JP4983284B2 - 差動ドライバ回路 - Google Patents

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Description

本発明は,一対の伝送路に流れる信号電流の向きを切り替えることにより信号を伝送する差動ドライバ回路に関し,特に小振幅差動信号(LVDS)インターフェースに用いられる差動ドライバ回路に関する。
近年,高速データの要求を満たすため,小振幅差動信号(LVDS:Low Voltage Differential Signal) インターフェースが注目されている。
図6は従来例1の差動ドライバ回路の構成を示す図であり,LVDSのインターフェースとして使用される。図6のA.はN型電界効果トランジスタとP型電界効果トランジスタという極性が逆のトランジスタを直列に接続し,それを対にして使用することにより差動出力を発生させる回路(特許文献1参照)であり,図6のB.はN型電界効果トランジスタという同一極性のトランジスタだけを直列に接続しそれを対にして使用することにより差動出力を発生させる回路である。スイッチングに使用するトランジスタを違う極性のものを対にして使用するか,若しくは全て同じ極性を持つトランジスタを使用するかによりバイアスに印加する電圧は異なるが,バイアス電圧に対応して4つのトランジスタで構成されるスイッチング回路の電流の向きを変え,終端抵抗から取り出す電圧振幅を変える働きをする。簡単のため,以降は図6のA.について説明を行うが,B.についても同様である。なお,電界効果トランジスタではなく,バイポーラ型トランジスタによっても図6と同様の差動ドライバ回路を構成することができる。
図6のA.に示す構成において,80は電流源(ImAはIミリアンペアを表す),81,82はP型電界効果トランジスタ(以下,P型トランジスタという)でありMP1,MP2で表示され,83,84はN型MOSトランジスタ(以下,N型トランジスタという)でありMN1,MN2で表示され,85はインバータ(INV),86,87は伝送路,88は終端抵抗(抵抗値RL)である。また,B.に示す構成では,80,85〜88はA.の同一符号の各部と同じであり,83,83’,84,84’は同じN型トランジスタである。なお,図6のA.に示すN型トランジスタMN1,MN2のソースはグランド(GND)に接続しているが,DCレベル設定抵抗またはDCレベル設定トランジスタを通ってグランドに接続する構成を備える回路も存在し,図6のB.についても同様である。
図7は電流源の変化に対応した出力電圧とコモンモード電圧の変化を示す図であり,図7のA.は電流源80に流れる電流がI(mA)の場合である。図7のA.のaは入力電圧Vinが低レベル(GND)の場合,MP1がオンとなり,インバータ85で反転された高レベルの信号が入力されたMN2がオン,MP2とMN1がオフで,電流源80の電流IがMP1,伝送路86,終端抵抗RL88,伝送路87,MN2を通って流れ,終端抵抗RLの両端に生じる出力電圧Vout =I×RLが発生する。
一方,入力電圧Vinが高レベルの場合,MN1がオン,インバータ85で反転された低レベルの信号が入力されたMP2がオン,MP1とMN2がオフとなるため,電流源80の電流IがMP2,伝送路87,終端抵抗RL88,伝送路86,MN1を通って流れて,終端抵抗RLの両端に入力電圧Vinが高レベルの場合の出力電圧に対して低レベル(GND)の出力電圧が図7のA.のbのように発生する。入力電圧Vinが高レベルと低レベルのそれぞれに対応する出力電圧Vout は論理“1”か“0”を表すが,出力電圧が“0”であるか“1”であるかを識別するための閾値であるコモンモード電圧(Vcom で表す)は図7のA.に示すようにI×RL/2である。
このような差動ドライバ回路は携帯電話等の電池駆動のシステムで使用されているが,その稼働時間を延長するために低消費電力化が要求されている。そのための手段として,LVDS出力にパワーセーブの機能を持たせることが提案されている。すなわち,LVDSのパワーセーブの機能としてスリープモードを取り得るようにしたものである。
