14と、高電位側の電源電位VDDからトランジスタQN11及びQN13に定電流を供給する定電流源CSと、トランジスタQN12及びQN14のソース(ノード102)と低電位側の電源電位VSSとの間に接続されたNチャネルMOSトランジスタQN15と、トランジスタQN15のゲート電圧を制御するオペアンプOP11とを含んでいる。
オペアンプOP11の非反転入力にはリファレンス電位VREFが供給され、オペアンプOP11の反転入力にはノード102の電位がフィードバックされる。これにより、ノード102の電位は、リファレンス電位VREFに近付くように制御される。
各々の入力信号In1、In2の電位は、低電位側の電源電位VSSから高電位側の電源電位VDDまでの範囲で変化する。これに伴い、トランジスタQN11〜QN14がスイッチング動作を行う。例えば、入力信号In1がローレベルで入力信号In2がハイレベルの場合には、トランジスタQN11及びQN14がオフ状態となり、トランジスタQN12及びQN13がオン状態となる。これにより、受信側の終端抵抗Rに電流Iが流れ、ノード100とノード101との間に出力電圧ΔV=I×Rが生じる。
また、差動出力のオフセット電位VOSは、ノード100及びノード101の電位をそれぞれV100及びV101とすると、VOS=(V100+V101)/2で表される。このオフセット電位VOSが目標の値となるように、オペアンプOP11の非反転入力に供給されるリファレンス電位VREFが決定される。
しかしながら、図1に示すラインドライバにおいては、トランジスタQN11〜QN14が頻繁にスイッチングすると、ノード102の電位変動が大きくなり、オフセット電位VOSが不安定になり易い。これを改善するためには、オペアンプOP11の裸ゲインを大きくすることが考えられるが、一方でオペアンプOP11が電源ノイズ等により発振し易くなるという問題が生じる。また、オフセット電位VOSを一定にして出力電圧ΔVを変化させるためには定電流源CSとリファレンス電位VREFとの両方を変更する必要があるので、これらを発生する回路が複雑になってしまう。
図2に、LVDS方式において使用されている従来のラインドライバの他の例を示す。このラインドライバは、差動信号In1及びIn2がゲートに入力されてスイッチング動作を行うNチャネルMOSトランジスタQN21〜QN24と、高電位側の電源電位VDDとトランジスタQN21及びQN23のドレイン(ノード203)との間に接続されたNチャネルMOSトランジスタQN26と、トランジスタQN26のゲート電圧を制御するオペアンプOP21と、トランジスタQN22及びQN24のソース(ノード202)と低電位側の電源電位VSSとの間に接続されたNチャネルMOSトランジスタQN25と、トランジスタQN25のゲート電圧を制御するオペアンプOP22とを含んでいる。
オペアンプOP21の非反転入力にはリファレンス電位VREF1が供給され、オペアンプOP21の反転入力にはノード203の電位がフィードバックされる。これにより、ノード203の電位は、リファレンス電位VREF1に近付くように制御される。同様に、オペアンプOP22の非反転入力にはリファレンス電位VREF2が供給され、オペアンプOP22の反転入力にはノード202の電位がフィードバックされる。これにより、ノード202の電位は、リファレンス電位VREF2に近付くように制御される。
各々の入力信号In1、In2の電位は、低電位側の電源電位VSSから高電位側の電源電位VDDまでの範囲で変化する。これに伴い、トランジスタQN21〜QN24がスイッチング動作を行う。例えば、入力信号In1がローレベルで入力信号In2がハイレベルの場合には、トランジスタQN21及びQN24がオフ状態となり、トランジスタQN22及びQN23がオン状態となる。これにより、ノード200が高い出力電位VOH、ノード201が低い出力電位VOLとなって、ノード200とノード201との間に出力電圧ΔV=VOH−VOLが生じる。
ここで、出力電位VOH及びVOLが目標の値となるように、オペアンプOP21及びOP22の非反転入力にそれぞれ供給されるリファレンス電位VREF1及びVREF2が決定される。差動出力のオフセット電位VOSは、VOS=(VOH+VOL)/2で表される。
しかしながら、図2に示すラインドライバにおいても、トランジスタQN21〜QN24が頻繁にスイッチングすると、ノード203及び202の電位変動が大きくなり、出力電位VOH及びVOLが不安定になり易い。従って、図2に示すラインドライバも、図1に示すラインドライバと同様の問題を抱えている。また、オフセット電位VOSを一定にして出力電圧ΔVを変化させるためにはリファレンス電位VREF1とリファレンス電位VREF2との両方を変更する必要があるので、これらを発生する回路が複雑になってしまう。
