JPS60232737A - 差動バス・ドライバ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は高信頼性を有する差動バス・ドライバに関する
。

〔従来技術及びその問題点〕

エミッタ結合論理（ＥＣＬ）は高性能ディジタル・シス
テムに一般に用いられている高速度ディジタル素子の一
種である。従来ＥＣＬはメインフレーム・コンピュータ
に用いられてきた。この分野では可能な最高スイッチン
グ速度かほとんど直接にシステム性能に反映される。し
かし、今日ではＣＣＬはますます、通信、計測および周
辺装置の分野で利用されつつある。

大規模なディジタル・システムの設計においては、通常
、データ経路を多重駆動バスとして構成することが望ま
れる。これによって、いくつかのライン・ドライバが共
通バスを共有できるようになるため、経費が節約され、
またす法も小さくなる。また、データがたった一本のバ
スから受信されるので、ライン・レシーバの数も節約さ
れる。

従来のＥＣＬバスは、ＥＣＬゲートのエミッタやフォロ
ア出力とプル・ダウン抵抗を用いて構成されたＯＲ結合
バスであった。これらのバスは、たとえば接地ループ、
雑音、高周波発振に対して敏感である等のようないくつ
かの深刻な欠点を有している。これらの問題は差動（平
衡）バスを用いることによって避けることができる。差
動バス・レシーバは集積６６５回路になったものが入手
できるが、多重駆動バス用の差動バス・ドライバは得ら
れない。それゆえ、差動バス・ドライバ機能は、通常相
補ゲートまたは抵抗終端な有する単一ゲートを用いて達
成される。この方法はＯＲ結合バスに見られる問題点の
多くのものを共有している。なぜなら、電源供給線に直
接結合しているため、雑音や他の望ましくない過に現象
がバスーヒに持込まれ、これによって信頼性が減少し、
妨害輻射や他の問題かおこる機会が増大する。さらに、
ドライバが状態を変えるときの電流のサージが電源供給
線に結合されて、システムに雑音がさらに加わることに
なる。

〔発明の目的〕

本発明は上記従来技術の問題点を解消し、雑音に強く、
また雑音の発生が少ない差動バス・ドライバを提供する
ことを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明の好適な実施例によれば、ＥＣＬ用の平衡３状態
バスを多重駆動するための差動バス・ドライバが提供さ
れる。この差動バス−ドライバはいくつかの点で従来技
術にまさっている。第ｔＣ、トが低く、ノイズ・マージ
ンが大きい。更に、電磁輻射についても、輻射葉も、ま
たこれに対する敏感性も小さい。第２に、平衡伝達線路
は仮想接地面を形成するために良好な性能な示す。第３
に、本発明によれば回路構成が簡単になることにより、
サイズ、重量、コストを減少でき、かつ容易に集積化可
能である。

〔発明の実施例〕

第３図に、従来技術にかかる典型的な基本εＣＬバッフ
ァ電流スイッチ（ＥＣＬ　ｂｕｆｆｅｒｅｄ　ｃｕｒｒ
ｅｎｔｓｗｉｔｃｈ　）　を示す。第３図を参照すれば
、各ＥＣＬスイッチの、文字通りまた地楡的な意味でも
、下方には、電流源１１０がある。この基本ＥＣＬスよ
りなされる。スイッチの状態は、この電流により、抵抗
１１３および１１４の両端に現われる電圧降下から検出
できる。正味の電圧振幅は抵抗の値と電流の大きさから
決定される。さらに、これら抵抗値及び電流値の決定に
あたっては、回路中に存在する全ての寄生容量の充電、
放電を所望のスイッチング速度で行なうように選択され
る。スイッチの状態を制御するのに必要なスイッチ入力
信号ＶＩＮ　１２２の電圧系幅は比較的小さい。なんと
なれハ、ヘースーエミッタ電圧に対してエミッタ電流が
指数関数に変化するからであり、また差動モード動作を
しているからである。信号振幅が８５０ｍＶと小さくと
も、良好な雑音耐性でスイッチの状態を変化させるには
十分である。これらの電圧振幅はトランジスタートラン
ジスタ論理回路（ＴＴＬ）に一般的に必要な２ｖよりか
なり小さい。