その提案されているスリープモードの条件として,次の2つが両立することが必要である。
(1) 差動出力電圧振幅を低減する。
(2) コモンモード電圧Vcom を維持する。
上記(1) を満足するために電流源の電流量を減少させる方法が一般的であり,図7のB.のaとbには,電流源の電流量Iをほぼ半減したI’(mA:=I/2)とした場合の差動出力電圧振幅Vout ’(=I’×RL)とGNDが示されている。この時のコモンモード電圧Vcom ’は,差動出力電圧振幅Vout ’の半分(=I’×RL/2)となってしまい,図7のA.に示す通常状態のコモンモード電圧Vcom より低下するため上記(2) に示す条件を満たすことができない。なお,図6のN型トランジスタMN1,MN2のソースにDCレベル設定抵抗またはDCレベル設定トランジスタを設けた構成であっても,通常モード時とスリープモード時の何れの場合にも,DCレベル設定抵抗やDCレベル設定トランジスタには電流に比例した電圧が発生するため,DCレベル設定抵抗またはDCレベル設定トランジスタが無い場合(図6の構成)と同様の問題が発生する。
一方,負荷の変化に対してソースドレイン間の電圧が変動し,コモンモード電圧が定まらず,ノイズによる発振が生じるという課題を解決するための技術が提案されており(特許文献2参照),その構成を従来例2の差動ドライバ回路として図8に示す。図中,90は出力回路,90aは高電位電源に接続されソースフォロワとして動作するN型トランジスタ,90bは低電位電源に接続されソースフォロワとして動作するP型トランジスタ,91はスイッチ回路,91a〜91dは差動型のスイッチ回路を構成するN型トランジスタ,92,93は入力端子であり,低電位側の電源電圧と高電位側の電源電圧まで振れる互いに反転された差動信号が入力され,94,95は出力端子でここで発生する電位はV2,V1,96は基準電位生成回路,V3,V4はN型トランジスタ90aとP型トランジスタ90bのゲートへ供給する基準電位である。
図8の構成では,出力端子94,95の差動電位VOD=V1−V2であり,出力のオフセット電圧VOCは,VOC=(V1+V2)/2と表わされる。これらのVODとVOCが目標の値となるよう,N型トランジスタ90aとP型トランジスタ90bのゲートへ供給される基準電位V3,V4を決定し,基準電位生成回路96から供給する。この技術により,ノイズによる発振を防ぎ,コモンモード電圧を安定にすることができる。
特開2000−31810号公報(図1) 特開2005−223872号公報
図6に示す従来例1の構成では上記したようにスリープモードにおいてコモンモード電圧が低下するという問題があり,上記図8に示す構成によれば,計算により求めた電位を低電位の電源に接続する電界効果型トランジスタと高電位の電源に接続する電界効果トランジスタのゲートに対して供給するよう基準電位生成回路を設ける必要があり電位を決定するための計算を要し,基準電位生成回路を新たに設けることによりコストが増大するという問題がある。
本発明は小振幅差動信号(LVDS)のインターフェースとして使用した時にスリープモードにおいてもコモンモード電圧を維持することができる差動ドライバ回路を提供することを目的とする。
図1は本発明の基本構成を示し,A.は構成,B.は出力電圧とコモンモード電圧の変化を示す図である。図中,10は電源,11は通常の電流値Iとそれより小さくした電流値(ここでは例としてI/2で示す)とに切り替え可能な電流源,2は上記図6のA.に示す従来の回路と同様のP型,N型という極性が逆のトランジスタを直列にした一対のトランジスタを含む差動回路であり,20,21は第1のスイッチング回路を構成するP型トランジスタ(MP1)とN型トランジスタ(MN1),22,23は第2のスイッチング回路を構成するP型トランジスタ(MP2)とN型トランジスタ(MN2),24は入力信号Vinを反転するインバータ(INV),25,26は差動回路の出力電流が流れる伝送路,27は終端抵抗(抵抗値RL),3は抵抗切替回路,30は抵抗(抵抗値R),31はスイッチ,4は通常モードかスリープモードかの切替制御を行う制御部である。なお,差動回路2の構成は上記図6のA.に示す回路と同じであるが,上記図6のB.に示すN型トランジスタのような同一極性のトランジスタを直列に接続したものに対して使用した構成の場合にも同様に適用することができる。