一方、米国特許第6,111,431号には、図3に示すようなLVDS方式のラインドライバが開示されている。このラインドライバは、ドライバ回路32と、ドライバ回路32の動作を制御するためのレプリカ回路31(”mimicking circuit”と呼ばれる)とによって構成される。
ドライバ回路32は、差動信号In1及びIn2がゲートに入力されてスイッチング動作を行うNチャネルMOSトランジスタQN31〜QN34と、高電位側の電源電位VDDとトランジスタQN31及びQN33のドレイン(ノード303)との間に接続されたPチャネルMOSトランジスタQP31と、トランジスタQP31のゲート電圧を制御するオペアンプOP31と、トランジスタQN32及びQN34のソース(ノード302)と低電位側の電源電位VSSとの間に接続されたNチャネルMOSトランジスタQN35と、トランジスタQN35のゲート電圧を制御するオペアンプOP32とを含んでいる。
オペアンプOP31の非反転入力(ノード304)とオペアンプOP32の非反転入力(ノード305)に所定の電位を供給するために、レプリカ回路31が接続されている。レプリカ回路31は、ドライバ回路32に用いられているトランジスタQP31、QN31〜QN35の1/nのサイズをそれぞれ有するPチャネルMOSトランジスタQP32とNチャネルMOSトランジスタQN36〜QN38と、受信側の終端抵抗Rの(n/2)倍の抵抗値をそれぞれ有する2つの抵抗とを含んでいる。
トランジスタQP32は、高電位側の電源電位VDDとトランジスタQN36のドレイン(ノード304)との間に接続されている。トランジスタQP32には、ドライバ回路32のトランジスタQP31に流れるドレイン電流Iの1/nのドレイン電流が流れる。トランジスタQN36及びQN37は、常にオン状態となっている。トランジスタQN38は、トランジスタQN37のソース(ノード305)と低電位側の電源電位VSSとの間に接続されている。
さらに、レプリカ回路31は、トランジスタQP32のドレイン電流を決定するカレントミラー回路CMCと、トランジスタQN38のゲート電圧を制御するオペアンプOP33とを含んでいる。
オペアンプOP33の非反転入力にはリファレンス電位VREFが供給され、オペアンプOP33の反転入力にはノード306の電位がフィードバックされる。これにより、ノード306の電位は、リファレンス電位VREFに近付くように制御される。
各々の入力信号In1、In2の電位は、低電位側の電源電位VSSから高電位側の電源電位VDDまでの範囲で変化する。これに伴い、トランジスタQN31〜QN34がスイッチング動作を行う。例えば、入力信号In1がローレベルで入力信号In2がハイレベルの場合には、トランジスタQN31及びQN34がオフ状態となり、トランジスタQN32及びQN33がオン状態となる。これにより、受信側の終端抵抗Rに電流Iが流れ、ノード300とノード301との間に出力電圧ΔV=I×Rが生じる。出力電圧ΔVが目標の値となるように、レプリカ回路31のトランジスタQP32を流れる電流が決定される。
また、差動出力のオフセット電位は、ノード300及びノード301の電位をそれぞれV300及びV301とすると、VOS=(V300+V301)/2で表される。オフセット電位VOSは、レプリカ回路31における2つの抵抗の接続点(ノード306)の電位と連動する。従って、オフセット電位VOS、即ち、ノード306の電位が目標の値となるように、オペアンプOP33の非反転入力に供給されるリファレンス電位VREFが決定される。
図3に示すラインドライバは、オフセット電位VOSを一定に保ちながら出力電圧ΔVを変化させるのに適した回路である。しかしながら、3つのオペアンプを使用するため回路が複雑になってしまう。また、大電流が流れるトランジスタQP31及びQN35を制御するオペアンプOP31及びOP32は、電源ノイズ等がトリガとなって発振し易いという問題がある。
そこで、上記の点に鑑み、本発明の目的は、小振幅の差動信号を外部に出力するためのラインドライバにおいて、オペアンプ等の差動増幅器の数を増やすことなしに出力信号の振幅及びオフセット電位を安定化させることができる半導体集積回路を提供することである。
以上の課題を解決するため、本発明に係る半導体集積回路は、(i)直列に接続された第1のトランジスタ及び第2のトランジスタと、直列に接続された第3のトランジスタ及び第4のトランジスタとを含み、差動入力信号が供給されてスイッチング動作を行うことにより、第1及び第2のトランジスタの接続点と第3及び第4のトランジスタの接続点との間に接続される負荷に差動出力信号を供給する出力回路、第1の電源電位と第1及び第3のトランジスタとの間に接続された第のトランジスタ第2及び第4のトランジスタと第2の電源電位との間に接続され、ゲートに印加される第1のリファレンス電位に従って出力回路に流れる電流を決定するのトランジスタを備えるドライバ回路と、(ii)第1の電源電位に接続された第のトランジスタ第2の電源電位に接続されてのトランジスタと共にカレントミラー回路を構成し、第1のリファレンス電位がゲートに印加されて、のトランジスタに流れる電流に比例する電流を流す第のトランジスタ、第のトランジスタと第のトランジスタとの間に直列に接続された第9のトランジスタ及び互いに等しい抵抗値を有する第1の抵抗及び第2の抵抗及び第10のトランジスタと、第1の抵抗と第2の抵抗との接続点における電位と第2のリファレンス電位との差を増幅して、増幅された電位を及び第のトランジスタのゲートにフィードバックすることにより、負荷に供給される2つの出力信号の電位の平均値が出力信号の振幅によらずに一定となるように制御する差動増幅器を備えるドライバ回路用制御回路とを具備する。