トランジスタ１１１のコレクタ電圧Ｖｃｌ１２４の変化
範囲は電圧供給源の電圧Ｖｃｃ　（）ランジスタＵｔが
オフ状態のとき）から、約−〇、９８Ｖ（トランジスタ
１１１が導通して電流源１１０によって供給される全電
流を流しているとき）である。これらの電圧レベルを別
の電流スイッチの人力を駆動するのに必要な電圧として
も使えるようにするために、エミッタ・フォロア・トラ
ンジスタ１１５．１１６が第３図に示されているように
追加されている。エミッタ・フォロア・トランジスタ１
１５，１１６は、トランジスタ１１１のコレクタ電圧Ｖ
ｃ＋　１２４およびトランジスタ１１２のコレクタ電圧
ＶＣ２１２５を下げることに加えて、コレクタ・ノード
を負荷容量から隔離し、また電流利得を与える。エミッ
タ・フォロアートランジスタ１１５および１１６の出力
インピータンスは約７０と低いので、このＥＣＬスイッ
チ回路は２５０以上の特性インピーダンスを有する伝送
線路な駆動することができる。

ＥＣＬスイッチの動作は差動的性質を有しているので、
電位がゲート閾値電圧Ｖｍｍｌ１７に近づく雑音信号は
次の段に伝播する。また、高雑音レベルが４えられると
、非常に高い周波数で回路が発振する可能性が増大する
。数多くの雑音源があるが、比較的容易に示すことがで
きる一つの雑音源は回路間の相互接続部によって引起こ
される信号の反射である。このような相互接続部はとく
に大規模ディジタル番システムには多い。高速度システ
ムにおける配線と回路の間のこれらの相互作用は、相互
接続部を不整合伝送線路として扱うことによっていっそ
う容易に調べることができる。このような反射を減少さ
せるための解決手法は、従来技術でもいくつかあった。

たとえば、相互接続される線路のインピーダンス特性に
細心の注意な払う手法があったが、これは費用が多くか
かる。

また線路の相互接続にあたって直列または並列の終端を
設ける手法もあった。しかしながら、直列の終端を使用
した場合、性能が低下することがある。また並列の終端
を用いる場合は、プル・ダウン抵抗を電源電圧Ｖｍ震に
接続する必要がある。電れによって、電源電圧Ｖｌ１１
からの電源供給線路を流れる電流の数多くの急激なサー
ジにより発生した雑音がバスに導入される。これにより
、ことに圧Ｖｇｔ　１２３の電位の局部的な変化がおこ
り得る。

これによって、ゲート閾値電圧が変化するため、雑音に
対するシステムの敏感性がさらに増大する。

大規模ディジタル・システムの設計においでは、通常、
データ経路を多重駆動バスとして編成することが望まれ
る。これによって、いくつかのライン・ドライバが共通
にバスな共有できるため、コスト節約、サイズ節約がで
きる。また、いくつかのデータ発生源からのデータがた
った１つのバス上で受信されるので、ライン・レシーバ
の数が最小となる。多重駆動バスの場合は、一度に高々
１つのドライバだけが活性状態にあり、他のドライバは
高インピーダンスのオフ状態にあることが必要である。

従来技術の解決方法では、複数のドライバｈ）も成るオ
フ結合パスが用いられた。ここにおいて、各々のドライ
バは論理真か、オフ状態のいずれか動作する複数のエミ
ッタフォロア出力を有する。電源電圧ＶｗｍＫ接続され
たプル・ダウン抵抗は論理偽状態を発生するのに用いら
れる。プル・ダウン抵抗を用いると上述した問題が生じ
る。

