KR20050055080A - 양방향 신호 레벨 변환 회로 - Google Patents

양방향 신호 레벨 변환 회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양방향 신호 레벨 변환 회로에 있어서, 스위칭 제어단자에 일방향 신호단이 연결되어 일방향 신호단의 논리 레벨 상태에 따라 자체 입력단 및 출력단의 스위칭 동작을 수행하며, 입력단은 제2레벨의 사용전원과 연결되며, 출력단은 타방향 신호단과 연결되는 제1아날로그스위치와, 스위칭 제어단자에 타방향 신호단이 연결되어 타방향 신호단의 논리 레벨 상태에 따라 자체 입력단 및 출력단의 스위칭 동작을 수행하며, 입력단은 제1레벨의 사용전원과 연결되며, 출력단은 일방향 신호단과 연결되는 제2아날로그 스위치를 포함함을 특징으로 한다.

Description

양방향 신호 레벨 변환 회로{BIDIRECTIONAL SIGNAL LEVEL SHIFT CIRCUIT}
본 발명은 광통신망의 광트랜시버 등에 사용될 수 있는 전압레벨이 다른 두 양방향 신호간의 레벨 변환 회로 및 특히, 이를 이용한 I2C 인터페이스 기술에 관한 것이다.
최근 들어, 인터넷 가입자의 급증과 3세대 이동통신 수요 등 광통신망의 급속한 확장으로 다양한 광통신 모듈의 수요가 큰 폭으로 늘고있다. 특히, 나라와 나라,도시와 도시를 연결하는 장거리 시외망 위주의 광통신 시장이 인터넷의 수요급증으로 점차 시내망과 가입자망까지 확대되면서 광모듈 수요는 갈수록 증가추세에 있다
이러한 광통신망에 채용되는 광트랜시버는 통상 음성과 영상, 데이터 등의 전기적 신호를 광으로 전환해 광 파이버로 전송하는 송신 모듈과 수신된 광신호를 전기적 신호로 복원하는 수신 모듈을 일체화한 제품으로 광통신망 구성의 핵심 부품이다. 이러한 광트랜시버는 SFP(2.5G Small Form-factor Pluggable)급 트랜시버에서 최근 XFP(10G Small Form-factor Pluggable)급 트랜시버가 출시되고 있으며, 이러한 광트랜시버는 사내망을 비롯하여 학내망이나, 사이버 아파트 등에서 폭넓게 사용할 수 있다.
도 1은 I2C 인터페이스를 위한 양방향 신호 레벨 변환 회로가 채용되는 일반적인 광트랜시버의 개략적인 전체 블록 구성도이다. 도 1을 참조하면, 광트랜시버는 수신한 광신호를 수신하여 전기적 신호로 변환하여 출력하는 광수신기용 서브 어셈블리(ROSA: Receiver Optical Sub Assembly)(128)와, ROSA(128)에서 출력되는 신호의 적절한 조정 동작을 수행하는 신호조정부(129)와, 구동신호에 따라 레이저 광을 출력하여 전송 광신호를 발생하는 레이저 출력부(EML: Electroabsorption Modulated Laser)(118)와, 전송할 신호의 적절한 조정 동작을 수행하는 신호조정부(119)와, 신호조정부(119)에서 출력된 신호에 따라 EML(118)에 구동신호를 출력하는 EML 구동부(116)를 통상적으로 구비한다.
또한, 상기 광트랜시버는 망 관리를 위한 관리정보의 송수신을 위해 중앙 제어부(미도시)와 이에 대한 정보 및 신호를 주고받는 관리정보 인터페이스(110)를 구비한다. 이때 관리정보 인터페이스(110)는 내부 각 기능부들 중에서 예를 들어 상기 EML 구동부(116)에 해당 수신받은 관리정보에 따라 다양한 동작 설정 신호를 출력하게 된다. 그런데, 이때 양자간에 사용전원의 레벨이 같을 경우에는 별다른 해당 동작 설정신호는 곧바로 DAC(Digital to Analog Converter)(114)를 거쳐 EML 구동부(116)에 제공될 수 있으나, 양자간의 사용전원의 레벨이 다를 경우에는 이러한 레벨을 양자간에 맞추어 줄수 있도록, 도 1에 도시된 바와 같이, 광커플러 신호변환/전달부(112)와 같은 신호 레벨 변환 회로가 필요하게 된다.