図1において,差動回路2を通常モードで使用する場合,制御部4は電流源11は通常の電流値Iで動作するよう制御部4により設定され,同時に抵抗切替回路3に対してスイッチ(SW)31をオンにする。この場合,差動回路2を構成する第1のスイッチング回路20,21のゲートに正相の入力信号Vinを供給し,第2のスイッチング回路22,23のゲートにインバータ24で反転した入力信号を供給することにより,従来回路と同様に電流源11からの電流Iが差動回路2の第1と第2のスイッチング回路を構成するトランジスタの動作状態が入力電圧に応じて切替えられる。図1のB.のa.に示すように入力電圧Vinのロウ(Low)とハイ(High) とに対応して,伝送路25,26を通る電流により出力電圧として終端抵抗(RL)27の両端に電源(V)レベルまたはGNDレベルの電圧が発生する。この時のコモンモード電圧Vcom は,Vcom =I×RL/2となる。
次に差動回路2をスリープモードにした場合,制御部4から電流源11に対して電流値Iを小さくした値I’(I’<I)に低減させる制御信号を供給すると共に抵抗切替回路3に対してスイッチ31をオフにする制御信号を供給する。これにより,抵抗切替回路3の抵抗30が差動回路2と低電圧電源(GND)との間に挿入された状態となる。この状態では,図1のB.のb.に示すように,抵抗切替回路3の抵抗30により電圧(=I’×R)が発生する。この時,入力電圧Vinに対応した差動回路2で発生する電流I’により終端抵抗27で発生する電圧Vout ’(=I’×RL)が,上記の抵抗30により発生する電圧に加算される。この時,コモンモード電圧Vcom ’はVout の電圧の中間電圧であり,グランド(GND)に対して抵抗Rによって発生する電圧を含めて次の値となる。
Vcom ’=I’×RL/2+I’×R
このコモンモード電圧Vcom ’は,通常モードにおけるコモンモード電圧Vcom との差がないよう,抵抗30の値が選択されており,スリープモードにおいても,通常モードと同様にコモンモード電圧を維持することができる。
本発明によれば小振幅差動信号のインターフェースにおいて差動回路に流れる電流を減少させるスリープモードにおいて,簡易な構成によりコモンモード電圧を維持することが可能となる。
図2は実施例1の構成である。図2のA.は構成,B.は論理表を示す図である。図中,10,11,2,20〜27,4の各符号は上記図1の同一符号の各部と同じであり,説明を省略する。図2の3−1は第2のスイッチング回路を構成する電界効果トランジスタMP2(22)とMN2(23)の低電位電源側の端子に設けられた抵抗切替回路,30−1は抵抗(抵抗値R),31−1はスイッチであり,第1のスイッチング回路を構成する電界効果トランジスタMP1(20)とMN1(21)の定電位電源側の端子はグランド(GND)に直接接続されている。なお,この実施例1の構成は,第1のスイッチング回路と第2のスイッチング回路は,異なる極性のトランジスタを直列接続した構成であるが,これらの第1と第2のスイッチング回路を同一極性のトランジスタにより構成して,ゲートに供給する入力電圧の位相を変えて差動動作を行う差動回路(従来例の図6のB.の構成)を構成した場合にも同様に適用できることは上記図1と同様である。
