專利名稱：基本交換電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電信領(lǐng)域，更具體地說，本發(fā)明涉及針對(duì)高比特率應(yīng)用的傳輸設(shè)備中采用的集成電子交換電路。
背景技術(shù)：
雖然目前的電信傳輸網(wǎng)主要依賴于光傳輸，但在大多數(shù)情況下，傳輸網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)元中進(jìn)行的內(nèi)部信號(hào)處理仍然是在電子領(lǐng)域。
光傳輸網(wǎng)的復(fù)用規(guī)則和比特率的最新定義(ITU-TG.709)引入了三層比特率結(jié)構(gòu)，2.7Gbit/s、10.7Gbit/s和43Gbit/s。這樣，就需要有能在電子領(lǐng)域內(nèi)處理這些高比特率信號(hào)的設(shè)備。具體地說，需要光交叉連接設(shè)備來建立光傳輸網(wǎng)中的交叉連接。光交叉連接設(shè)備是一種交換機(jī)，它具有數(shù)量眾多的I/O端口，能夠在這些I/O端口中的任意兩個(gè)之間建立連接。大多數(shù)交叉連接設(shè)備的交叉連接都是在電子領(lǐng)域內(nèi)完成的，因?yàn)槿饨粨Q仍然有許多缺陷并受特定系統(tǒng)的限制。因此，光交叉連接設(shè)備內(nèi)部實(shí)現(xiàn)電操作，它必須在任意輸入和任意輸出端口之間交換一定數(shù)量的具有不同比特率的異步電信號(hào)。這需要高速集成電交換電路來生成大的集成電交換矩陣。
目前的集成電路通常采用CMOS技術(shù)，但CMOS技術(shù)不適用于比特率高于2Gbit/s的高比特率應(yīng)用。另一方面，基于SiGe技術(shù)的雙極性集成電路原理上適用于速率高達(dá)20Gbit/s的高速應(yīng)用，但它的功耗很大。雙極性集成電路的工作電壓一般是5伏。具體地說，雙極性電路中的每個(gè)電路元件(例如開關(guān)、復(fù)用器或類似器件)都有兩節(jié)(trunc)。當(dāng)電路元件處于工作狀態(tài)時(shí)，恒定電流從一節(jié)交換到另一節(jié)。因?yàn)楹愣娏骺偸橇鹘?jīng)兩節(jié)中的一節(jié)，這種雙極電路的功耗很大，熱損耗很大，這使得它們不適用于針對(duì)高比特率應(yīng)用的大交換矩陣。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種基本的交換電路，它適用于10Gbit/s或更高比特率的應(yīng)用，卻沒有現(xiàn)有集成電路的上述缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的這些目的以及下面給出的其它目的按照本發(fā)明的交換電路來實(shí)現(xiàn)。
具體地說，該交換電路結(jié)合CMOS和基于SiGe的雙極性技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，工作電壓較低，只比2伏稍高一點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)低工作電壓，電路的交換操作利用MOS晶體管，通過開關(guān)該電路的恒定電流源來實(shí)現(xiàn)。此外，恒定電流源利用MOS晶體管，而不是雙極晶體管來實(shí)現(xiàn)，它基本上充當(dāng)可控電阻。此外，輸出信號(hào)的邏輯值通過恒定電流源來精確控制，后者由輸出端的運(yùn)算放大器和電阻分壓器來控制，將電壓值降低該邏輯值所對(duì)應(yīng)的量。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，工作電壓低，相應(yīng)地功耗也很低。例如，一個(gè)由按照本發(fā)明的基本交換電路構(gòu)成的33×33正方形交換矩陣的功耗僅約為8瓦。因此，必要的集成電路降溫措施可以變得簡單。此外，本發(fā)明能夠交換比特率高達(dá)約20Gbit/s的電信號(hào)。


下面結(jié)合附圖，描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，在附圖中圖1示出了按照本發(fā)明的基本交換電路的電路圖；圖2示出了通過級(jí)聯(lián)形成正方形4×4交換的16個(gè)交換電路；以及圖3示出了該基本交換電路的概念等效電路。
具體實(shí)施例方式