上に述べたよりも優れた解決方法においては、差動（平
衡）バスが用いられる。この差動バスはシステム電源電
圧ＶＩ＋ｔから隔離されており、またバスの第１側と第
２側の電流ははとんど等しい。このような解決方法の利
点は、接地ループが除去されること、電源オフセット問
題がご（少なくなること、コストが低くなること、ノイ
ズ・マージンが大きくなること、電磁妨害の放射や、敏
感性が低くなること、および仮想接地面が発生するため
伝送線路性能が良（なることである。

第４図は本発明の差動バス・ドライバによって駆動され
るようになっている差動バスを示す。この差動バスは第
１側２０と第２側２１かもなる。

この差動バスは特性インピーダンスＺｏを有し１両端で
バスの特性インピーダンスに等しい終端抵抗２４で終端
されている。差動バスには差動バス・ドライバ２２およ
び差動バス・レシーバ２３が取付けられている。差動バ
スの第１側２０も第２側２１も直接には電圧源ＶＣＣに
もまた電圧源ｖ■にも受動素子によって結合されてはい
ない。バスの両側とも態動的に駆動される。各ドライバ
２２は３つの状態の１つで動作できなけれはならない。

第１の状態は「亮」である。この状態においては差動バ
ス・ドライバ２２は、差動バスの第１側２０へ論理真の
基準電圧を供給し、他方第２側２１から適当な電流を引
込む。第２状態は「低」である。

この状態では高状態とは逆に差動バス・ドライバ２２は
、差動バスの第２側２１へ論理真の基準電圧を供給し、
他方第１側２０かも適当な電流を引込む。第３状態はＵ
オフ」である。この状態においては、差動バス−ドライ
バ２２は基準電圧な供給もせず、また差動バスの第１側
２０または第２側２１かも電流を引込みもしない。上記
した動作の結果として、基準電圧は全部、活性化された
差動バス−ドライバによって供給される。更に基準電圧
源から差動バス・ドライバ２２の出力の一方の側に供給
された電流は、差動バス・ドライバ２２の他の側の出力
に接続された電流源が引込む電流にほぼ等しい。これに
よって、従来技術のグラウンド・ループや異なった接地
電位の問題が除去される。終端抵抗２４０両端間の電圧
降下によって得られる、はぼ論理偽の電位をもつ側はデ
ィジタル・システムの電源電圧Ｖｍｚから隔離されてい
るため、またシステムの電流およびインピーダンスが整
合しているため、かなり高いノイズ耐性が得られる。

差動バス・レシーバは集積ＥＣＬ回路として入手できる
が、多重駆動バス用の差動バス・ドライバは入手できな
い。それゆえ、差動バス・ドライバ機能は、従来技術に
おいては相補ゲートまたは抵抗終端を有する単一ゲート
を用いて達成された（アメリカ合衆国カリフォルニア用
マウンテン・ビューにあるＦａｉｒｃｂｉｊｄ　Ｃａｍ
ｅｒａ　ａｎｄ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ電源を圧Ｖａｔ
に接続されたプル・ダウン抵抗を使用しているので、差
動（平衡）バス方式の利点の多くがここでもまた失なわ
れてしまう。

