專利名稱：通用的接收裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一個用于接收發(fā)自發(fā)射器件的電子差分二進制信號形式的數(shù)字信息的接收裝置。該接收裝置通過差分放大器電路以適合于數(shù)字邏輯電路的形式提供信息。
相關技術的描述電子技術及設計方面的先進性，和在功耗、速度等的高性能方面所做的努力，為在電路和電路板中間的數(shù)字邏輯電路和數(shù)字信號產(chǎn)生了不同的構思，早期的有DTL(二極管一晶體管邏輯)，TTL(晶體管一晶體管邏輯)以及ECL(發(fā)射極耦合邏輯)，這些構思都應用于數(shù)字邏輯電路和電路和電路板之間的數(shù)字信號。
較近的構思，大多用于電路和電路板中，采用的是差分信號，又被稱作平衡信號，它采用兩個信號線。DPECL(差分準發(fā)射極耦合邏輯)，LVDS(低壓差分信號)及GLVDS(接地低壓差分信號)都是應用差分信號的信號構思的例子。GLVDS已在瑞典專利申請?zhí)朣E9304025-1和SE 9400971-9中公開。
雖然上述差分信號構思事實上是差分的，但兩條信號線中的每一條都工作于相對于地的固定標準電壓。每條信號線都工作于兩個電平，分別稱作低電平和高電平。
典型地，DPECL的信號低電平為3.3V，高電平為4.1V。另一方面，LVDS的信號低電平為1.0V，高電平為1.4V，而GLVDS的信號低電平為0.1V，高電平為0.4V。這些電平都是相對于地來說的。于是信號電平的范圍就是從0V到高于4V。
根據(jù)上述信號構思類型，用于接收差分信號的接收裝置通常與數(shù)字邏輯電路一起被包括在一個集成電路之中，目的是減小體積，減小所需電路板的尺寸，最終減少費用。優(yōu)選地，單個供電電壓被用于集成電路，它提供的電壓由接收裝置和數(shù)字邏輯電路共享，這樣就可以避免使用昂貴的能處理多電平的電路技術。但是，新電路技術工作于很低的供電電壓，有3.3V或更低，這使得接收裝置必須在這些很低的供電電壓下進行運作。
在低的供電電壓情況下，即使有，也僅為與DPECL、LVDS、GLVDS及其它信號構思兼容的接收裝置電路提供一個很小的余量。在低供電電壓情形，這樣的接收裝置電路必須工作于或者接近于供電電壓，甚至高于供電電壓，或者接近于地，優(yōu)選地甚至低于地的共模電壓。共模電壓指的是在作為差分放大器的電路輸入端的相對于地的平均電壓。該接收裝置是一個差分放大器。存在能處理接近于供電電壓和接近于地的共模電壓的差分放大器。這些被稱作“柵一柵”(rail-rail)放大器。
已知的“柵一柵”放大器表現(xiàn)出依賴于所用共模電壓的帶寬和傳播延時，這就減少了可用帶寬和放大器在高速時排除共模噪聲的能力，使得信號扭曲在高速時變得不可控制。
而且，已知的“柵一柵”放大器不能處理高于供電電壓和低于地的共模電壓。在供電電壓低于大約4.5V時，已知“柵一柵”放大器便不能與諸如DPECL兼容。
在該技術中，眾所周知，在差分放大器的輸入端安排一個分壓網(wǎng)絡以增加共模范圍。但是，分壓網(wǎng)絡使接收信號衰減，使得低幅值的信號難以被處理，而且，處理上的變化又增加了接收信號的不對稱。
美國專利號5,111,080公開了一個信號發(fā)射電路，其中信號被轉換為兩個互補信號，該信號通過串聯(lián)電阻從信號發(fā)射電路輸出。每個互補信號的幅度被串聯(lián)電阻和在接收端提供的端電阻減弱，信號接收端改變它接收的輸入信號的電平，這個改變了電平的信號再由一個高輸入阻抗的差分放大電路來放大。
歐洲專利號0579314A1公布了一個輸入緩沖器電路，輸入信號接收一個低電平信號和一個參考電壓，它們都不受干擾信號的影響。輸入緩沖電路包括用于減少電壓偏差的裝置。
日本專利號4,767,979公開了一個使用電流鏡像電路的開關電路器件。提供第一組電流鏡像電路，其中，通過輸入終端的多個信號電流疊加于鏡像電流，從疊加所得的信號電流又成為新的鏡像電流；提供補充了新鏡像電流的第二組電流鏡像。第二組電流鏡像電路的輸出級在公共點上相互連接，該公共點又與用以提供一個預定幅度鏡像電流的電流鏡像電路的輸出級相連。由上述公共點引出一個輸出端。所述第二組電流鏡像電路的偏置電壓是受控的，使得可以從多個信號電流中選出任一希望的信號電流。