雙極性集成電路中的每個(gè)電路元件通常都有兩節(jié)(trunc)，在處于工作狀態(tài)時(shí)，恒定電流從一節(jié)交換到另一節(jié)。因?yàn)楹愣娏骺偸橇鹘?jīng)兩節(jié)中的一節(jié)，減小功耗的唯一方法是降低電路的工作電壓。電路中的每一個(gè)雙極性晶體管正常工作所需的最小電壓一般是0.9伏。對(duì)SiGe雙極性晶體管而言，最小電壓可以減小到約0.8伏。因此，每個(gè)雙極晶體管導(dǎo)致0.8伏的壓降。
已知的雙極性電路具有至少三個(gè)串聯(lián)的晶體管。這使得累計(jì)總電壓為至少3.1伏，也就是邏輯值為3×0.9伏+400mV(+/-200mV)。此外，第四級(jí)聯(lián)晶體管一般用于時(shí)鐘或信號(hào)輸入。這使得累加的工作電壓一般為5伏。但是，為了實(shí)現(xiàn)較低的工作電壓，本發(fā)明減少了級(jí)聯(lián)雙極性晶體管的數(shù)量。
因此，本發(fā)明的第一基本概念是實(shí)現(xiàn)一種基本的交換元件，作為可以開關(guān)的簡單緩沖放大器。該緩沖放大器的開關(guān)通過打開或關(guān)上它的電源來實(shí)現(xiàn)。
此外，本發(fā)明利用了待交換的信號(hào)工作在10Gbit/s或更高的比特率的事實(shí)，雖然這樣的交換操作可能很慢。因此，本發(fā)明采用較慢但是低損耗的金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)場(chǎng)效應(yīng)晶體管來開關(guān)電源。
本發(fā)明的另一個(gè)基本思想是通過精確控制流經(jīng)雙極電路的兩節(jié)的任意一節(jié)的電流，盡量減小輸出信號(hào)的電壓。因此，電流源受控于運(yùn)算放大器，后者在其輸入端接收一個(gè)非常精確的基準(zhǔn)電壓。在該實(shí)施例中，基準(zhǔn)電壓來自于半導(dǎo)體集成電路中明確的能帶隙(bandgap)。
精確控制使得我們能夠采用電阻分壓器，而不是輸出雙極晶體管來改變輸出電壓值，使其減小對(duì)應(yīng)于邏輯值的量。在該實(shí)施例中，選擇的邏輯值只有+/-100mV，也就是總共200mV。
圖1示出了按照本發(fā)明的基本交換電路的一種實(shí)施例。該電路有兩個(gè)對(duì)稱的雙極分支，第一分支通向晶體管T3和T1，第二分支通向晶體管T4和T2。雙極輸入信號(hào)的兩個(gè)輸入IN分別連接到晶體管T3和T4的基極。T3發(fā)射極連接到T1的基極；T4發(fā)射極連接到T2的基極。T3和T4的集電極連接到0伏(地)。T1的集電極通過第一電阻分壓器R2、R1連接到0伏，T2的集電極通過第二電阻分壓器R3、R1連接到0伏。T1和T2的發(fā)射極都連接到MOS晶體管M1(金屬氧化物半導(dǎo)體)的源極，M1的漏極連接到負(fù)電壓電源，該電源工作在-2.2伏到-3.6伏之間。M1的柵極由運(yùn)算放大器OP1的輸出控制，后者的正輸出連接到R2、R3和R1的耦合點(diǎn)。其負(fù)輸入連接到200mV基準(zhǔn)電壓，該基準(zhǔn)電壓由半導(dǎo)體能帶隙而來。這樣，OP1比較電阻R2和R3上的壓降和基準(zhǔn)電壓REF，通過M1控制流經(jīng)電阻分壓器的電流。
晶體管T3的發(fā)射極還通過晶體管T5的集電極-發(fā)射極結(jié)，并通過電阻R4連接到負(fù)電源，晶體管T3的發(fā)射極通過晶體管T6的集電極-發(fā)射極結(jié)，并通過電阻R5連接到負(fù)電源。在開關(guān)電路工作過程中，T5和T6的基極連接到基準(zhǔn)電壓REFE。T5和T6分別限定了經(jīng)過T3和T4的電流，從而限定了T1和T2的基極上的電壓。
T1和T2的集電極之間的電壓是該電路第一級(jí)的輸出信號(hào)OUT1。第一級(jí)輸出OUT1連接到第二級(jí)。具體地說，T2的集電極連接到晶體管T7的基極，T1的集電極連接到晶體管T8的基極。T7的集電極通過電阻R8連接到0伏，T8的集電極通過電阻R9連接到0伏。T7和T8的發(fā)射極都連接到晶體管T9的集電極，T9的發(fā)射極通過電阻R10連接到負(fù)電壓電源(-2.2V...-3.6V)。T9的基極連接到第二運(yùn)算放大器OP2的輸出，后者的負(fù)輸入連接到與OP1相同的200mV運(yùn)算放大器。其正輸入連接到T7和T8集電極之間的高位電阻分壓器R6、R7。T7和T8集電極之間的電壓差是該電路的雙極性輸出信號(hào)OUT。輸出信號(hào)OUT是電流型邏輯(CML)的集電極開路輸出。
OP1控制的MOS晶體管M1充當(dāng)?shù)谝患?jí)的恒定電流源。OP2控制的雙極性晶體管T9充當(dāng)?shù)诙?jí)的恒定電流源。
