TWI514826B - 用於車載網路通訊系統之接收裝置 - Google Patents

Description

用於車載網路通訊系統之接收裝置

本發明係關於一種傳送裝置及接收裝置，特別是關於一種用於車載網路通訊系統之傳送裝置及接收裝置。

近幾年由於對汽車安全、可靠性與舒適需求的增加，汽車電子的數量亦隨之增加，為使得不同的電子產品在車內有可相互溝通的平台，以進行資料傳輸，已有許多不同規格的溝通網路平台存在於市場上。然而由於車用視聽設備的加入，如行動數位電視接收機，全球定位導航系統與車內個人影音娛樂等需求，大量的資料傳輸成為必要。以往的車載網路之頻寬(如LIN，CAN等)已不敷使用，因此由寶馬、博世、戴姆勒克萊斯勒、飛思卡爾，通用汽車、飛利浦及大眾汽車等共同訂定之新一代車用網路通信協議，FlexRay，因而產生，此通信協議具有較高傳輸數率(10Mbps以上)以及整合現有車載網路平台之特性。

在一應用於車載網路系統內之電壓差動傳輸系統，為克服汽車環境內可能存在的電壓脈衝雜訊以及嚴苛的溫度環境，高壓的CMOS製程已被應用在設計此類的傳送接收電路(參考先前技術文獻[1])，然而成本很高，且不易與其他電路整合在單晶片系統。

參考圖1，其顯示習知用於車載網路通訊系統之傳送器及接收器 示意圖；參考圖2，其顯示用於車載網路通訊系統之訊號示意圖。配合參考圖1及圖2，在車載網路通訊系統之傳送裝置為達到安全及省電等考量，其傳送訊號除包含邏輯高態及邏輯低態之訊號，仍包含閒置及低功率閒置訊號等至少四種狀態。當習知車載網路傳送器101的輸入訊號為低態時，會輸出一對電壓差動訊號BPo與BMo，而且BPo<BMo；反之，當輸入訊號為高態時，則BPo>BMo。另外習知車載網路傳送器101具有傳送閒置訊號以及低功率閒置訊號的功能，當傳送此類訊號時，差動電壓訊號則偏壓在不同的準位且BPo=BMo。

電壓差動訊號BPo與BMo經過傳輸線所造成的損耗與相位延遲以及系統或其他原因所生成的雜訊耦合後，形成的訊號BPi與BMi傳送到習知車載網路接收器102的兩端輸入。當BPi<BMi時習知車載網路接收器102的接收資料訊號(Rdata)輸出為低態；反之，當BPi>BMi時接收資料訊號(Rdata)輸出為高態。在此二種狀態下接收閒置訊號(Ridle)均輸出低態。另外，當在接收到閒置訊號以及低功率閒置信號時，即BPi=BMi，接收閒置訊號以及接收資料訊號均輸出高態。

習知一般的電壓差動傳送電路(參考先前技術文獻[2])，如美國專利第6847232號及本國專利第I24232號，並無法達成此傳輸之訊號。另外，有別於一般電壓差動信號之接收電路(參考先前技術文獻[3])，如美國專利第7304494號及美國專利第6768352號，除了接收一般邏輯高態及邏輯低態之訊號外，仍需判別所傳輸的其他兩種狀態。另外，習知的電壓差動傳接器中，接收電路之操作速率往往跟不上傳送器之速率，造成傳送瓶頸。

因此，有必要提供一種創新且具進步性的用於車載網路通訊系統之傳送裝置及接收裝置，以解決上述問題。

先前技術文獻：

[1]G. Caruso, "FlexRay Transceiver in a 0.35um CMOS High- Voltage Technology," inProc. Design, Automation Test Europe (DATE) , vol. 2, pp. 6-10 Mar. 2006.

