JP6063643B2 - 半導体装置および通信装置 - Google Patents
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Description
《半導体装置(主要部)の概要》
図1は、本発明の実施の形態1による半導体装置において、その主要部の概略構成例を示す機能ブロック図である。図1に示す半導体装置は、可変利得型差動増幅回路VGA1と、その出力側に設けられたオフセット補正回路部OFCBK1を備える。VGA1は、差動入力信号INP,INNを受けて、ゲイン設定信号ASETに応じたゲインで増幅動作を行い、差動出力信号OUTP’,OUTN’を出力する。OFCBK1は、オフセット補正レベル生成回路OFGと、これによって生成したオフセット補正レベルをOUTP’,OUTN’に加算し、差動出力信号OUTP,OUTNを出力する加算部ADDp,ADDnを備える。
図1および図2のようなオフセット補正方式を用いることで、例えば、次のような効果が得られる。第1に、可変利得型差動増幅回路VGA1の出力側にオフセット補正回路部OFCBK1を配置し、出力側でオフセット補正を行っているため、入力側でオフセット補正を行う場合と比較して高速化が図れる。すなわち、VGA1には、例えば、電圧レベルが小さくなった差動入力信号INP,INNを所定の電圧レベルまで増幅させるような役目を担わせることが多い。このような場合、入力側でオフセット補正を行うと、これに伴うVGA1の入力容量は、電圧レベルが小さいINP,INNに影響を及ぼすため、高速化を阻む主要因となり得る。一方、差動出力信号OUTP’,OUTN’の電圧レベルはある程度大きくなっているため、VGA1の出力容量は入力容量に比べると高速化に与える影響が小さい。その結果、出力側でオフセット補正を行うことで高速化が図れる。
図3A、図3B、図3Cおよび図3Dは、図1における可変利得型差動増幅回路のそれぞれ異なる詳細な構成例を示す回路図である。図3A〜図3Dに示す各可変利得型差動増幅回路VGA11〜VGA14は、差動対トランジスタとなるNMOSトランジスタ(MN1(MNv1),MN2(MNv2))と、テール電流源(ISVg(NN3))と、2個の負荷抵抗(R1(Rv1),R2(Rv2))を備える。テール電流源は、一端が差動対トランジスタの共通ソースノードに結合され、他端が接地電源電圧GNDに結合される。2個の負荷抵抗は、一端が差動対トランジスタのドレインノードにそれぞれ結合され、他端が電源電圧VCCに結合される。差動入力信号INP,INNは、差動対トランジスタのゲートにそれぞれ入力され、差動出力信号OUTP’,OUTN’は、差動対トランジスタのドレインからそれぞれ出力される。
図4A、図4B、図4Cおよび図4Dは、図1におけるオフセット補正回路部のそれぞれ異なる詳細な構成例を示す回路図である。図4Aに示すオフセット補正回路部OFCBK11は、可変利得型差動増幅回路VGA1における差動出力ノードの正極側(OUTP’)と接地電源電圧GNDの間に結合される可変電流源ISVopと、差動出力ノードの負極側(OUTN’)とGNDの間に結合される可変電流源ISVonを備える。ISVop,ISVonは、いずれか一方が極性選択信号PNSETによって有効化され、その電流値は、ゲイン設定信号ASETと基準設定レベルRFSETの乗算結果を反映して設定される。このような構成を用いると、ISVop,ISVonのいずれか一方による電流がVGA1の出力抵抗を介して電圧に変換され、当該電圧が差動出力信号OUTP’,OUTN’のいずれか一方にオフセット補正電圧として加算される。その結果、オフセット電圧が相殺された差動出力信号OUTP,OUTNが得られる。
図5Aは、本発明の実施の形態1による通信装置において、その概略構成例を示す外形図であり、図5Bは、図5Aにおける再駆動回路(半導体装置)の構成例を示すブロック図である。図5Aに示す通信装置は、例えばルータ装置等であり、複数のカードコネクタCNTが実装されるバックプレーンBKPと、当該CNTに適宜挿入されるインタフェースカード(配線基板)IFCD[1],IFCD[2],…や、スイッチカード(配線基板)SWCD等を備えている。各インタフェースカードIFCDは、外部通信ケーブル(例えばイーサネットケーブルや光ファイバケーブル等)LNin,LNoutに接続するための端子や、所定の通信プロトコル処理等を行う処理デバイスASICなどを備えている。また、SWCDは、複数の入力端子と複数の出力端子の間で経路の選択や分配等を行うスイッチデバイスSWLSIなどを備えている。