이를 보다 상세히 설명하면, 도 1에 도시된 바와 같이, 먼저 관리정보 인터페이스(110)와 중앙 제어부간의 통신 방식은 I2C(Inter-IC) 통신 방식을 사용할 수 있다. I2C 통신 방식은 네덜란드 필립스사에서 제안한 통신방식으로서, 직렬 데이터(Serial Data: SDA)와 직렬 클럭(Serial Clock: SCL)의 2라인을 사용하는 동기 양방향 2선식 통신 방식이다. 이때 I2C 통신에서는 사용전원으로서 LVTTL(Low Voltage Transistor-Transistor Logic) 레벨(+3.3V 사용전원)을 사용하고, 레이저 출력부(118)의 광원(light source)으로서 EML을 사용하는 경우에 EML 구동부(116)의 공급전원의 레벨은 -5.2V를 사용한다.
관리정보 인터페이스(110)는 DAC(114)를 통해 EML 구동부(116)의 동작점 변조 전압, 펄스 폭, 오프셋 전압을 조정하게 되며, DAC(114)는 관리정보 인터페이스(110)로부터 I2C 통신 방식에 따른 데이터를 전달받아서 설정 전압을 출력해야 한다. 이때 I2C 통신 방식에서는 LVTTL 레벨(+3.3V)을 사용하고 EML 구동부(116)의 동작점 및 DAC(114)의 동작점은 -5.2V를 공급전원으로 사용하므로 신호의 레벨 차이에 따른 동작 불능을 해결하기 위하여 관리정보 인터페이스(110)와 DAC(114)간에 신호 레벨을 매칭시켜주기 위한 신호 변환 회로, 즉 광커플러 신호변환/전달부(112)가 구비된다.
도 2, 도 3은 도 1중 광커플러 신호 변환/전달부(112)의 상세 회로 구성도로서, 도 2는 양방향 SDA 신호 레벨 변환을 위한 회로가 도시되며, 도 3은 단방향 SCL 신호 레벨 변환을 위한 회로가 도시된다. 도 2 및 도 3에서 사용되는 광커플러는 ‘Fairchild Semiconductor’사에서 제작한 6N139 칩으로 구성할 수 있다. 먼저, 도 2를 참조하면, SDA 신호 레벨 변환을 위한 회로는 제1사용전원 VccA(+3.3V)가 저항 R2를 거쳐 광커플러1의 발광소자로 입력되고(6N139 2번 단자) 발광소자의 출력단(6N139 3번 단자)이 SDA_1단 및 저항 R4를 거쳐 접지단과 연결되도록 구성된다. 이때 상기 광커플러1의 발광소자의 입출력단에는 제1다이오드 D1이 상기 VccA에 역방향으로 연결된다. 또한, 제2사용전원 VccB(-5.2V)는 저항 R3를 거쳐 SDA_2 및 광커플러2의 발광소자 출력단(6N139 3번 단자)과 연결되고 발광소자의 입력단(6N139 2번 단자)은 저항 R1을 거쳐 접지단과 연결되도록 구성된다. 이때 상기 광커플러2의 발광소자의 입출력단에는 제2다이오드 D2이 상기 접지단에 대해 역방향으로 연결된다.
한편, 상기 광커플러1의 수광소자측에는 발광소자의 발광여부에 따라 온/오프 동작을 수행하여 상기 광커플러2의 발광소자의 입력단을 -5.2V 사용전원과 연결 또는 차단하는 동작을 수행하도록 구성된다. 즉, 광커플러1의 6N139 5번 단자는 -5.2V 사용전원과 연결되며, 상기 6번 단자는 저항 R1을 거쳐 접지단과 연결되도록 구성된다. 또한, 상기 광커플러2의 수광소자측에는 발광소자의 발광여부에 따라 온/오프 동작을 수행하여 상기 광커플러1의 발광소자의 입력단을 +3.3V 사용전원과 연결 또는 차단하는 동작을 수행하도록 구성된다. 즉, 광커플러2의 6N139 5번 단자는 접지단과 연결되며, 6번 단자는 저항 R2를 거쳐 +3.3V 사용전원과 연결되도록 구성된다.