本発明に係る半導体集積回路によれば、カレントミラー回路によって出力回路の電流を制御すると共に、終端抵抗のレプリカとして設けた第1の抵抗と第2の抵抗との接続点における電位に基づいて出力回路の電圧を制御するので、オペアンプ等の差動増幅器の数を増やすことなしに出力信号の振幅及びオフセット電位を安定化させることができる。
本発明の利点及び特徴は、以下の詳細な説明と図面とを関連させて考察すれば明らかになる。これらの図面において、同じ参照番号は同じ構成要素を指している。
図4に、本発明の一実施形態に係る半導体集積回路に含まれるラインドライバの構成を示す。図4に示すように、このラインドライバは、ドライバ回路42と、ドライバ回路42の動作を制御するためのレプリカ回路41とによって構成される。
ドライバ回路42は、差動信号In1及びIn2がゲートに入力されてスイッチング動作を行うNチャネルMOSトランジスタQN41〜QN44によって構成される出力回路と、高電位側の電源電位VDDとトランジスタQN41及びQN43のドレイン(ノード403)との間に接続されたNチャネルMOSトランジスタQN46と、トランジスタQN42及びQN44のソース(ノード402)と低電位側の電源電位VSSとの間に接続されたNチャネルMOSトランジスタQN45とを含んでいる。トランジスタQN45には、リファレンス電位VREF2に従ってドレイン電流Iが流れ、これによって出力回路の動作電流が決定される。
ソースフォロワとして働くトランジスタQN46のゲート(ノード404)に適切な電位を供給するために、レプリカ回路41が接続されている。レプリカ回路41は、ドライバ回路42に用いられているトランジスタQN41〜QN46の1/nのサイズをそれぞれ有するNチャネルMOSトランジスタQN47〜QN50と、受信側の終端抵抗Rの(n/2)倍の抵抗値をそれぞれ有する2つの抵抗とを含んでいる。レプリカ回路41のトランジスタQN50とドライバ回路42のトランジスタQN45とはカレントミラー回路を構成しており、トランジスタQN50には、トランジスタQN45のドレイン電流Iの1/nのドレイン電流が流れる。ここで、nは、正の実数(0よりも大きい数)である。
レプリカ回路41において、2つの抵抗の両側(ノード406及び408)にそれぞれ接続されているトランジスタQN48及びQN49は、出力回路のトランジスタQN41〜QN44に対応するものであるが、トランジスタQN41〜QN44がスイッチング動作を行うのに対して、トランジスタQN48及びQN49は常にオン状態となっている。トランジスタQN47は、電圧源であり、高電位側の電源電位VDDとトランジスタQN48のドレインとの間に接続される。トランジスタQN47のゲート電圧は、差動増幅器の一種であるオペアンプOP41によって制御される。トランジスタQN50は、トランジスタQN49のソースと低電位側の電源電位VSSとの間に接続されている。
オペアンプOP41の非反転入力にはリファレンス電位VREF1が供給され、オペアンプOP41の反転入力にはノード407の電位がフィードバックされる。これにより、ノード407の電位は、リファレンス電位VREF1に近付くように制御される。トランジスタQN50には、リファレンス電位VREF2に従ってドレイン電流が流れ、これによってレプリカ回路41の動作電流が決定される。
各々の入力信号In1、In2の電位は、低電位側の電源電位VSSから高電位側の電源電位VDDまでの範囲で変化する。これに伴い、出力回路のトランジスタQN41〜QN44がスイッチング動作を行う。
例えば、入力信号In1がローレベルで入力信号In2がハイレベルの場合には、トランジスタQN41及びQN44がオフ状態となり、トランジスタQN42及びQN43がオン状態となる。これにより、受信側の終端抵抗Rに電流Iが流れ、ノード400とノード401との間に出力電圧ΔV=I×Rが生じる。このとき、レプリカ回路41においても、2つの抵抗に電流I/nが流れ、ノード406とノード408との間に電位差ΔV=(I/n)×(nR/2+nR/2)=I×Rが生じる。