《半導体装置(主要部)の概略回路構成》
図6は、本発明の実施の形態2による半導体装置において、その主要部の概略構成例を示す回路ブロック図である。図6に示す半導体装置は、実施の形態1で述べた図1のオフセット補正回路部に対して図4Aの回路方式を適用し、更に回路の改良を図ったものとなっている。
図7は、図6の半導体装置において、その詳細な構成例を示す回路図である。図7に示す可変利得型差動増幅回路VGA1は、実施の形態1の図3Aで述べた回路方式を適用しており、差動対トランジスタ(NMOSトランジスタMN1,MN2)と、負荷抵抗R1,R2と、可変電流源としてのゲイン制御部GCTLmおよび基準電流生成部IRGvを備える。電源電圧VCCは、特に限定はされないが、例えば1V等である。
図8は、図7の半導体装置において、そのオフセット補正に伴う初期設定方法の一例を示すフロー図である。図8において、まず、可変利得型差動増幅回路VGA1のゲインが最大値Amaxに設定される(S101)。すなわち、図7のゲイン設定信号ASET1によってゲイン制御部GCTLmにおけるスイッチSWm[1]〜SWm[k]が全てオンに制御される。次いで、VGA1の入力レベルが設定される(S102)。すなわち、図7の差動入力信号INP,INNが同電位とされ、かつNMOSトランジスタMN1,MN2がオンとなる電圧レベル(例えば0.6V等)に設定される。
《半導体装置(主要部)の概要(応用例[1])》
図9は、本発明の実施の形態3による半導体装置において、その主要部の概略構成例を示す機能ブロック図である。図9に示す半導体装置は、実施の形態1の図1で述べた半導体装置の応用例となっており、図1と比較して、可変利得型差動増幅回路VGA2が2個の可変利得型差動増幅回路VGAm,VGAsで構成される点が異なっている。さらに、これに応じて、オフセット補正回路部OFCBK2が、2個のオフセット補正レベル生成回路OFGm,OFGsと、2組の加算部ADDp1,ADDn1,ADDp2,ADDn2を備える点が異なっている。
図10は、図9における可変利得型差動増幅回路の詳細な構成例を示す回路図である。図10の可変利得型差動増幅回路VGA2は、ミキサ型の可変利得型差動増幅回路となっており、メイン側の可変利得型差動増幅回路VGAmと、サブ側の可変利得型差動増幅回路VGAsを備えている。VGAmは、図3Aの場合と同様に、差動対トランジスタ(NMOSトランジスタMN1,MN2)と、負荷抵抗R1,R2と、テール電流源(可変電流源ISVm)を備える。MN1は、ゲートに正極側の差動入力信号INPを受けて、ドレインから負極側の差動出力信号OUTN’を出力し、MN2は、ゲートに負極側の差動入力信号INNを受けて、ドレインから正極側の差動出力信号OUTP’を出力する。なお、ISVmの電流値は、VGAm用のゲイン設定信号ASETmで定められる。
《半導体装置(主要部)の概要(応用例[1’])》
図11は、本発明の実施の形態4による半導体装置において、その主要部の概略構成例を示す機能ブロック図である。図11に示す半導体装置は、実施の形態3の図9で述べた半導体装置の変形例となっている。図11の半導体装置は、図9と比較して、オフセット補正回路部OFCBK3内に、1個のオフセット補正レベル生成回路OFGと1組の加算部ADDp,ADDnが備わる点と、新たに、基準設定レベル選択部MSSELと制御部CTLが加わった点が異なっている。図11の可変利得型差動増幅回路VGA2は、図9の場合と同様であり、メイン側の可変利得型差動増幅回路VGAmとサブ側の可変利得型差動増幅回路VGAsを備える。
図12は、図11の半導体装置において、その詳細な構成例を示す回路図である。図12において、可変利得型差動増幅回路VGA2内のメイン側の可変利得型差動増幅回路VGAmは、前述した図7のVGA1と同様の回路構成となっている。一方、VGA2内のサブ側の可変利得型差動増幅回路VGAsは、図10で述べたように、VGAm内の差動対トランジスタ(NMOSトランジスタMN1,MN2)とドレインノードをそれぞれ共用する差動対トランジスタ(NMOSトランジスタMN3,MN4)と、その共通ソースノードに接続されたゲイン制御部GCTLsを備える。