상기한 구조를 가지는 SDA 신호 레벨 변환 회로의 동작을 살펴보면, SDA_1에서 SDA_2 측으로 신호 전달시에는 먼저, SDA_1이 로직 하이(high, +3.3V)일 경우에 광커플러1의 발광소자는 발광하지 않으며, 이에 따라 SDA_2는 로직 하이(-5.2V가 R1, R3에 의해 분압된 전압)가 된다. 또한 SDA_1이 로직 로우(low, 0V)일 경우에 광커플러1의 발광소자는 발광하며, 이에 따라 SDA_2는 로직 로우(-5.2V)가 된다. 한편, SDA_2에서 SDA_1측으로 신호 전달시에는 먼저, SDA_2가 로직 하이(0V)일 경우에 광커플러2의 발광소자는 발광하지 않으며, 이에 따라 SDA_1는 로직 하이(+3.3V가 R2, R4에 의해 분압된 전압)가 된다.
또한 SDA_2이 로직 로우(-5.2V)일 경우에 광커플러2의 발광소자는 발광하며, 이에 따라 SDA_1는 로직 로우(0V)가 된다. 이러한 구성 및 동작에 따라, VccA를 3.3V를 사용하고 VccB를 -5.2V를 사용하는 경우 일측은 +3.3V 전원에 의한 LVTTL 레벨로 신호(SDA_1)가 존재하고, 타측은 -5.2V 전원에 의한 신호(SDA_2)가 존재 하므로 +3.3V와 -5.2V의 서로 다른 레벨에서 I2C 통신 방식에 따른 신호를 송수신 할 수 있다.
다음으로, 도 3을 참조하여 SCL 신호 레벨 변환을 위한 회로를 살펴보면, SCL신호는 단방향 전송이므로, 하나의 광커플러3(6N139)가 사용됨이 도시된다. SCL 신호 전송시에는 제1사용전원 VccA(+3.3V)가 저항 R5를 거쳐 광커플러3의 발광소자로 입력되고(6N139 2번 단자) 발광소자의 출력단(6N139 3번 단자)이 SCL_1단과 연결되도록 구성된다.
또한, SCL_2단은 저항 R6를 거쳐 접지단과 및 광커플러3의 수광소자 측에 연결되며, 이때 광커플러3의 수광소자측은 발광소자의 발광 여부에 따라 온/오프 동작을 수행하여 SCL_2단을 제2사용전원 VccB(-5.2V)와 연결 또는 차단하는 동작을 수행하도록 구성된다.
상기한 구조를 가지는 SCL 신호 레벨 변환 회로의 동작을 살펴보면, SCL_1이 로직 하이(high, +3.3V)일 경우에 광커플러3의 발광소자는 발광하지 않으며, 이에 따라 SCL_2는 로직 하이(0V)가 된다. 또한 SCL_1이 로직 로우(0V)일 경우에 광커플러3의 발광소자는 발광하며, 이에 따라 SCL_2는 로직 로우(-5.2V)가 된다.
상기한 바와 같이, 광커플러를 이용한 신호 레벨 변환 회로의 구성이 있을 수 있으나, 통상 광커플러는 비교적 그 부품 크기가 커서 사용상 불편한 문제점이 있었다. 예를 들어, 상기 ‘Fairchild Semiconductor’사의 6N139의 경우에는 9.91mm X 6.86mm 크기이며, 이러한 크기의 광커플러를 3개 채용할 경우에는 기판상에서 차지하는 면적이 비교적 많았었다.
따라서, 본 발명의 목적은 기판상에서 차지하는 면적을 획기적으로 줄일 수 있는 전압레벨이 다른 두 양방향 신호간의 레벨 변환 회로를 제공함에 있다.