前面解釋過，本發(fā)明的一個(gè)基本思想是通過在控制信號(hào)CTRL控制下激活或去激活恒定電流源，實(shí)現(xiàn)從輸入IN到輸出OUT的交換。具體地說，在優(yōu)選實(shí)施例中的交換電路采用控制信號(hào)CTRL和反相控制信號(hào)CTRLI。三個(gè)MOS晶體管用于去激活恒定電流源。兩個(gè)并行MOS晶體管M6、M7將輸出或OP1連接到恒定電流源MOSFET M1的柵極。M6的柵極由控制信號(hào)CTRL控制。MOS晶體管M7的反相柵極連接到反相控制信號(hào)CTRLI。在交換電路關(guān)閉時(shí)，反相控制信號(hào)CTRLI還用于短路M1的柵極和源極，從而去激活M1。如果控制信號(hào)打開，反相控制信號(hào)關(guān)閉，M6和M7都導(dǎo)通并連接OP1的輸出到M1的柵極。M2在這種情況下關(guān)閉，M1向兩個(gè)交換分支T3、T1和T4、T2提供恒定電流。相反，如果控制信號(hào)關(guān)閉，反相控制信號(hào)打開，M6和M7都關(guān)閉，將OP1的輸出與M1的柵極斷開，而M2短路M1的柵極和源極，從而關(guān)閉并去激活整個(gè)交換電路。
第二級(jí)也是一樣，其中T9在第二級(jí)中充當(dāng)恒定電流源，MOS晶體管M11和M12可以將它與OP2斷開，M10可以將它的基極電壓下拉為負(fù)值。
此外，兩個(gè)晶體管T5和T6的基極引線分別限定了通過輸入晶體管T3和T4的電流，在相同控制信號(hào)CTYRL和CTRLI的控制下，MOS晶體管M4和M5將它們從基準(zhǔn)電壓REFE斷開，通過MOS晶體管M3將其基極電壓下拉為負(fù)值。
在交換電路去激活時(shí)，作為增加串音的一種方法，MOS晶體管M8連接在T3和T4的集電極之間，另一MOS晶體管連接在T3和T4的基極之間。這兩個(gè)MOS晶體管M8和M9都有反相柵極，在交換電路關(guān)閉時(shí)，由控制信號(hào)CTRL控制，短路T1和T2的基極接觸點(diǎn)，以及它們的集電極接觸點(diǎn)。
電路中的電阻具有以下值R1、R2、R3、R8和R9為150Ω；R4和R5為200Ω；R6和R7為10kΩ；R10為112Ω。
電阻R8和R9以虛線形式示出。其原因是這兩個(gè)電阻共享于多個(gè)交換電路。實(shí)際上，16個(gè)基本交換電路耦合，形成圖2所示的4×4交換矩陣。所有這16個(gè)基本交換電路共享同電阻R8和R9。
需要注意，電路的第二級(jí)原則上可以被忽略。但是，在優(yōu)選實(shí)施例中，第二級(jí)用于將總的串音減小到小于-36分貝，這是一個(gè)模擬需要，而不是數(shù)字需求。除了減小串音之外，第二級(jí)的使用還具有其它優(yōu)點(diǎn)。首先，它增加了第一級(jí)的低輸出電壓(200mV)，其次，它改進(jìn)了高頻信號(hào)特性。具體地說，正如前面所解釋的，為了減小級(jí)聯(lián)的雙極性晶體管的數(shù)量，從而能夠有較低的工作電壓，在第一級(jí)中，恒定電流供應(yīng)通過MOS晶體管(M1)實(shí)現(xiàn)。但是，MOS晶體管的高頻特性比雙極性晶體管差。因此，第一級(jí)中的MOS電流供應(yīng)導(dǎo)致輸出信號(hào)OUT1的信號(hào)質(zhì)量下降。另一方面，第二級(jí)在信號(hào)路徑上只需要一個(gè)雙極性晶體管(T7、T8)，因此，剩下的工作電壓足夠高，能夠通過一個(gè)高級(jí)雙極性晶體管(T9)，而不是第一級(jí)中的MOS晶體管，實(shí)現(xiàn)恒定電流供應(yīng)。這樣，第二級(jí)能夠補(bǔ)償?shù)谝患?jí)必需的MOS電流供應(yīng)所帶來的一些不利影響。
圖2示出了按照本發(fā)明的基本交換電路如何級(jí)聯(lián)，形成較大的交換矩陣。從概念上講，基本交換電路的等效電路是由圖3所示的控制信號(hào)CTRL所控制的簡單開/關(guān)交換。圖2的基本交換方案是4行4列的方陣。圖2中標(biāo)記的行和列類似于國際象棋盤，從A到D和從1到4。在1行1-4中的所有交換都將其輸入連接到一個(gè)共同的輸入I1-I4，在1列A-D中的所有交換都將其輸出連接到一個(gè)共同的輸出01-04。通過這種方式，每個(gè)輸入可以只通過一個(gè)基本交換連接到一個(gè)輸出。例如，為了連接輸入I3到輸出04，交換D3必須關(guān)閉。顯然，一個(gè)輸入也可以連接到多于一個(gè)輸出，從而交換變成了廣播。
在一種優(yōu)選改進(jìn)中，利用了一個(gè)輸出(也就是一列)只能有一個(gè)交叉點(diǎn)可以被激活的事實(shí)。因此，一列中所有交叉點(diǎn)交換的恒定電流由圖1中的一對(duì)運(yùn)算放大器OP1、OP2控制。