図13は、図12の半導体装置において、そのオフセット補正に伴う初期設定方法の一例を示すフロー図である。図13において、ステップS201a〜S205aは、メイン側(VGAm)を対象とした初期設定方法であり、ステップS201b〜S205bは、サブ側(VGAs)を対象とした初期設定方法である。ただし、それぞれの初期設定方法は、前述した図8のステップS101〜S105とほぼ同様であるため、ここでは、図8との相違点に着目して簡単に説明を行う。
ASET ゲイン設定信号
ASIC 処理デバイス
BKP バックプレーン
CDR クロック・データ再生回路
CNT カードコネクタ
CTL 制御部
GCTL ゲイン制御部
GND 接地電源電圧
IFCD インタフェースカード
IN 入力端子
INP,INN 差動入力信号
IRG 基準電流生成部
ISV 可変電流源
LA 固定利得型差動増幅回路
LABK 固定利得増幅部
LN 外部通信ケーブル
MN NMOSトランジスタ
MSSEL 基準設定レベル選択部
MSSET 基準設定レベル選択信号
OA オフセットアンプ
OFCBK オフセット補正回路部
OFCTL オフセット補正レベル制御部
OFG オフセット補正レベル生成回路
OUT 出力端子
OUTP’,OUTN’,OUTP,OUTN 差動出力信号
PNSEL 極性選択部
PNSET 極性選択信号
R 抵抗
RFSET 基準設定レベル
SSET スイッチ制御信号
SW スイッチ
SWCD スイッチカード
SWLSI スイッチデバイス
VCC 電源電圧
VGA 可変利得型差動増幅回路
WT 重み付け部(乗算部)
Claims (8)
- 利得設定信号を受け、前記利得設定信号が表す利得で差動入力信号を増幅し、差動出力信号を出力する可変利得型の差動増幅回路と、
前記利得設定信号を受け、前記利得に比例して変動する補正電圧を生成し、前記補正電圧を前記差動出力信号のいずれか一方に付加することで前記差動増幅回路で生じるオフセット電圧を相殺する補正回路と、
を備え、
前記補正回路は、前記差動出力信号が出力される差動出力ノードに結合される補正用可変電流源を備え、
前記補正用可変電流源は、所定の基準電流を基準として前記利得に比例して変動する補正電流を生成することで、前記補正電圧に対応する前記補正電流を生成し、
前記補正回路は、さらに、前記基準電流の電流値を設定する基準用可変電流源を備え、
前記基準用可変電流源の電流設定値は、前記差動入力信号が同電位に、前記利得が最大利得にそれぞれ設定された状態で探索され、前記差動出力信号がゼロとなる際の値に定められる、
半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記差動増幅回路は、
前記差動入力信号が入力され、一端が共通に結合される差動対トランジスタと、
前記差動対トランジスタの共通結合ノードに一端が結合されるテール電流源とを備え、
前記テール電流源の電流は、前記利得に比例して変動する半導体装置。 - 請求項2記載の半導体装置において、
前記補正回路は、さらに、
前記基準用可変電流源からの電流が供給される第1基準トランジスタと、
前記補正用可変電流源に含まれる第1および第2トランジスタ、第1および第2正極スイッチ、ならびに第1および第2負極スイッチと、
制御回路とを備え、
前記第1トランジスタは、前記第1基準トランジスタとの間でカレントミラー回路を構成することで第1電流を生成し、
前記第2トランジスタは、前記第1基準トランジスタとの間でカレントミラー回路を構成することで第2電流を生成し、
前記第1および第2正極スイッチは、前記第1および第2電流を前記差動出力ノードの正極にそれぞれ結合し、
前記第1および第2負極スイッチは、前記第1および第2電流を前記差動出力ノードの負極にそれぞれ結合し、
前記制御回路は、前記利得設定信号の変化に応じて、前記第1および第2負極スイッチを共にオフに制御した状態で前記第1および前記第2正極スイッチのオン・オフ状態を変化させるか、あるいは、前記第1および第2正極スイッチを共にオフに制御した状態で前記第1および第2負極スイッチのオン・オフ状態を変化させる半導体装置。 - 請求項3記載の半導体装置において、
前記第2トランジスタは、前記第1トランジスタの2倍のトランジスタサイズを有する半導体装置。 - 第1差動入力信号と第1利得設定信号が入力され、前記第1差動入力信号を前記第1利得設定信号が表す第1利得で増幅し、差動出力ノードに第1差動出力信号を出力する可変利得型の第1差動増幅回路と、
