TWI377790B - Output buffer with slew rate control utilizing an inverse process dependent current reference - Google Patents

Description

1377790 . 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於在積體電路中利用之輸出緩衝器，詳言 之，係關於控制此等輸出緩衝器之轉換率。 【先前技術】 、4如PCiX 2. 〇之高速資料匯流排對於轉換率變化有要 求。轉換率之含意是輸出訊號電壓之改變率。例如於 2. 0中，轉換率要求為丨· 8V/ns<轉換率< & 〇 "Μ。提供 轉換率控制之-種方法為建立輸出緩衝器之複製電路，該 複製電路正禮地表示輸出轉換率。然後調整轉換率控制電 流直到複製轉換率測量是在限制值内為止。適當地調整該 複製電路需要外部時間基礎和轉換率測量技術。 人 於積體電路製造中，製程改變造成於積體電路中且有 不同之特性能力’即使於相同之製造設備中所製造之相同 的部分亦然。因此’由於製程變化和操作範圍，積體 =操作特性（behave)有很大之不同。結果積體電路根據性 旎而分組成“快速角&(fast corner)，，和“俨速角落 (Sl〇WC〇rner)”。於快速角落組中，由於如製程、電壓、 或溫度之諸因素之變化，積體電路執行起來較快速。 變化能包括譬如臨限電壓⑹、閘極長度、輸入電容衣： 面電阻（sheet resi stance)、和閘極錢極電容諸因素1 操作於快速角落之積體電路一般且有莫 藉牲η ,辟石仏你v , 又八有ν致較快速性能之製 各特斂t如純Vt、較短閘極長度、較低輸入電容 同樣情況，高供應電壓Vdd能導致積體電路增加性能。對於 93349 5 1377790 在慢速角落之那些積體電路，由於諸如低L和高&之因 ^他們的操作較慢。由於製程、電壓、和/或溫度（m) 變化’此處特別值得注意的是輸出驅動器電路之改變性能。 /由於衣程f壓、和/或溫度所造成之性能變化，使得 很難保證轉換率要求符合整個正常處理變化範圍。也就是 况，輸出訊號將改變得太快或太慢以符合轉換率要求。 【發明内容】 ®此希望提供—種在存在有影響性能之製程、電虔、 變Γ情形下提供更值定的轉換率之輸出 電路。儘管有PVT變化，利用終端開路（無回授）解 法^以提供更恒定之轉換率。於一個實施例中，解決方 提供一種減少積體電路之輸出驅動器之 ::;=法包括產生第一性能相依電流;產生參考2 之=該參考電流和該性能相依電流產生與性能有相反關係 :電流；以及供應該第三電流至形成該輸出驅動器之 晶體電路之閘極，由此控制於存在有附 路，實施例中，提供一種具有輸出電路之積體電 之資第一電晶體，當將由該輸出電路輸出 出端至=第一值％，該第一電晶體輕接該積體電路之輸 輪出電Γ電源供應節點。該第一電晶體轉接以接收與該 持更ί性能有相反關係之閑極電流。如此，轉換率維 疋’甚至涵蓋由於PVT變化之性能變化。 [實施方式】 93349 6 1377790 . • I照第1圖所示為積體電路之輸出級之下拉部分。去 -電晶體101由於供應於節.點102之_為〇而導通刀時，: 晶體m下拉接點（pad)103至低位準。用從電流源 之理想恆定閘極電流，在製程、電壓、和溫度（m)方面於 輸出轉換率有相當（超過2: υ變化。若間極電流與w有 相反關係，也就是由於阳變化當性能增加時閑極電流減 少，則閘極電流將更接近匹配需用於涵·蓋製程、電壓、和/ 或溫度變化之更惶定或實質怪定的輸出轉換率之閑= Φ流。 參照第2圖高階方塊圖，顯示提供閘極電流之實施 例，該閘極電流與由於製程、電壓、和溫度之性能變化有 相反關係。也就是說，當性能增加時，電流減少，反之亦 然。於第2圖所示之實施例中，參考電流形成於參考電流 產生電路201中，而製程相依電流形成於製程相依電流產 生電路203中。然後於減法電路2〇5中，參考電流減去製 _程相依電流。所得到的電流供應為閘極電流用於輸出驅動 器級（output driver stage)207 中之電晶體。 第3圖顯示參考電流產生電路2〇1之實施例。外部電 阻益Rext 301耦接至積體電路之輸出端於接點3〇3。因為 電阻器為外部的，可使用例如具有優於1%之精確度之高精 確電阻器。表現於接點303之電壓與來自由電阻器307和 308所形成之分壓器供應於比較器305之電壓VREF 310相 比較。流經可變電阻器（rtrim)3〇9之電流係透過電晶體31 j 和315而鏡射（mirr〇red)。參考電流1。打用作為參考電流 93349 7 ϊόΙΊΊ^Ό . •產生電路201之輪出。 “ β、於操作中，藉由改變電阻器309而改變於接點303之 .電壓，直到比較器305偵側到於接點3〇3之電壓與來自分 壓器供應至比較器之電壓相匹配為止。當發生匹配時，於 由Vl〇與電阻為307和308與於Rext 301之已知電阻所決定 的於接點303之已知電壓決定由内部鏡射之電流以形成參 考電流loin。 於一個實施例中’如第3圖中所示，電阻器3〇1 bn φ 14 Ω N 3 7 (此處n為電晶體大小之比例），電阻器3 〇 g ΚΙΜREXT，以及流經電晶體315之丨_為： ^υτ ~~x X — = —!〇 2 Re.vt N 4000 2注意的是若電壓VlQ有不可接受之大變化，則可使用更穩 定的電壓供應。由於於電晶體3U、313、和315之N比例 匹配不元美，則可能引入於輸出電流I。们中之其他錯誤。 籲於比較器305中之低差動放大器增益亦可能引入一些錯 誤。 茲參照第4圖，顯示製程相依電流產生電路2〇3之實 施例。於第4圖中實施例顯示形成製程相依電流，該電流 與使用PM0S電晶體401、403、和405以及使用NM0S電晶 體411、413、和415之性能成比例。然後藉由減法電路 205(麥閱第2圖）使用與性能成比例之電流（圖示為Ιρυτ)， 以獲得用來驅動於輸出級207中之電晶體之閘極電流。可 使用兩個減法電路以供應電流至輸出驅動電路之上拉 93349 8 1377790 叩）和下拉（pull-down)部。從參考電流減去製程相 依電机’而所4到之電流作用為電流參考，該電流參考驅 動該輸出電晶體該輸出端㈣至在該輸出級之高或低電壓 源之其中任一者。 對於k些操作於快速角落（fast咖·)之積體電 路’ ^第4圖中所示電路所供應之製程相依電流相較於操 作於k速角落（slow c〇rner)有較低製程相依電流之那些 積=電路，具有較高之製程相依電流。於此處並沒有說明， 該等#作於快速角落和操作於慢速角落之積體電路，可能 有不可接受之不同轉換率。 …f 5A圖為顯示使用此處所構思之轉換率控制之輸出 綾=電路之簡化圖。電流參考5〇1和5〇3分別供應電流 至，晶體505和507之閘極，該電晶體505和507之閘極 依照供應至該電晶體5〇1和5〇3之間極之控制訊號，而上 拉或下拉接點5〇2。為了簡明之目的，省略如第1圖中所 •不輪出驅動器之其他額外細節部分。輪出驅動器之下拉呷 =包括電流參考503’該電流參考5〇3供應電流（以相_ 弟2圖中所描述之方法產生)至電晶體507之閘極。積分器 (integrator)形成於輸出級，該積分器包括電晶體$ : 相關於電晶體507之鬧極至没極電容（咖t〇