본 발명의 또다른 목적은 기판상에서 보다 소형으로 제작할 수 있는 광통신망의 광트랜시버에서 I2C 인터페이스시에 전압레벨이 다른 두 양방향 신호간의 레벨 변환 회로를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 양방향 신호 레벨 변환 회로에 있어서, 스위칭 제어단자에 일방향 신호단이 연결되어 상기 일방향 신호단의 논리 레벨 상태에 따라 자체 입력단 및 출력단의 스위칭 동작을 수행하며, 입력단은 제2레벨의 사용전원과 연결되며, 상기 출력단은 타방향 신호단과 연결되는 제1아날로그스위치와, 스위칭 제어단자에 상기 타방향 신호단이 연결되어 타방향 신호단의 논리 레벨 상태에 따라 자체 입력단 및 출력단의 스위칭 동작을 수행하며, 입력단은 제1레벨의 사용전원과 연결되며, 출력단은 일방향 신호단과 연결되는 제2아날로그 스위치를 포함함을 특징으로 한다.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들이 나타나고 있는데 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들이 본 발명의 범위 내에서 소정의 변형이나 혹은 변경이 이루어질 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 I2C 인터페이스를 위한 양방향 신호 레벨 변환 회로가 채용되는 광트랜시버의 개략적인 전체 블록 구성도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명을 채용하는 광트랜시버는 종래와 마찬가지로 광수신기용 서브 어셈블리(ROSA: Receiver Optical Sub Assembly)(128)와, 신호조정부(129, 129)와, 레이저 출력부(EML: Electroabsorption Modulated Laser)(118)와, EML 구동부(116)를 통상적으로 구비한다.
또한, 상기 광트랜시버는 망 관리를 위한 관리정보의 송수신을 위해 중앙 제어부(미도시)와 이에 대한 정보 및 신호를 주고받는 관리정보 인터페이스(110)와, 관리정보 인터페이스(110)에서 DAC(114)를 통해 EML 구동부(116)의 동작점 변조 전압, 펄스 폭, 오프셋 전압을 조정할 때 출력되는 신호의 레벨을 EML 구동부(116) 및 DAC(114)의 동작전원의 레벨에 맞도록 변환하기 위한 본 발명의 특징에 따른 아날로그스위치 신호변환/전달부(142)가 구비된다.
도 5, 도 6은 도 1중 본 발명의 일 실시예에 따른 광커플러 신호 변환/전달부(142)의 상세 회로 구성도로서, 도 5는 양방향 SDA 신호 레벨 변환을 위한 회로가 도시되며, 도 6은 단방향 SCL 신호 레벨 변환을 위한 회로가 도시된다. 도 5 및 도 6에서 사용되는 아날로그스위치는 캐나다 ‘Maxim Integrated Products’ 사에서 제작한 MAX4693, MAX4732 등의 칩으로 구성할 수 있다.
먼저, 도 5를 참조하면, SDA 신호 레벨 변환을 위한 회로는 두개의 아날로그스위치(MAX4693 1, 2)가 사용되는데, 아날로그스위치1의 제어단자(IN1)에는 SDA_1단 및 저항 R1을 거쳐 접지단이 연결된다. 그리고 아날로그스위치1에서 상기 제어단자(IN1)로 제공되는 제어 레벨에 따라 연결 또는 차단되는 두 단자, 일명 입력단(N01) 및 출력단(COM1) 중에서 입력단(IN1)은 저항 R3을 거쳐 접지단과 제2사용전원 VccB(-5.2V)과 연결되며, 출력단(COM1)은 SDA_2단 및 저항 R4를 거쳐 접지단과 연결되는 구조를 가진다. 또한 아날로그스위치2의 제어단자(IN2)에는 SDA_2단이 연결되며, 아날로그스위치2에서 상기 제어단자(IN2)로 제공되는 제어 레벨에 따라 연결 또는 차단되는 입력단(N02) 및 출력단(COM2) 중에서 입력단(IN2)은 저항 R2를 거쳐 제1사용전원 VccA(+3.3V)와 연결되며, 출력단(COM2)은 상기 SDA_1단과 연결되는 구조를 가진다.