図2のB.は実施例1における論理表であり,通信時(通常モード)ではスイッチ(SW)31−1はオンになるよう制御部4からの制御信号により切替えられ抵抗R(30−1)が短絡され,電流源11は電流Iで動作するよう制御され,第1のスイッチング回路20(MP1),21(MN1)及び第2のスイッチング回路22(MP2),23(MN2)はそれぞれ入力信号Vinの内容に応じた動作をする(don't careで表示)。
これに対し,スリープモードでは,制御部4からの制御信号により電流源11の電流値を通常モード時値Iより小さくした値I’(I’<I)に切り替える制御信号を供給すると共に,抵抗切替回路3−1に対してスイッチ31−1をオフにする制御信号を供給する。これにより,抵抗切替回路3−1の抵抗R(30−1)が差動回路2と低電圧電源(GND)との間に挿入された状態となり,スリープモード時のみ電流が抵抗R(30−1)を流れて電圧降下を起こす。この結果,第2のスイッチング回路(MP2とMN2)の電位は電圧降下分だけ押し上げられ,抵抗値Rを調節することによりスリープモード時においてもコモンモード電圧Vcom を,通常モードの場合と同様のレベルに維持することができる。この場合,抵抗R(30−1)に電流が流れる必要があるため,トランジスタMP1,MN2がオンになっている必要があるため,図2のB.の論理表に示すように,スリープモード時にMP1とMN2をオンにし,MP2とMN1をオフにするよう入力電圧Vinを供給する。
図3は実施例2の構成である。図3のA.は構成,B.は論理表を示す図である。図中,10,11,2,20〜27,4の各符号は上記図1の同一符号の各部と同じであり,説明を省略する。図3の3−2は第1と第2のスイッチング回路を構成する電界効果トランジスタのそれぞれの低電位電源側の端子とグランド(GND)との間に設けられた2組の抵抗とスイッチにより構成された抵抗切替回路であり,30−2a,30−2bは抵抗(R1,R2で表す),31−2a,31−2bはスイッチ(SW1,SW2で表す)である。
実施例2において,通信時(通常モード)では,図3のB.に示すようにスイッチSW1,SW2をオンにするよう制御部4により切替えられ,電流源11は電流Iで動作するよう制御され第1のスイッチング回路20(MP1),21(MN1)及び第2のスイッチング回路22(MP2),23(MN2)はそれぞれ入力信号Vinの内容に応じた動作をする(don't careで表示)。
一方,スリープモードでは制御部4からの制御信号により電流源11の電流値を通常モード時値Iより小さくした値I’(I’<I)に切り替える制御信号を供給すると共に,抵抗切替回路3−2に対してスイッチSW1,SW2をオフにする制御信号を供給する。これにより,抵抗切替回路3−2の抵抗R1,R2を電流I’が流れて電圧降下を起こし,第1のスイッチング回路(MP1,MN1)と第2のスイッチング回路(MP2,MN2)の電位は電圧降下分だけ押し上げられる。抵抗値R1及びR2を調節することによりスリープモード時においてもコモンモード電圧Vcom を維持することが可能となる。この実施例2の場合,必ずしもR1とR2の値は同一にする必要がなく,トランジスタのオン抵抗のばらつきによるコモンモード電圧Vcom のばらつきをR1及びR2で調整することにより,吸収することが可能である。
図4は実施例3の構成である。図4のA.は構成,B.は論理表を示す図である。図中,10,11,2,20〜27,4の各符号は上記図1の同一符号の各部と同じであり,説明を省略する。3−3aは第1のスイッチング回路(MP1とMN1)の低電位電源側の端子とグランド(GND)の間に設けたダイオード切替回路DSW1,3−3bは第2のスイッチング回路の低電位電源側の端子とグランド(GND)の間にダイオード切替回路DSW2であり,ダイオード切替回路DSW1は通常モードでオンとなるスイッチ(SW1)とダイオード(D1)の直列回路で構成され,ダイオード切替回路DSW2は通常モードでオフとなるスイッチ(SW2)とダイオード(D2)の直列回路で構成される。なお,第1のスイッチング回路と第2のスイッチング回路の低電位電源側の端子は直接接続され,ダイオード切替回路DSW1,DSW2の各スイッチSW1,SW2の端子に接続される。