CaPaC1 tanCeKd 509。輸出緩衝器之上拉部分以相似的方 式揚作。 乃 示 由第5A圖所示電路所形成之積分器亦可用第5β圖表 該積分器包括電流源51〇,其供應於具有增益Av之放 93349 9 1377790 大~ 511，和電容器512。電流源51〇表示電流源5〇ι或 5〇3’而電容器512為相關於電晶體5〇5或5〇7之閘極至汲 極電容器。第5圖中之積分器由下列方程式表示： -4/州C，此處C為常數。對於A Av，於閉極之輸入到達 其中η I ref為由 放大态的臨限值之前之轉換率為：土 =么 出 C η 電流源510所供應之電流。期間輸出_率： 第6圖顯示第1圖中供廊 法電路205之摔作。夫考雷Γ τ 4圖中之電流之減 路201供應。該電流於整個制 ^电机屋生電 的，或可以有一此變：:=及電壓變化可為實質怪定 處之進一步說明。由參考電 減去例如由第4圖中所千雷枚& ϊ 所產生之製程相依電流 Ιργγ 603，而所仔到之電流h⑽作 晶體507(參看第5圖）。岸 的3 ，瓜仏應至例如電 ^電流W減少。 應"忍的是當性能增加時，閉極 第7圖顯轉點電和Vin如何 看第5时51。)，其""為於 心 中之電晶體5〇7)之閑極之電壓1輪二第5圖 至供應電壓（亦即，電源或接地 點耦接 益。應注意的是於輸出轉換之前：表不輪出電路之增 輸入電容。 <後，isLEff更快地充電 參看第8圖，顯示依照本發 之貫加例輸出緩衝器電 93349