第１図は第４図に図示した差動バスを駆動するようにな
っている、本発明の一実施例の３状態型の差動バス・ド
ライバの機能な説明する図である。

差動バス・ドライバは４１固のスイッチ３４　、３５　
、３６゜３７な含嶋これらスイッチ３４〜３７は電源電
圧ＶｃｃまたはＶｔｇを電流源３８を介して論理回路３
３１の制御の下に差動バスの第１側２０２６よび第２側
２１に交互に接続する。この実施例では、論理回路３３
１はバッファ３１．ＡＮＤゲート３２，３３な含んでい
る。本差動パス書ドライバは次のように動作する。イネ
ーブル信号４０が論理偽なら、ＡＮＤゲー　ト３２．３
３の出力はどちらも論理偽となる。これにより、スイッ
チ３４〜３７は開状態となり、差動バスの第１側２０、
第２側２１はともにフローティング状態となることがで
きる。したがって、差動バス−ドライバはオフ状態にあ
る。イネーブル信号が偽のとき、差動バス拳ドライバは
、データ信号４１の論理状態にかかわらずオフ状態のま
まである。この間、ドライバによって発生する雑音は、
電流源３８を電源電圧ｖｃｃｌ１８に接続することによ
ってさらに減少させることができる。これにより、差動
バス・ドライバがイネーブル状態とディスエーブル状態
との間で遷移したときの電源電流変化を回避できる。こ
のためには、更にスイッチ３３８を設け、これを論理回
路３３１で制御する。論理回路３３１にはさらにイネー
ブル信号４０を反転するインバータ３３７が設けられて
いる。インバータ３３７の出力が真であるとき、スイッ
チ３３８が付勢される。これによって電源電圧ｖｃｃが
電流源３８に接続される。インバータ３３７の出力が偽
の場合には、スイッチ３３８は開いているので、電流は
電源電圧Ｖｃｃ１１８から差動バスを通して電流源３８
に到達するように流れなければならない。

イネーブル信号４０が真の場合は、本差動ノくス・ドラ
イバの出力はデータ信号４Ｉの状態に依存する。バッフ
ァ３１はデータ信号４１と同じ論理状態およびその反転
論理状態の両方な発生する。

データ信号４１が真で、イネーブル信号が真であるとき
は、ＡＮＤゲート３２への入力は両方とも真となる。従
ってＡＮＤゲート３２の出力は真である。ＡＮＤゲート
３２の出力が真であるとき、スイッチ３５　、３６が閉
じる。これによって、差動バスの第１側２０は！４電圧
Ｖｃｃｌ１８に接続され、第２側２１は電流源３８を介
して電源電圧Ｖｍｇ１２３に接続される。電流源３８は
差動バスの第２側２１を電源電圧Ｖｚ＊　１２３からデ
カプリングする。一方ＡＮＤゲート３３への入力は真と
偽である。従って、ＡＮＤゲート３３の出力は偽である
。これによってスイッチ３４．３７は開のままである。

従って差動バス・ドライバは高状態となる。これに対し
て、データ信号４１が偽で、イネーブル信号４０が真で
あるときは、ＡＮＤゲート３３への入力は両方とも真と
なる。従ってＡＮＤゲート３３の出力は真である。ＡＪ
ＪＤゲート３３の出力が真であるとき、スイッチ３４．
３７は閉じられる。それによって差動バスの第２側２１
は電源電圧Ｖｃｃ　１１８に、第１側２０は電流ｆｊｉ
、３８を介して電源電圧Ｖｔｘ　１２３に接続される。

この場合もまた、電流源３８は第１側２０を電源電圧Ｖ
ｘｍからデカプリングする。この時入ＮＤゲート３２へ
の入力は真と偽である。従って、ＡＮＤゲート３２の出
力は偽となるため、スイッチ３５．３６は開状態である
。

従って、差動バス・ドライバは低状態である。差動バス
はＺ　ｏ／２に等しい負荷３９で終端されているように
みえる。これは並列に接続された２つの終端抵抗２４（
第４図）があるためである。電流源３８の電流の大きさ
は、負荷３９０両端の電圧降下が所望の論理電圧１辰幅
にほぼ等しくなるような値である。これは理想的なスイ
ッチを仮定した場合の議論である。もし理想的なものに
は及ばないスイッチ（たとえばトランジスタ）が用いら
れたならば、負４３９０両端に発生ｌ−た電圧によって
、スイッチがほとんど理想スイッチのように動作できる
ようになる心安がある。スイッチがトランジスタの場合
について言えば、このことは、トランジスタとしてたと
えばシリコン参トランジスタな用いた場合、これらのト
ランジスタがオフのときには０．３Ｖの逆バイアスがト
ランジスタにかかることにより、バスに対して高インピ
ーダンスを程するようにしなければならないことを意味
する。これは、電流源３８な流れる電流を減少させて、
負荷３９０両端に生じる電圧を０．３Ｖだゆ下げること
によって′なされる。