[2] C.-C. Wang and J.-M. Huang, "1.0 Gbps LVDS transceiver design using a common mode DC biasing,"15th VLSI Design/CAD Symp ., B3-1, pp. 14, CD-ROM version, Aug. 2004.

[3] H.-C. Chow, and W.-W. Sheen, "Low power LVDS circuit for serial data communications,"Int. Symp. Intelligent Signal Processing Communication Syst. (ISPACS) , pp. 293-296, Dec. 2005.

本發明提供一種用於車載網路通訊系統之傳送裝置，包括：一電壓穩壓器、一訊號轉換器及一差動電壓驅動器。該電壓穩壓器用以提供至少一輸出電壓。該訊號轉換器用以接收至少一資料訊號及至少一閒置訊號，轉換為複數個控制訊號。該差動電壓驅動器用以依據該等控制訊號，輸出電壓差動訊號。

本發明另提供一種用於車載網路通訊系統之接收裝置，包括：一電壓穩壓器、一比較器陣列及一比較訊號解碼器。該電壓穩壓器用以提供至少一輸出電壓。該比較器陣列具有複數個比較器，用以接收電壓差動訊號，輸出複數個比較訊號。該比較訊號解碼器用以接收該等比較訊號，解碼成至少一資料訊號及至少一閒置訊號。

本發明用於車載網路通訊系統之傳送裝置可傳送四種狀態訊號；且本發明用於車載網路通訊系統之接收裝置可接收四種狀態訊號，判定所接收訊號之邏輯及狀態。本發明係使用典型CMOS製程，可有效降低晶片製作成本以及具有易於系統整合之特性，並可改善電壓差動訊號接收器的操作速度。

101‧‧‧習知車載網路傳送器

102‧‧‧習知車載網路接收器

300‧‧‧本發明用於車載網路通訊系統之傳送裝置

301‧‧‧電壓穩壓器

302‧‧‧訊號轉換器

303‧‧‧差動電壓驅動器

311‧‧‧起始電路

312‧‧‧帶差參考電路

313‧‧‧運算放大器

314‧‧‧輸出電晶體

315、316‧‧‧串聯電阻組

400‧‧‧本發明用於車載網路通訊系統之接收裝置

401‧‧‧電壓穩壓器

402‧‧‧比較器陣列

403‧‧‧比較訊號解碼器

404‧‧‧第一輸出緩衝器

405‧‧‧第二輸出緩衝器

501‧‧‧第一比較器

502‧‧‧第二比較器

503‧‧‧第三比較器

504‧‧‧或閘

505‧‧‧反互斥或閘

601‧‧‧預先放大器

602‧‧‧判斷電路

603‧‧‧比較緩衝器

M301-M304‧‧‧電流切換開關電路

M305‧‧‧電流源電路

M306‧‧‧電流槽電路

M501‧‧‧源-汲極相連之電晶體

RA、RB‧‧‧共模分壓電阻

RC、RD‧‧‧共模偏壓電阻

SW‧‧‧切換開關

圖1顯示習知用於車載網路通訊系統之傳送器及接收器示意圖；圖2顯示用於車載網路通訊系統之訊號示意圖；圖3顯示本發明用於車載網路通訊系統之傳送裝置之示意圖；圖4顯示本發明之電壓穩壓器之示意圖；圖5顯示本發明用於車載網路通訊系統之接收裝置之示意圖；圖6顯示本發明之比較器之示意圖；圖7為本發明用於車載網路通訊系統之傳送裝置及接收裝置之實體晶片量測圖；及圖8為本發明之Shmoo Plot示意圖。

參考圖3，其顯示本發明用於車載網路通訊系統之傳送裝置之示意圖。本發明之用於車載網路通訊系統之傳送裝置300包括：一電壓穩壓器301、一訊號轉換器302及一差動電壓驅動器303。該電壓穩壓器301用以提供至少一輸出電壓。在本實施例中，該電壓穩壓器301提供一第一輸出電壓VDC1至該訊號轉換器302；及一第二輸出電壓VDC2至該差動電壓驅動器303。電壓穩壓器301輸出之該第一輸出電壓及該第二輸出電壓係為在一定範圍內不隨溫度與系統電壓變動而飄移之穩定電壓，可分別作為差動電壓驅動器303的共模偏壓及工作電壓。