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It了施：。例如第3圖所示之產生之參考電流供應於節 ^ 衣知相依電流產生電路803 > 805供應電流，該 ::直接依於由於例如製程、電壓、和溫度變化之性能而 文。该製程相依電流產生電路8〇3f 口 8〇5分別供應 =和節點8G7和809 ’其中亦供應提供於節點_之複 ^之參考電流。於總和節點则從參考電流減去製 :相依電抓’以產生第6圖中所示之閘極電流6〇5。⑽)。 备供應於節點815之輸入資料為〇時，於分支㈣形成電 玄分支807a具有透過節，點862和電晶體812供應至電 晶體811之閘極之Irep_Ipvt值。f晶體812作用為通過間 (passgate)，當使用轉換控制（skewc〇ntr〇i)時，該通過 間控制為導通（⑽）。於某些實施例中當輸出緩衝器組構成 當VIO為3. 3V時操作而不須轉換控制以提供保護，該通過 閘可以關斷(t瞻“ ff)。於所示實施例於轉換控制模式 中，VIO為約1. 5V。 # /、當供應於節點815之資料具有i之值時，於分支训仏 形成電流，該電流具有透過節點86〇和通過電晶體818供 應至上拉電晶體m之閘極之lREF_IpVT值，該通過電晶體 818組構相似於通過電晶體812。電晶體814提供回授以完 成預驅動擺動（pre-drive swing)。 雖然非為了解本發明所必須者，該控制輸入1、 CTL2、CTL3、和CTL4能組構成允許結合其他未使用轉換控 制之電路（圖中未顯示）而操作於33 v模式。於本發明之 較佳實施例中，該情況允許將使用之相同的輸出驅動器用 93349

11 1377790 . 於不同之操作模式，以限制輪 刊J扣玉夺。於3· 3V操作φ，* 未使用轉換控制，由於非為了解 乍中亚 J解本發明所必須者， 、 略提供該能力之詳細說明。於_ 、 口此, CTL1、CTL2、和 CTL4 約 3.3V，而 CTL3 = 〇。 〇 h5V’ 應注意的是輸入/輸出邏輯時常位於不同之電 面’使用例如Vl°，相對於VDD，也許需要適當的電路㈣ 此技術領域已知之方式以介接「彳n + )丨接（interface)於二個電源平 面之間’例如於節點815接收資料處。 第8圖亦顯示提供有額外之上拉與下拉電路以完成預 驅動開關之實施例。可利用此等電路以幫助達成在分配時 間（例如，位元時間）内邏輯位準之改變。於所示實施例中， 於輸出接點869上之值回授至節點85〇，該值將使得電曰曰 體851和853其中-者導通。如此，當輪出接點之值到曰二 其目標值時，將更快地完成預驅動。例如，若輸出接點接 近邏輯1位準，則該電壓回授至節點85〇 ’而使得電晶體 /53開始導通。因為輸入於節點815之資料值，故電^體 855已經導通。於是，節點869於分配時間内更完全下拉。 上述方式幫助確保於分配時間内完成内部節點擺動，以避 免付號間干擾（inter-symbol interference; ISI)。 茲參考第9圖，於另一個實施例中參考電流為根據例 如製程變化而直接相關於性能之電流。參考電流

Iref~ —^ r 見’其中Vgs為製程、電壓、和溫度及電阻器容差 (resistor tolerance)之函數。參照第1〇圖，創造具有彰 93349 12 1377790 R 然後從I REF減去 大之製程相依性之電流I m，/m:

Ipvt以產生閘極電流ISLEff如第i i圖 ί 不 Ο 、、本 曰 為Ιρντ具有較IREF陡的曲線，故所 〜/思，疋因 f 的I SLEff仍狹盘社 有相反_。亦應注意的是，如第11圖中所干，γΛι 時，電流Im與IREP亦改變。顯亍 田R改變 T夕备,根據R之對於k和 iPVT之最小和瑕大曲線。顯示料^之單一 I線，作是今 曲線亦將根據和！ m何者被用來發展J s咖而改變。/ 由此’已說明了於輸出緩衝器控制轉換之不同實施 例。於此所提出之本發明之說明係作為例示用，並不 來限制本發明之範圍，本發明之範圍係提出 利範圍中。根據本文中所提出之說明，此處所揭示 例可，其他的變化和修倚，而不會偏離如下所提出之申請 專利範圍之本發明之範圍。 月 【圖式簡單說明】 藉由參照所附圖式，可較佳了解本發明，而其諸多目 特徵和優點對熟悉此項技術者而言是狼清楚的。 第1圖顯示積體電路之輸出級之下拉（pull down)部 分； tj第2圖為高階（high level)方塊圖，顯示提供與由於 ' 電【、和溫度所引起之性能變化成反比之閘極電流 之實施例； 第3圖顯不第2圖中所示參考電流產生電路之實施例； 第4圖顯不第2圖中所示製程相依電流產生電路之實 93349

1377790 施例； 第5A圖為顯示使用此處所構思之轉換率控制之輸出 緩衝器電路之實施例之簡化圖； ^ 第5B圖顯示由第5A圖所示電路所形成之積體電路之 另一表示圖； 第6圖顯示第2圖中供應使用於第5圖中之電流之減 法電路之操作； 第7圖顯示接點（pad)電壓如何反應於在 >下Vin之變化而改變，其中Vin為於輸出 — 壓. 刊j 电日日體之閘極之電 第8圖顯示依照本發明之實施例之輸出緩衝器電路之 X知例； 於』示另一個實施例’其中形成之參考電流反比 於根據例如製程變化之性能； 第10圖顯示電流之形成，該電流相 .之電流有較大之反製程相依性；以及 第9圖中所- 二==個實施例使用如第，第 【主要元件符號說明】 2電晶體 102節點 2Π1接點 1 〇7電流源 參考電流產生電路2〇3 ^ ^ ^ ^ 205 ;咸法電路 9n7 :山 流產生電路 301外部電 輸出驅動器級 丨态 303接點 93349 14 1377790 305 比 較器 307 > 3 0 8電阻器 309 可 變電阻器 310 電壓 311 ' 315 電晶體 401、 403、405 PMOS 電晶體 411 ' 413 > 415 NMOS ^ 曰 包曰曰 體 501、 503 電流參考 502 接點 505、 507 電晶體 509 閘極至汲極電容 510 電 流源 511 放大器 512 電 容器 601 參考電流 603 製 程相依電流 605 問極電流 801、 815 、850 、 860 、 862 節點 803、 805 製程相依電流產生電路 807、 809 總和節點 807a 、809a分支 811、 812 、814 、 817 、 818 、851 、853、855電晶體 869 輸 出接點 93349

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Claims (1)

1. u"790 ί 第95101679鏡專利申請索 年4月13曰修正 十、申請專利範園·· J·—種用來減少積體電路 換率變化的方法，包括供應第一雷：器電路之輸出之轉 該輸出驅動器電路之第;2與該積體電路之 第-電流積體電路性能有相反關係，該 來加以決定。、出驅動器電路所輪出的資料的值 如申凊專利範圍第〗項之 與該輪出驅動器電路之第二電曰^ :應第一電流至 節點，該第二雷沒以f b電曰曰體間極輕接的第二 3.如申情專利心;小與該積體電路性能有相反關係。 如甲明專利乾圍第2項之方法 器電路所輸出之資料是在第一值時^第_ =出驅動 該輪出驅動ϋ電路輸出至第源/電sa體搞接 資料是在第二值時，該第二電曰體搞接應：點’以及當該 路輪出至第二電源供應節點。接该輸出驅動器電 圍第1項之方法’其中該第-電流係利用 積體電路性能。 ^一電抓直接相關於該 ’·：：請專利範圍第4項之方法，其中該參考電流直接相 關於該積體電路性能。 =請專利範圍第4項之方法，其中該參考電流係實質 疋的。 「^申請專利範圍第4項之方法，其中利用於該積體電路 之可變電阻器和外部參考電阻器而產生該參考電流。 93349修正本 16 1377790 · 第95101679號專利申請案 8. -種用來減少積體電路的輸出驅動器 換率變化的方法，包括： $路之輸出之轉 供應第-電流至與該輸出驅 體的閘極福接的節點，該第一 2弟電日日 能有相反關係； U大小與積體電路性 f該輸出驅動器電路到達其穩定輸出值時，依昭由 動器電路所供應之資料的值，供應額外之電流