第２図は、本発明の好適な一実施例の差動バス−ドライ
バの回路図である。第２図の差動バス・ドライバは第４
図に示された差動バスをＥＣＬレベルで駆動する。また
この差？助バス・ドライバは第１図に示されたドライバ
と機能的に同等である。

この差動バス・ドライバは４蘭の集積回路、すなわちバ
ッファ４２、ＮＯＲゲート４３　、４４、素子４５から
なる。差動バス−ドライバはインピーダンスがＺｏ／２
にほぼ等しい負荷３９を駆動する。この負荷３９は第４
図に示される特性インピーダンスがＺｏである二重終端
された差動バスを表しでいる。

説明の便宜のため、これらの素子は全部ノくイポーラＮ
ＰＮ　）ランジスタで構成されているものとする。それ
故この回路は通常得られる技術で集積化が可能である。

この回路は、適当な電流源、電圧源の極性を反転するこ
とによってＰＮＰ）ランジスタを用いても構成できる。

ＮＯＲゲート４３゜４４、バッファ４２は第３図に示さ
れ、かつ上述したようなエミッタ・フォロア・トランジ
スタ出力を有している。素子４５は、エミッタ・フォロ
ア・トランジスタ出力でなく、出力用の電流源を有して
いる。その動作を下表に示す。電流の前の一符号は素子
４５に流れ込む電流な意味する。記号“ｌ”は論理真を
表わす。記号＠　ＯＩＩは論理偽を表わす。記号”Ｘ”
は所請ドント・ケア、つまりし・ずれの論理レベルでも
良いことを表わす。

Ｉ　Ｘ　オフ　オフ ０１　オフ　−ム ０　０　−Ｉｏ　オフ 出力電流ＩＯの値は、差動バス上の偽を表わす電圧（す
なわちＩｏＸＺｏ／２）がＮＯＲゲート４３゜４４の真
出力電圧レベルと偽出力電圧レベルの間の電圧差より所
定電圧だけ小さくなるように選ばれる。この所定電圧は
後述するようにできるだけ小さくなければならない。Ｅ
ＣＬについてはこの所定電圧は０．２Ｖ〜０．５■で十
分である。この所定電圧の選択については後述する。バ
ス上に複数のドライバがある場合は、一時には１つのド
ライバだけが活性化されるものとする。他の全てのドラ
イバは使用禁止にされ、バス上の高インピーダンス負荷
に見える。

第２図に示した回路のプロトタイプは、−上述の一般的
名称で呼ばれている素子として、アメリカ合衆国アリシ
ナ州フェニックスのＭｏｔｏｒｏｌａ社等から発売され
ている次の市販のＥＣＬ素子で作られた：ＮＯＲゲート
４３．４４はＭＣ１０１２３、バッファ４２はＭＣ１０
１０１，素子４５はＭＣ１０１９２である。バス・イン
ピーダンスはｚｏ＝ｔｏｏΩであるように選ばれた。こ
れらの部品は全部ＮＰＮ　トランジスタ以外のものを用
いないで同一のプロセスで製造されている。それ故、こ
れらの部品全部が単一のモノリシック半導体部品に集積
化されることが期待される。