상기한 구조를 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 SDA 신호 레벨 변환 회로의 동작을 살펴보면, SDA_1에서 SDA_2 측으로 신호 전달시에는 먼저, SDA_1이 로직 하이(+3.3V)일 경우에 MAX4693 아날로그스위치1는 오프 동작을 수행하도록 구성되며, 이에 따라 SDA_2는 로직 하이(OV)가 된다. 또한 SDA_1이 로직 로우(0V)일 경우에 아날로그스위치1은 온 동작을 수행하며, 이에 따라 SDA_2는 로직 로우(-5.2V가 R3, R4에 의해 분압된 전압)가 된다. 한편, SDA_2에서 SDA_1 측으로 신호 전달시에는 먼저, SDA_2가 로직 하이(0V)일 경우에 MAX4693 아날로그스위치2는 온 동작을 수행하도록 구성되며, 이에 따라 SDA_1는 로직 하이(3.3V가 R2, R1에 의해 분압된 전압)가 된다. 또한 SDA_2이 로직 로우(-5.5V)일 경우에 아날로그스위치2는 오프 동작을 수행하며, 이에 따라 SDA_1는 로직 로우(0V)가 된다.
이러한 구성 및 동작에 따라, 본 발명에 따른 신호 변환 회로는 VccA를 3.3V를 사용하고 VccB를 -5.2V를 사용하는 경우 일측은 +3.3V 전원에 의한 LVTTL 레벨로 신호(SDA_1)가 존재하고, 타측은 -5.2V 전원에 의한 신호(SDA_2)가 존재 하므로 +3.3V와 -5.2V의 서로 다른 레벨에서 I2C 통신 방식에 따른 신호를 송수신 할 수 있다.
한편, 상기한 설명에서는 본 발명에서 SDA 신호 전달을 위해 두개의 상이한 아날로그스위치1, 2를 구성한 것으로 설명하였으나, MAX4693 칩 등과 같은 통용 칩에는 아날로그 스위치가 통상 하나 이상 다수개 구비되므로, 하나의 MAX4693 칩으로 상기 아날로그스위치1, 2를 모두 구성할 수 있다.
다음으로, 도 6을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 SCL 신호 레벨 변환을 위한 회로를 살펴보면, SCL신호는 단방향 전송이므로, 하나의 아날로그스위치3(MAX4732)가 사용됨이 도시된다. SCL 신호 전송시에는 아날로그스위치3의 제어단자(IN1)에는 SCL_1단 및 저항 R1을 거쳐 제1사용전원 VccA(+3.3V)이 연결된다. 그리고 아날로그스위치3에서 상기 제어단자(IN1)로 제공되는 제어 레벨에 따라 연결 또는 차단되는 두 단자, 즉 입력단(N01) 및 출력단(COM1) 중에서 입력단(IN1)은 저항 R3을 거쳐 제2사용전원 VccB(-5.2V)와 연결되며, 출력단(COM1)은 SCL_2단 및 저항 R4를 거쳐 접지단과 연결되는 구조를 가진다.
상기한 구조를 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 SCL 신호 레벨 변환 회로의 동작을 살펴보면, SCL_1이 로직 하이(+3.3V)일 경우에 MAX4693 아날로그스위치3은 오프 동작을 수행하도록 구성되며, 이에 따라 SCL_2는 로직 하이(OV)가 된다. 또한 SCL_1이 로직 로우(0V)일 경우에 아날로그스위치3은 온 동작을 수행하며, 이에 따라 SDA_2는 로직 로우(-5.2V가 R3, R4에 의해 분압된 전압)가 된다.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 아날로그스위치 신호변환/전달부(142)에 채용되는 아날로그스위치는 상기한 바와 같이, 일 예로서 ‘Maxim Integrated Products’사의 MAX4693, MAX4732 칩으로 구성될 수 있는데, 이러한 MAX4693, MAX4732 칩은 그 크기가 각각 2.02mm X 2.02mm, 1.52mm X 1.52mm이므로, 이를 종래의 9.91mm X 6.86mm 크기의 광커플러(6N139)와 비교하여 볼 경우에 기판상에서 차지하는 면적이 현저히 줄어들게 됨을 알 수 있다.