本發(fā)明的基本交換電路尤其適用于同一發(fā)明人在同一天提交的，題為“電子空間交換矩陣”的共同未決歐洲專利申請(qǐng)中描述的交換矩陣，該專利的內(nèi)容在此通過引入并入。
前面描述了本發(fā)明在一種優(yōu)選實(shí)施例中的應(yīng)用，對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，很明顯，本發(fā)明并不受限于該實(shí)施例的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)和給出的特定附圖。相反，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解，在不偏離本發(fā)明的概念和精神的前提下，可以作出若干改變、替換和變通。
權(quán)利要求
1.一種交換電路，用于將高比特率雙極性輸入信號(hào)從輸入可控地交換到輸出；所述電路包括第一和第二發(fā)射極耦合的雙極性晶體管，將輸入信號(hào)從所述輸入傳送到所述輸出，所述第一和第二晶體管連接到恒定電流源，該交換電路還包括至少一個(gè)金屬氧化半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，用于在至少一個(gè)控制信號(hào)的控制下，激活或去激活所述恒定電流源。
2.按照權(quán)利要求1的交換電路，其中電阻分壓器連接到所述雙級(jí)晶體管的集電極，恒定電流源由電阻分壓器的電壓降和恒定基準(zhǔn)電壓之間的電壓差精確控制，從而電阻分壓器限定了輸出信號(hào)中的邏輯值的電位。
3.按照權(quán)利要求2的交換電路，其中所述恒定電流源包括第二金屬氧化半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(M1)，它的柵極受控于一個(gè)運(yùn)算放大器，后者的同相輸入連接到所述電阻分壓器，其反相輸入連接到所述恒定基準(zhǔn)電壓。
4.按照權(quán)利要求1的交換電路，還包括第三和第四雙極性晶體管，分別連接在所述輸入和所述第一和第二雙極性晶體管的基極之間，從而形成所述輸入和所述輸出之間的發(fā)射極輸出放大器。
5.按照權(quán)利要求1的交換電路，其中所述第一和第二雙極性晶體管形成了第一級(jí)電路，所述交換電路還包括第二級(jí)電路，所述第二級(jí)電路包括第五和第六發(fā)射極耦合雙極性晶體管，將所述第一級(jí)的輸出連接到所述電路的所述輸出，所述第五和第六雙極性晶體管連接到第二恒定電流源。
6.按照權(quán)利要求5的交換電路，其中所述第二恒定電流源包括第七雙極性晶體管，它的基極連接到第二運(yùn)算放大器。
7.按照權(quán)利要求1的交換電路，還包括至少一個(gè)其它的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，連接到所述第一和第二雙極性晶體管，在交換關(guān)閉時(shí)，短路所述晶體管。
8.按照權(quán)利要求1的交換電路，其中所述雙極性晶體管由混合硅鍺半導(dǎo)體材料構(gòu)成。
9.按照權(quán)利要求1的交換電路，其中所述第一和第二運(yùn)算放大器由交換矩陣中的其它交換電路共享。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基本交換電路，它組合了CMOS和基于SiGe的雙極性晶體管技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，工作電壓較低，只比2伏稍高一點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)低工作電壓，電路的交換操作通過利用MOS晶體管來開關(guān)該交換電路的恒定電流源來實(shí)現(xiàn)。此外，恒定電流源利用MOS晶體管，而不是雙極性晶體管來實(shí)現(xiàn)，它基本上充當(dāng)可控電阻。此外，輸出信號(hào)的邏輯值通過恒定電流源來精確控制，后者由輸出端的運(yùn)算放大器和電阻分壓器來控制，將電壓值下拉到該邏輯值所對(duì)應(yīng)的量。
文檔編號(hào)H03K17/042GK1520034SQ200410039510
公開日2004年8月11日 申請(qǐng)日期2004年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月5日
發(fā)明者赫爾穆特·普賴扎赫, 赫爾穆特 普賴扎赫 申請(qǐng)人:阿爾卡特公司