ここで,ダイオードD1とダイオードD2はI−V(電流−電圧)特性が異なり,電流を流した時の電圧降下量が異なるものを使用する。また,ダイオードD1とダイオードD2は,複数のダイオードを直列に接続してダイオード群全体で電圧降下量を大きくしてもよい。この実施例3では,図1の構成及び図2,図3に示す実施例1,2の構成と異なり抵抗を使用せずダイオードを用いスイッチと直列に接続したダイオード切替回路を使用している点に特徴を備える。
具体的には,図4のダイオードD1を電圧降下量の小さいダイオード,ダイオードD2を電圧降下量の大きいダイオードとすると,図4のB.に示す論理表のように,通常モードではスイッチSW1をオンにし(閉じ),スイッチSW2をオフにし(開く),ダイオードD1により生じる小さな電圧降下で使用するが,スリープモード(パワーセーブ)時にはスイッチSW2をオンにし(閉じ),スイッチSW1をオフにし(開く),ダイオードD2で発生する大きな電圧降下で使用する。こうすることで,コモンモード電圧Vcom を維持することが可能となる。
図5は実施例4の構成である。図5のA.は構成,B.は論理表を示す図である。図中,10,11,2,20〜23,25〜27,4の各符号は上記図1の同一符号の各部と同じであり,説明を省略する。28は通常モード時は上記図1〜図4と同様の構成により入力電圧Vinを第1スイッチング回路に供給し,入力電圧VinをインバータINVで反転して第2のスイッチング回路のゲートに供給し,スリープモード時に第1のスイッチング回路と第2のスイッチング回路を構成する全てのトランジスタをオフにするバイアス電圧をそれぞれのゲートに供給するように切替えられるバイアス電圧発生部,3−4は電源電圧Vccを抵抗R1とR2で分圧した電位を差動回路の出力側の伝送路25と26にスイッチSW1を介して供給するか否かの切替えが行われる抵抗切替回路である。
実施例4の場合,図5のB.の論理表に示すように,通常モード時はバイアス電圧発生部28には入力電圧Vinに対応して各トランジスタMP1,MN1,MP2,MN2がオンまたはオフの状態となる。この時,スイッチSW1,SW2を共にオフ(開いた状態)となるため,終端抵抗RLは抵抗R1,R2による影響を受けない。
これに対し,スリープモード(パワーセーブ)時には,スイッチSW1,SW2をオンにする(閉じる)ことにより,終端抵抗RLの両端に印加される電圧は抵抗R1,R2の比率によって決定するコモンモード電圧に強制的に決定される。この時,スイッチングに使用している第1及び第2のスイッチング回路を構成する4つのトランジスタ(MP1,MN1,MP2,MN2)のどれか一つでもオン状態になると,トランジスタに電流が流れてしまい,コモンモード電圧が維持できなくなる。そのため,バイアス電圧発生部28は第1及び第2のスイッチング回路の全てのトランジスタをオフにするようゲート端子に対してバイアス電圧を制御する。
本発明の基本構成を示す図である。 実施例1の構成を示す図である。 実施例2の構成を示す図である。 実施例3の構成を示す図である。 実施例4の構成を示す図である。 従来例1の差動ドライバ回路の構成を示す図である。 電流源の変化に対応した出力電圧とコモンモード電圧の変化を示す図である。 従来例2の差動ドライバ回路の構成を示す図である。
符号の説明
10 高電位側の電源
11 電流源
2 差動回路
20,21 第1のスイッチング回路(MP1,MN1)
22,23 第2のスイッチング回路(MP2,MN2)
24 インバータ(INV)
25,26 伝送路
27 終端抵抗(RL)
3 抵抗切替回路
30 抵抗(R)
31 スイッチ
4 制御部

Claims (4)

  1. 一方の端子を高電位電源に接続された定電流源に共通に接続され,他方の端子を低電位電源側の共通の線路に接続され,2つのトランジスタを直列に接続して一組とした第1と第2のスイッチング回路からなる差動回路を備え,前記第1と第2のスイッチング回路の2つのトランジスタの何れか一方のゲートを交互に駆動する差動駆動信号を基に,一対の伝送路に流れる信号電流の方向を切替えることにより信号伝送をする差動ドライバ回路において,