一方、入力信号In1がハイレベルで入力信号In2がローレベルの場合には、トランジスタQN41及びQN44がオン状態となり、トランジスタQN42及びQN43がオフ状態となる。これにより、受信側の終端抵抗Rに逆向きの電流Iが流れ、ノード401とノード400との間に出力電圧ΔV=I×Rが生じる。このとき、レプリカ回路41においても、2つの抵抗に電流I/nが流れ、ノード406とノード408との間に電位差ΔV=(I/n)×(nR/2+nR/2)=I×Rが生じる。
また、ドライバ回路42において、差動出力のオフセット電位VOSは、ノード400及びノード401の電位をそれぞれV400及びV401とすると、VOS=(V400+V401)/2で表される。その値は、レプリカ回路31における2つの抵抗の接続点(ノード407)の電位VOSR=(V406+V408)/2=V407と連動する。従って、オフセット電位VOS、即ち、ノード407の電位が目標の値となるように、オペアンプOP41の非反転入力に供給されるリファレンス電位VREF1が決定される。
以上説明したように、本実施形態においては、カレントミラー回路によって出力回路の電流を制御すると共に、終端抵抗のレプリカとして設けた2つの抵抗の接続点における電位に基づいて出力回路の電圧を制御するので、オペアンプの数を増やすことなしに出力信号の振幅及びオフセット電位を安定化させることができる。特に、ドライバ回路においてオペアンプが存在しないので、回路構成が単純になり、発振するおそれもなくなる。また、1つのリファレンス電位を変化させることにより、オフセット電位を一定に保ったまま、出力信号の振幅を変化させることが可能である。
本発明は、パーソナルコンピュータのグラフィックボードとディスプレイ部との間の信号伝送等において利用することができる。
LVDS方式において使用されている従来のラインドライバの例を示す回路図である。 LVDS方式において使用されている従来のラインドライバの他の例を示す回路図である。 LVDS方式において使用されている従来のラインドライバのさらに他の例を示す回路図である。 本発明の一実施形態に係る半導体集積回路に含まれるラインドライバの構成を示す回路図である。
符号の説明
41 レプリカ回路
42 ドライバ回路
401〜408 ノード
終端抵抗
QN41〜QN50 NチャネルMOSトランジスタ
OP41 オペアンプ

Claims (6)

  1. 直列に接続された第1のトランジスタ及び第2のトランジスタと、直列に接続された第3のトランジスタ及び第4のトランジスタとを含み、差動入力信号が供給されてスイッチング動作を行うことにより、前記第1及び第2のトランジスタの接続点と前記第3及び第4のトランジスタの接続点との間に接続される負荷に差動出力信号を供給する出力回路、第1の電源電位と前記第1及び第3のトランジスタとの間に接続された第のトランジスタ、前記第2及び第4のトランジスタと第2の電源電位との間に接続され、ゲートに印加される第1のリファレンス電位に従って前記出力回路に流れる電流を決定するのトランジスタを備えるドライバ回路と、
    第1の電源電位に接続された第のトランジスタ第2の電源電位に接続されて前記第のトランジスタと共にカレントミラー回路を構成し、前記第1のリファレンス電位がゲートに印加されて、前記第のトランジスタに流れる電流に比例する電流を流す第のトランジスタ、前記第のトランジスタと前記第のトランジスタとの間に直列に接続された第9のトランジスタ及び互いに等しい抵抗値を有する第1の抵抗及び第2の抵抗及び第10のトランジスタと、前記第1の抵抗と前記第2の抵抗との接続点における電位と第2のリファレンス電位との差を増幅して、増幅された電位を前記第及び第のトランジスタのゲートにフィードバックすることにより、前記負荷に供給される2つの出力信号の電位の平均値が出力信号の振幅によらずに一定となるように制御する差動増幅器を備えるドライバ回路用制御回路と、
    を具備する半導体集積回路。
  2. 前記第1の電源電位が前記第2の電源電位よりも高く、前記第1〜第10のトランジスタの各々がNチャネルMOSトランジスタを含む、請求項1記載の半導体集積回路。
  3. nを0より大きい数とするときに、前記第7〜10のトランジスタに流れる電流が、前記第及び第のトランジスタに流れる電流の1/nである、請求項記載の半導体集積回路。
  4. 前記第7、第8、第9、第10のトランジスタが、前記第5、第6、第1又は第3、第2又は第4のトランジスタのサイズの1/nのサイズをそれぞれ有する、請求項記載の半導体集積回路。
  5. 前記第1及び第2の抵抗の各々が、前記出力回路に接続される終端抵抗の抵抗値の(n/2)倍の抵抗値を有する、請求項記載の半導体集積回路。
  6. 前記差動増幅器が、
    前記第2のリファレンス電位が供給される非反転入力端子と、
    前記第1の抵抗と前記第2の抵抗との接続点における電位が供給される反転入力端子と、
    前記第及び第のトランジスタのゲートに出力電位を供給する出力端子と、
    を有する、請求項1記載の半導体集積回路。
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