參考圖4，其顯示本發明之電壓穩壓器之示意圖。本發明之該電壓穩壓器301包括一起始電路311、一帶差參考電路312、一運算放大器313、一輸出電晶體314及一串聯電阻組315、316。該起始電路311用以接收一輸入電壓，並啟動該帶差參考電路312；該帶差參考電路312用以產生一參考電壓；參考電壓輸入至該前述運算放大器313，該運算放大器313輸出一輸出訊號至該輸出電晶體314，該串聯電阻組315、316連接至該輸出電晶體314，用以分壓提供一迴授訊號至該運 算放大器313，以穩定該輸出電壓Vo。

再參考圖3，該訊號轉換器302用以接收至少一資料訊號及至少一閒置訊號，轉換為複數個控制訊號。在本實施例中，該訊號轉換器用以依據一高態資料訊號(Data1_C)、一低態資料訊號(Data0_C)、一閒置訊號(Idle_C)、一低功率閒置訊號(Idle_LP_C)及該第一輸出電壓VDC1，轉換為四個控制訊號(TX_IN1、TX_IN2、TX_IN3、TX_IN4)及一共模偏壓準位VCM。

該訊號轉換器302包括複數個邏輯電路及一切換開關SW，該等邏輯電路用以將該高態資料訊號、該低態資料訊號、該閒置訊號及該低功率閒置訊號解碼轉換成四個控制訊號(TX_IN1、TX_IN2、TX_IN3、TX_IN4)，該切換開關SW用以依據該低功率閒置訊號Idle_LP_C切換控制該第一輸出電壓VDC1或一接地電壓為該共模偏壓準位VCM。

該差動電壓驅動器303用以依據該等控制訊號，輸出電壓差動訊號。在本實施例中，該差動電壓驅動器303用以依據上述四個控制訊號(TX_IN1、TX_IN2、TX_IN3、TX_IN4)，輸出一對電壓差動訊號(BPo及BMo)。該差動電壓驅動器303包含一電流源電路M305、一電流切換開關電路、一電流槽電路M306及二個共模分壓電阻RA、RB。該電流源電路M305連接該第二輸出電壓VDC2，該電流源電路M305連接該電流切換開關電路，該電流源電路M305係為在電流偏壓(Current_bias1)下之電晶體M305。

該電流切換開關電路包含四個電晶體開關M301、M302、M303及M304，由該等四個控制訊號(TX_IN1、TX_IN2、TX_IN3、TX_IN4)分別控制四個電晶體開關，二個共模分壓電阻RA、RB連接於該等電晶體開關之間，二個共模分壓電阻RA、RB間連接至該共模偏壓準位VCM。該電流槽電路M306連接該電流切換開關電路，該電 流槽電路M306係為在電流偏壓(Current_bias2)下之電晶體M306。電壓差動訊號(BPo及BMo)連接於該等電晶體開關之間。

本發明用於車載網路通訊系統之傳送裝置300其操作動作如下：

(1).當電路傳送高態訊號時，輸入端之訊號僅高態資料訊號Data1_C為高態，其餘均為低態，此時TX_IN2與TX_IN4為高態且TX_IN1與TX_IN3為低態，電晶體開關M301與M304導通(turn on)，M302與M303關閉(turn off)，驅動電流經由M305流經M301、RA、RB、M304至M306，使得輸出端BPo之電壓大於輸出端BMo之電壓。