   == 出值對應於第一和第二電源供應節 點之個別其中之一者。 9. 如申請專利範圍第8項之方 Α ，、τ错由製程和電壓變 化，而決疋該積體電路性能之至少一部分。 10. -種減少積體電路之輸出驅動器之轉換率變化之方 法’包括下列步驟： 產生第一性能相依電流； 產生參考電流；

   利用該參考電流和該性能相 相反關係之第三電流； 依電流產生與性能有 供應該第三電流至與形成該輸出驅動器之一部分 之第:電晶體電路之第-閉極福接之第一節點；以及 當該輸出驅動器電路到達穩定輸出值時，依昭由气 輸出驅動器電路所供應之資料的值，供應額外之電； ㈣一節點，該敎輸出值對應於第—和第二電源供應 郎點之個別其中之一者。 η·如申請專利範圍第10項之方法，Μ由於製程和電壓 93349修正本 17 1^//790 變化之至少其中之一而增進該性能。 12. 如申請專利範圍第1〇項之方法，復包括由該參考電流 減去該性能相依電流，以產生該第三電流。 ；1 13. 如申請專利範圍第10項之方法，復包括： 々供應第四電流至與形成該輸出驅動器之一部分之 第二電晶體電路之第二閘極耦接的第二節點；以及

   當該輸出驅動器電路到達該穩定輸出值時，供應第 五電流至與該第二電晶體電路的該第二間極輕接㈣ 14.種具有輸出驅動器的積體電路，包括： 輸出電路’包括第一電晶體’當將由該輸出電路輸 出之資料是在第-值時，該第—電晶體純該積體電路 之輸出端至第-電源供應節點，該第—電晶體純至組 構以接收與該輸出電路之性能有相反關係 的節點， 其中，_出電路另包含一個或多個額外的電晶 該額外的電晶體論以於該輸出端上的訊號到達指 义的輸出值後，增加通過該節點的電流。 .=申印專利範圍第14項之積體電路，其令性能變化係 於製程變化、電壓變化、和溫度變化之至少其中之一 ^ 〇 八 16·=申請專利範圍第14項之積體電路，復包括第二電晶 二’該t第二電晶體耦接以於與其閘極耦接的節點接收第 -電机’該第二電流與該輸出電路之性能有相反關係， 93349修正本 18 告兮、 |__101年4月丨3日修正替換頁 _ 賁料於第二值時，該第二電晶體輕接該輸出端至第 二電源供應節點。 .如申凊專利範圍第14項之積體電路復包括： 第笔流源’供應與該性能有關係之第二電流； 第二電流源’供應參考電流；以及 其中由結合該第二電流和該參考電流而形成該 一電流。 申請專利範圍第17項之積體電路，其中該結合為減 法0 19·—種具有輸出驅動器的積體電路，包含： ^出電路’包括第—電晶體，當將由該輸出電路輸 ^身料是在第-值時’該第—電晶體輕接該積體電路 雨出端至第-電源供應節點’該第—電晶體輕接至組 以接收與該輸出電路之性能有相反關係 的節點； 和电机 第電流源，供應與該性能有關係之第二電流； 第二電流源，供應參考電流，其中由結合該第二雷 流和該參考電流而形成該第一電流；以及 一电 電流鏡’產生對聽該參考㈣之電流，該 SiL正比於由在該穑轉雷枚+ k , 檟體電路之輪出端之電壓與外 所決定之電流值。 「丨電阻 93349修正本 19