상기와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 신호 레벨 변환 회로의 구성 및 동작이 이루어질 수 있으며, 한편 상기한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나 여러 가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 특히, 상기의 설명에서는 본 발명이 I2C 통신 방식에 적용되는 것으로 설명하였으나, 이외에도 RS-232. RS-488 등 다양한 통신 방식에 적용 가능하다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고 청구범위와 청구범위의 균등한 것에 의하여 정하여져야 할 것이다.
상기한 바와 같이, 광통신망의 광트랜시버에서 I2C 인터페이스시 등과 경우에 적용되는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압레벨이 다른 두 양방향 신호간의 레벨 변환을 위한 회로는 보다 소형으로 제작될 수 있다.
도 1은 I2C 인터페이스를 위한 양방향 신호 레벨 변환 회로가 채용되는 일반적인 광 트랜시버의 개략적인 전체 블록 구성도
도 2, 도 3은 도 1중 광커플러 신호 변환/전달부의 상세 회로 구성도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 I2C 인터페이스를 위한 양방향 신호 레벨 변환 회로가 채용되는 광 트랜시버의 개략적인 전체 블록 구성도
도 5, 도 6은 도 4중 아날로그 스위치 신호변환/전달부의 상세 회로 구성도

Claims (3)

  1. 양방향 신호 레벨 변환 회로에 있어서,
    스위칭 제어단자에 일방향 신호단이 연결되어 상기 일방향 신호단의 논리 레벨 상태에 따라 자체 입력단 및 출력단의 스위칭 동작을 수행하며, 상기 입력단은 제2레벨의 사용전원과 연결되며, 상기 출력단은 타방향 신호단과 연결되는 제1아날로그스위치와,
    스위칭 제어단자에 상기 타방향 신호단이 연결되어 상기 타방향 신호단의 논리 레벨 상태에 따라 자체 입력단 및 출력단의 스위칭 동작을 수행하며, 상기 입력단은 제1레벨의 사용전원과 연결되며, 상기 출력단은 상기 일방향 신호단과 연결되는 제2아날로그 스위치를 포함함을 특징으로 하는 양방향 신호 레벨 변환 회로.
  2. I2C(Inter-IC) 통신 방식에 따른 양방향 신호간의 레벨 변환 회로에 있어서,
    스위칭 제어단자에 일방향 직렬 데이터(SDA: Serial Data: SDA)단이 연결되어 상기 일방향 SDA단의 논리 레벨 상태에 따라 자체 입력단 및 출력단의 스위칭 동작을 수행하며, 상기 입력단은 제2레벨의 사용전원과 연결되며, 상기 출력단은 타방향 SDA단과 연결되는 제1아날로그스위치와,
    스위칭 제어단자에 상기 타방향 SDA단이 연결되어 상기 타방향 SDA단의 논리 레벨 상태에 따라 자체 입력단 및 출력단의 스위칭 동작을 수행하며, 상기 입력단은 제1레벨의 사용전원과 연결되며, 상기 출력단은 상기 일방향 SDA단과 연결되는 제2아날로그 스위치를 포함함을 특징으로 하는 양방향 신호 레벨 변환 회로.
  3. 제1항에 있어서,
    스위칭 제어단자에 일방향 직렬 클럭(SCL: Serial Clock)단 및 제1레벨의 사용전원과 연결되어 상기 일방향 SCL단의 논리 레벨 상태에 따라 자체 입력단 및 출력단의 스위칭 동작을 수행하며, 상기 입력단은 제2레벨의 사용전원과 연결되며, 상기 출력단은 타방향 SCL단과 연결되는 제3아날로그 스위치를 더 포함함을 특징으로 하는 양방향 신호 레벨 변환 회로.
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