(2).當電路傳送低態訊號時，輸入端之訊號僅低態資料訊號Data0_C為高態，其餘均為低態，此時TX_IN2與TX_IN4為低態且TX_IN1與TX_IN3為高態，電晶體開關M301與M304關閉(turn off)，M302與M303導通(turn on)，驅動電流經由M305流經M302、RB、RA、M303至M306，輸出端BPo之電壓小於輸出端BMo之電壓。

(3).當電路傳送閒置訊號時，輸入端之訊號僅閒置訊號Idle_C為高態，其餘均為低態，此時TX_IN1與TX_IN2為高態且TX_IN3與TX_IN4為低態，電晶體開關M301、M302、M303與M304均關閉(turn off)，沒有驅動電流之路徑，輸出端BPo之電壓等於輸出端BMo之電壓且偏壓在經訊號轉換器302內開關(SW)所選擇之第一輸出電壓VDC1。

(4).當電路傳送低功率閒置訊號時，輸入端之訊號僅低功率閒置訊號Idle_LP_C為高態，其餘均為低態，此時TX_IN1與TX_IN2為高態且TX_IN3與TX_IN4為低態，電晶體開關M301、M302、M303與M304均關閉(turn off)，沒有驅動電流之路徑，輸出端BPo之電壓等於輸出端BMo之電壓且偏壓在經訊號轉換器內開關(SW)所選擇之接地電壓。

因此，本發明用於車載網路通訊系統之傳送裝置300可以傳送如 圖2之四種狀態訊號。

參考圖5，其顯示本發明用於車載網路通訊系統之接收裝置之示意圖。本發明用於車載網路通訊系統之接收裝置400包括：一電壓穩壓器401、一比較器陣列402及一比較訊號解碼器403。該電壓穩壓器401用以提供至少一輸出電壓。在本實施例中，該電壓穩壓器401提供一第三輸出電壓VDC3至該比較器陣列402及該比較訊號解碼器403。 電壓穩壓器401輸出之該第三輸出電壓VDC3係為在一定範圍內不隨溫度與系統電壓變動而飄移之穩定電壓，可作為該比較器陣列402及該比較訊號解碼器403的工作電壓。該電壓穩壓器401可參考上述圖4之該電壓穩壓器301，在此不加贅述。

在本實施例中，輸入之電壓差動訊號包括一第一電壓差動訊號BPi及一第二電壓差動訊號BMi，二共模偏壓電阻RC、RD連接於該第一電壓差動訊號BPi及該第二電壓差動訊號BMi之間，以提供一共模偏壓輸入訊號RVCM。

該比較器陣列402具有複數個比較器，用以接收電壓差動訊號，輸出複數個比較訊號。在本實施例中，該比較器陣列402包含一第一比較器501、一第二比較器502及一第三比較器503；其中該第一比較器501以第一電壓差動訊號BPi為其正端(VP)輸入及以第二電壓差動訊號BMi為其負端(VN)輸入，並輸出一第一比較訊號comp1；該第二比較器502以第二電壓差動訊號BMi為其正端輸入及以共模偏壓輸入訊號RVCM為其負端輸入，並輸出一第二比較訊號comp2；該第三比較器503以第一電壓差動訊號BPi為其正端輸入及以共模偏壓輸入訊號RVCM為其負端輸入，並輸出一第三比較訊號comp3。

參考圖6，其顯示本發明之比較器之示意圖。本發明之上述比較器(以第一實施例501為例說明)包括一預先放大器601、一判斷電路602及一比較緩衝器603。其中輸入之電壓差動訊號經該預先放大器 601放大後，經判斷電路602比較後由比較緩衝器603增加訊號的擺幅至接近邏輯準位。