ディスエーブル信号４６（εＮ）はバスーヒの１つの活
性化された差動バス・ドライバに対して偽である。ディ
スエーブル信号４６は第１図のイネーブル信号４０を反
転したものである。第２図の差動バス・ドライバは次の
ように動作する。すなわち、データ信号４１が真で、デ
ィスエーブル信号４６が偽なら、ＮＯＲゲート４４のエ
ミッタ・フォロア出力は活性状態となる。これにより、
差動バスの第１側２０に電源電圧ＶＣＣが供給され、第
１側２０の最大電圧が決定される。こりとき素子４５０
反転出力２３１は差動バスの第２側２１から電流を引込
むことにより、第１側２０の電位よりＩ。Ｘ　ＺＯ／２
だけ低い電位な第２側２１に発生する。ＮＯＲゲート４
３のエミッタ会フォロア拳トランジスタ出力はその出カ
ニミッタ・フォロアが逆バイアスされていて、オフであ
る、というの＆気圧力電流［ｏの値を決めるにあたって
は、このエミッタ・フォロアを順方向バイアスするのに
充分な電圧を負荷３９の両端に発生することができない
ように選ぶからである。ＮＯＲゲート４４の出力トラン
ジスタな順方向バイアスするのに必要な電流ハ、ＮＯＲ
ゲート４３の真レベルと偽レベルの間の電位差より大き
い電圧ヶ負荷３９０両端に発生させるに必要な電流であ
る。

同じような状況は、データ信号４１が偽でディスエルプ
ル信号４６が偽の場合にも起る。唯一の違いは、今度は
ＮＯＲゲート４３のエミッタ・フォロア出力が活性状態
にあり、差動バスの第２側２１に電源電圧ＶＣＣを与え
、素子４５の非反転出力２３０が差動バスの第！側２０
かも電流を引込んでいる、ということだけである。ディ
スエーブル信号４６は、バスに接続できる他の会壬丑ド
ライバ全てに対して真である。ディスエーブル信号４６
か真である場合、差動バスの第１側２ｏ、第２側２１に
接続されているＮＯＲゲー）　４４　、４３０エミツタ
・フォロア・トランジスタ出力は両方ともオフとなる。

また素子４５内の電流源は非反転出力２３０、反転出力
２３１０両者から切離される。この場合、差動バスの第
１側２０、第２側２１の両方の電位は、ＮＯＲゲート４
４．４３のエミッタ・フォロア・トランジスタ出力段の
ベース電圧よりも、ダイオードＩ　ｌｌ１５１の電圧降
下分より大きい電圧だけ低い。これによってこのトラン
ジスタは逆バイアスされ、従って、差動バスに対して高
インピーダンス負荷を程する。これによりて、望ましく
ない反射を生じることがある線路インピーダンスの不連
続を最小化する。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、雑音に強く、ま
た雑音の発生が少ない差動バス−ドライバか辱えられる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の差動バス・ドライバの機能
を示す図、第２図は本発明の一実施例の差動バス・ドラ
イバの回路図、第３図は従来技術にかかるＥＣＬバッフ
ァ電流スイッチの回路図、第４図は本＠明の差動バス・
ドライノ（を接続することができる差動バスを示す図で
ある。 ２０：第１側、　２１：第２側、 ２２：差動バス・ドライバ、 ２３：差動バス・レシーバ、 ２４：終端抵抗、　３９：負荷、 ４０：イネーブル信号、４１：データ信号、４６：ディ
スエーブル信号。 出願人　横筒化ニーレット・バッカード株弐会社代理人
　弁理士　長　谷　川　次　男

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｉｌｌ　活性化信号が付勢状態のときデータ信号に応じ
   て差動バスを駆動する差動バス・ドライバにおいて、 前記活性化信号が付勢状態のとき前記データ信号に応じ
   て前記差動バスの一方の線路に所定信号を与える第１手
   段と、 前記活性化信号が付勢状態のとき前記第１手段が前記所
   定信号＆Ｉえていない方の線路を電流源に接続する第２
   手段 とを設けたことを特徴とする差動バス・ドライバ。 （２）　特許請求の範囲第１項記載の差動バス・ドライ
   バにおいて。 前記第２手段は前記活性化信号が非付勢状態のとき前記
   電流源の出力電流路を差動バス・ドライバ内に形成する
   手段な有すること−ｔｍ