    前記定電流源は,運用モード時の電流値と,スリープモード時の前記運用モード時の電流値より低い電流値とに制御信号により切替えられる構成を備え,
    前記差動回路の他方の端子と低電位電源との間に制御信号により抵抗を接続するか,抵抗を短絡するかの切替えが可能な切替回路を設け,
    スリープモード時に前記定電流源をスリープモード時の電流値に切替えると共に,前記切替回路の抵抗を接続するように切替えることにより,スリープモード時のコモンモード電圧を運用時のレベルと同等に維持することを特徴とする差動ドライバ回路。
  2. 一方の端子を高電位電源に接続された定電流源に共通に接続され,他方の端子を低電位電源側の個別の線路に接続され,2つのトランジスタを直列に接続して一組とした第1と第2のスイッチング回路からなる差動回路を備え,前記第1と第2のスイッチング回路の2つの電界効果トランジスタの何れか一方のゲートを交互に駆動する差動駆動信号を基に,一対の伝送路に流れる信号電流の方向を切替えることにより信号伝送をする差動ドライバ回路において,
    前記定電流源は,運用モード時の電流値と,スリープモード時の前記運用モード時の電流値より低い電流値とに制御信号により切替えられる構成を備え,
    前記差動回路を構成する前記第1のスイッチング回路の他方の端子を低電位電源に接続し,前記第2のスイッチング回路の他方の端子と低電位電源との間に制御信号により抵抗を接続するか,抵抗を短絡するかの切替えが可能な切替回路を設け,
    スリープモード時に前記定電流源をスリープモード時の電流値に切替えると共に,前記切替回路の抵抗を接続するように切替えることにより,スリープモード時のコモンモード電圧を運用時のレベルと同等に維持することを特徴とする差動ドライバ回路。
  3. 請求項2において,
    前記第1のスイッチング回路の他方の端子と低電位電源との間に制御信号により抵抗を接続するか,抵抗を短絡するかの切替えが可能な切替回路を設け,
    スリープモード時に前記定電流源をスリープモード時の電流値に切替えると共に,前記第1のスイッチング回路と第2のスイッチング回路のそれぞれの他方の端子に設けた各切替回路を,それぞれの抵抗を接続するよう切替えることにより,スリープモード時のコモンモード電圧を運用時のレベルと同等に維持することを特徴とする差動ドライバ回路。
  4. 一方の端子を高電位電源に接続された定電流源に共通に接続され,他方の端子を低電位電源側の共通の線路に接続され,2つのトランジスタを直列に接続して一組とした第1と第2のスイッチング回路からなる差動回路を備え,前記第1と第2のスイッチング回路の2つのトランジスタの何れか一方のゲートを交互に駆動する差動駆動信号を基に,一対の伝送路に流れる信号電流の方向を切替えることにより信号伝送をする差動ドライバ回路において,
    前記定電流源は,運用モード時の電流値と,スリープモード時の前記運用モード時の電流値より低い電流値とに制御信号により切替えられる構成を備え,
    前記差動回路の他方の端子と低電位電源との間に,第1のスイッチと直列に接続された第1のダイオードとで構成する第1の切替回路と,第2のスイッチと直列に接続された前記第1のダイオードより電圧降下量が大きい第2のダイオードとで構成する第2の切替回路と,を並列に接続し,
    運用モードにおいて,前記第1と第2の切替回路を駆動して,前記第1のスイッチをオン,第2のスイッチをオフにし,スリープモードにおいて,前記第1のスイッチをオフ,第2のスイッチをオンとなるよう制御することにより,スリープモード時のコモンモード電圧を運用時のレベルと同等に維持することを特徴とする差動ドライバ回路。
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