再參考圖5，該比較訊號解碼器403用以接收該等比較訊號，解碼成至少一資料訊號Rdata及至少一閒置訊號Ridle。在本實施例中，該比較訊號解碼器403包括一或閘504、一反互斥或閘505及一濾波電容M501，其中該反互斥或閘505用以接收該第二比較訊號comp2及該第三比較訊號comp3，並輸出該閒置訊號Ridle。該或閘504用以接收該第一比較訊號comp1及該閒置訊號Ridle，並輸出該資料訊號Rdata。該濾波電容M501連接至該反互斥或閘505之輸出，用以消除數位訊號間之切換雜訊。在本實施例中，該濾波電容係為一源-汲極相連(S-D connected)之電晶體M501。

本發明用於車載網路通訊系統之接收裝置400另包括複數個輸出緩衝器，分別連接至該資料訊號及該閒置訊號，其中一第一輸出緩衝器404連接至該資料訊號Rdata，一第二輸出緩衝器405連接至該閒置訊號Ridle，每一輸出緩衝器包含至少一反相器，並串接以增加驅動負載能力。

本發明用於車載網路通訊系統之接收裝置400其操作動作如下：

(1).當接收高態訊號時，此時第一電壓差動訊號BPi之電壓大於第二電壓差動訊號BMi之電壓；第二電壓差動訊號BMi之電壓小於共模偏壓輸入訊號RVCM；第一電壓差動訊號BPi之電壓大於共模偏壓輸入訊號RVCM。該比較器陣列402之第一比較訊號comp1為高態；第二比較訊號comp2為低態；第三比較訊號comp3為高態。該比較訊號解碼器403之資料訊號Rdata為高態，閒置訊號Ridle為低態。

(2).當接收低態訊號時，此時第一電壓差動訊號BPi之電壓小於第二電壓差動訊號BMi之電壓；第二電壓差動訊號BMi之電壓大於共模 偏壓輸入訊號RVCM；第一電壓差動訊號BPi之電壓小於共模偏壓輸入訊號RVCM，比較器陣列402之第一比較訊號comp1為低態；第二比較訊號comp2為高態；第三比較訊號comp3為低態。該比較訊號解碼器403之資料訊號Rdata為低態，閒置訊號Ridle為低態。

(3).當接收閒置訊號時，此時第一電壓差動訊號BPi之電壓等於第二電壓差動訊號BMi之電壓；第二電壓差動訊號BMi之電壓等於共模偏壓輸入訊號RVCM；第一電壓差動訊號BPi之電壓等於共模偏壓輸入訊號RVCM。此時，共模偏壓輸入訊號RVCM可為如圖3之第一輸出電壓VDC1(該共模偏壓準位VCM)。比較器陣列之第一比較訊號comp1為低態；第二比較訊號comp2為低態；第三比較訊號comp3為低態。該比較訊號解碼器403之閒置訊號Ridle為高態。

(4).當接收低功率閒置訊號時，此時第一電壓差動訊號BPi之電壓等於第二電壓差動訊號BMi之電壓；第二電壓差動訊號BMi之電壓等於共模偏壓輸入訊號RVCM；第一電壓差動訊號BPi之電壓等於共模偏壓輸入訊號RVCM。此時，共模偏壓輸入訊號RVCM可為如圖3之接地電壓。比較器陣列402之第一比較訊號comp1為低態；第二比較訊號comp2為低態；第三比較訊號comp3為低態。該比較訊號解碼器403之閒置訊號Ridle為高態。

為顯示本發明之優越性，本發明之較佳實施例以台灣積體電路公司提供之0.18um 1P6M CMOS製程來實作之。圖7為本發明用於車載網路通訊系統之傳送裝置及接收裝置之實體晶片量測圖，其量測負載為40歐姆之電阻與100pF之電容並聯。圖8為本發明之Shmoo Plot，在工作電壓為3.3V時最高可傳輸之速率為41.7Mbps。

本發明用於車載網路通訊系統之傳送裝置可傳送四種狀態訊號；且本發明用於車載網路通訊系統之接收裝置可接收四種狀態訊號，判定所接收訊號之邏輯及狀態。本發明係使用典型CMOS製程， 可有效降低晶片製作成本以及具有易於系統整合之特性，並可改善電壓差動訊號接收器的操作速度。