前記第1差動入力信号と同一レベルで逆極性となる第2差動入力信号と第2利得設定信号が入力され、前記第2差動入力信号を前記第2利得設定信号が表す第2利得で増幅し、当該増幅結果となる第2差動増幅信号を前記差動出力ノードにおいて前記第1差動出力信号に対して加算する可変利得型の第2差動増幅回路と、
前記第1利得設定信号を受け、前記第1利得に比例して変動する第1補正電圧を生成し、前記第1補正電圧を前記第1差動出力信号のいずれか一方に付加することで第1オフセット電圧を相殺し、さらに、前記第2利得設定信号を受け、前記第2利得に比例して変動する第2補正電圧を生成し、前記第2補正電圧を前記第1差動出力信号のいずれか一方に付加することで第2オフセット電圧を相殺する補正回路と、
を備え、
前記第1差動増幅回路は、前記第2利得を変化させる際には固定利得で使用され、
前記第2差動増幅回路は、前記第1利得を変化させる際には固定利得で使用され、
前記補正回路は、
前記差動出力ノードに結合される補正用可変電流源と、
第1基準電流を生成する第1基準電流源と、
第2基準電流を生成する第2基準電流源と、
を備え、
前記補正用可変電流源は、前記第1利得を変化させる際には前記第1基準電流を基準として前記第1利得に比例して変動する第1補正電流を生成することで前記第1補正電圧に対応する前記第1補正電流を生成し、前記第2利得を変化させる際には前記第2基準電流を基準として前記第2利得に比例して変動する第2補正電流を生成することで前記第2補正電圧に対応する前記第2補正電流を生成し、
前記第1および第2基準電流源のそれぞれは、可変電流源であり、
前記第1基準電流源の第1電流設定値は、前記第1差動入力信号が同電位に、前記第1利得が最大利得にそれぞれ設定された状態で前記第1電流設定値の探索動作を行うことで定められ、
前記第2基準電流源の第2電流設定値は、前記第2差動入力信号が同電位に、前記第2利得が最大利得にそれぞれ設定された状態で前記第2電流設定値の探索動作を行うことで定められる、
半導体装置。 - 請求項5記載の半導体装置において、
前記第1差動増幅回路は、
前記第1差動入力信号が入力され、一端が共通に結合される第1差動対トランジスタと、
前記第1差動対トランジスタの他端に結合される増幅用負荷回路と、
前記第1差動対トランジスタの共通結合ノードに一端が結合される第1テール電流源とを備え、
前記第2差動増幅回路は、
前記第2差動入力信号が入力され、一端が共通に結合され、他端が前記増幅用負荷回路に結合される第2差動対トランジスタと、
前記第2差動対トランジスタの共通結合ノードに一端が結合される第2テール電流源とを備え、
前記第1テール電流源の電流は、前記第1利得に比例して変動し、
前記第2テール電流源の電流は、前記第2利得に比例して変動する半導体装置。 - 差動信号を送信する第1半導体装置と、
前記第1半導体装置が実装される第1配線基板と、
前記差動信号を受信する第2半導体装置と、
前記第2半導体装置が実装される第2配線基板と、
前記第1配線基板から前記第2配線基板に向けて前記差動信号を伝送する通信経路とを備え、
前記第2半導体装置は、
入力初段に配置され、利得設定信号を受けて前記利得設定信号が表す利得で前記受信した前記差動信号を増幅し、差動出力信号を出力する可変利得型の差動増幅回路と、
前記利得設定信号を受け、前記利得に比例して変動する補正電圧を生成し、前記補正電圧を前記差動出力信号のいずれか一方に付加することでオフセット電圧を相殺する補正回路と、
を備え、
前記補正回路は、前記差動出力信号が出力される差動出力ノードに結合される補正用可変電流源を備え、
前記補正用可変電流源は、所定の基準電流を基準として前記利得に比例して変動する補正電流を生成することで、前記補正電圧に対応する前記補正電流を生成し、
前記補正回路は、さらに、前記基準電流の電流値を設定する基準用可変電流源を備え、
前記基準用可変電流源の電流設定値は、前記差動増幅回路の差動入力信号が同電位に、前記利得が最大利得にそれぞれ設定された状態で探索され、前記差動出力信号がゼロとなる際の値に定められる、
通信装置。 - 請求項7記載の通信装置において、
前記差動増幅回路は、
前記受信した前記差動信号が入力され、一端が共通に結合される差動対トランジスタと、
前記差動対トランジスタの共通結合ノードに一端が結合されるテール電流源とを備え、
前記テール電流源の電流は、前記利得に比例して変動する通信装置。
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