惟上述實施例僅為說明本發明之原理及其功效，而非限制本發明。因此，習於此技術之人士對上述實施例進行修改及變化仍不脫本發明之精神。本發明之權利範圍應如後述之申請專利範圍所列。

400‧‧‧本發明用於車載網路通訊系統之接收裝置

401‧‧‧電壓穩壓器

402‧‧‧比較器陣列

403‧‧‧比較訊號解碼器

404‧‧‧第一輸出緩衝器

405‧‧‧第二輸出緩衝器

501‧‧‧第一比較器

502‧‧‧第二比較器

503‧‧‧第三比較器

504‧‧‧或閘

505‧‧‧反互斥或閘

M501‧‧‧源-汲極相連之電晶體

RC、RD‧‧‧共模偏壓電阻

Claims (8)

1. 一種用於車載網路通訊系統之接收裝置，包括：一電壓穩壓器，用以提供至少一輸出電壓；一比較器陣列，具有複數個比較器，用以接收電壓差動訊號，輸出複數個比較訊號；及一比較訊號解碼器，用以接收該等比較訊號，解碼成至少一資料訊號及至少一閒置訊號；其中該電壓穩壓器提供一第三輸出電壓至該比較器陣列及該比較訊號解碼器。
2. 如請求項1之接收裝置，其中該電壓穩壓器包括一起始電路、一帶差參考電路、一運算放大器、一輸出電晶體及一串聯電阻組；該起始電路用以接收一輸入電壓，並啟動該帶差參考電路；該帶差參考電路用以產生一參考電壓；參考電壓輸入至該前述運算放大器，該運算放大器輸出一輸出訊號至該輸出電晶體，該串聯電阻組連接至該輸出電晶體，用以分壓提供一迴授訊號至該運算放大器，以穩定該輸出電壓。
3. 如請求項1之接收裝置，其中輸入之電壓差動訊號包括一第一電壓差動訊號及一第二電壓差動訊號，二共模偏壓電阻連接於該第一電壓差動訊號及該第二電壓差動訊號之間，以提供一共模偏壓輸入訊號。
4. 如請求項3之接收裝置，其中該比較器陣列包含一第一比較器、一第二比較器及一第三比較器；其中該第一比較器以第一電壓差動訊號為其正端(VP)輸入及以第二電壓差動訊號為其負端(VN)輸入，並輸出一第一比較訊號；該第二比較器以第二電壓差動訊號為其正端輸入及以共模偏壓輸入訊號為其負端輸入， 並輸出一第二比較訊號；該第三比較器以第一電壓差動訊號為其正端輸入及以共模偏壓輸入訊號為其負端輸入，並輸出一第三比較訊號。
5. 如請求項4之接收裝置，其中該等比較器包含一預先放大器、一判斷電路及一比較緩衝器；其中輸入之電壓差動訊號經該預先放大器放大後，經該判斷電路比較後由比較緩衝器增加訊號的擺幅至邏輯準位。
6. 如請求項4之接收裝置，其中該比較訊號解碼器包括一或閘、一反互斥或閘及一濾波電容，其中該反互斥或閘用以接收該第二比較訊號及該第三比較訊號，並輸出該閒置訊號；該或閘用以接收該第一比較訊號及該閒置訊號，並輸出該資料訊號；該濾波電容連接至該反互斥或閘之輸出，用以消除數位訊號間之切換雜訊。
7. 如請求項6之接收裝置，其中該濾波電容係為一源-汲極相連之電晶體。
8. 如請求項6之接收裝置，另包括複數個輸出緩衝器，分別連接至該資料訊號及該閒置訊號，其中一第一輸出緩衝器連接至該資料訊號，一第二輸出緩衝器連接至該閒置訊號，每一輸出緩衝器包含至少一反相器，並串接以增加驅動負載能力。