瑞典專利號9400593-1公開了一種接收裝置，其中的電流鏡像用在了輸入級。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的在于為一個通用接收裝置提供電子線路，該器件以高速工作于寬范圍的共模電壓，該共模電壓甚至可以略低于地和略高于供電電壓。
這個目的由權利要求中所描述的電子線路來實現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明，更高的速度可以由接收裝置來處理，與現(xiàn)在技術相比，對給定的供電電壓，由接收裝置接收并處理而不損害其信息的信號電平的范圍被擴展了，共模抑制性能也提高了。
附圖的簡述本發(fā)明以及更多的目的和優(yōu)越之處，將通過參照附圖作下面的描述而變得清晰起來。


圖1是一個“柵一柵”放大器的框圖，該放大器構成一個本發(fā)明基于其上的接收裝置的。
圖2是一個顯示根據(jù)圖1的接收裝置的第一實施例的電路原理圖。
圖3是一個顯示圖2實施例的一部分的電路原理圖，其中部分連線被突出以更好地描繪第一輸入電路。
圖4是一個顯示圖2實施例的一部分的電路原理圖，其中部分連線被突出以更好地描繪第二輸入電路。
圖5是一個顯示根據(jù)圖1的接收裝置的第二實施例的電路原理圖。
圖6是一個顯示根據(jù)圖1的接收裝置的第三實施例的電路原理圖。
圖7是一個顯示根據(jù)圖1的接收裝置的第四實施例的電路原理圖。
圖8是一個顯示根據(jù)圖1的接收裝置的第五實施例的電路原理圖。
發(fā)明詳述圖1中，接收裝置1以框圖的形式顯示了出來，接收裝置1有第一個輸入電路2和第二個輸入電路3，輸入電路2、3以并聯(lián)方式連接，輸入電路2、3包含于輸入級4。兩個信號輸入端INP、INN分別連接到兩個輸入電路2、3。輸入級4與驅動級5相連。接收裝置1在它的輸入端INP、INN接收一個差分信號，并在輸出端OUT輸出適合數(shù)字邏輯電路的相應信號，接收裝置1有一定的共模范圍。共模范圍又稱作接收信號的電壓范圍，它與一個固定參考值有關，例如地，在這個范圍內，接收裝置1處理該信號而不損害其攜帶的信息。第一輸入電路2在該共模范圍的一部分中處于工作狀態(tài)，第二輸入電路3在該共模范圍的另一部分中處于工作狀態(tài)。這兩個部分可能會有重疊部分。這樣的接收器與只有一個輸入電路的接收器相比有擴展的共模范圍。允許的共模電壓可以達到地和供電電壓。有這個特性的放大器在這一技術中被稱作“柵一柵”放大器。
圖2顯示接收裝置7，它是根據(jù)圖1的接收裝置的第一實施例，接收裝置7包括N-MOS和P-MOS晶體管8-27，一個電流發(fā)生器28和一個輸出級29。輸出級實際上是已知的，因而不詳細描繪，晶體管8-27、電流發(fā)生器28和輸出級29相互連接起來，如圖所示。
電流發(fā)生器28將一個恒定電流I1饋入通過N-MOS晶體管8的通道。N-MOS晶體管8是一個在本技術中作為電流鏡而公知的電流裝置的一部分，該電流鏡還包括晶體管9-11。晶體管9-11中每個都接收一個固定電流I2、I3、I4，該電流等于電流I1或與之成比例，同時，在晶體管9、10、11的溝道兩端的電壓足夠地大，例如，高于0.5V。晶體管12、13形成另一個電流鏡，其中，來自晶體管13的電流I5是固定值，等于電流I2或與之成比例，所以對電流I1來講也是這樣，在晶體管13的溝道兩端的電壓也足夠地大。接收裝置7包括更多的電流鏡，這將在它們相應的上下文內容中作解說。簡要起見，這里所有的電流鏡都假設有一比一的電流關系，除非另有說明。本技術領域的技術人員所推崇的是在接收裝置7的電流鏡中的電流是可以分級的。事實上，接收裝置7中的功率消耗會隨著電流的恰當分級而降低。電流的分級也能用來補償接收裝置中不匹配的傳輸延時。
下面將描述接收裝置7的兩種特殊工作模式以及二者的結合。作為例子，Vcc被設定為3.3V。在第一種特殊工作模式中，共模電壓，即輸入端INP、INN上的平均信號電壓，處于接收裝置7的共模范圍的較低區(qū)域內，例如相對于地0.5V左右。在第二種特殊工作模式中，共模電壓處于共模范圍中較高的區(qū)域內，例如大約2.5V。兩種模式中，輸入端INP的電壓減去輸入端INN的電壓可能是正的、負的、或者是0，即不論是輸入端INP的電平高于輸入端INN的電平，INN的電平高于INP的電平，還是INP、INN的電平相等。
圖3分塊地顯示了接收裝置7。一些連線被突出顯示(用粗線畫出)，其目的是為了更好地說明對應于圖1所示接收裝置的第一輸入電路2的第一輸入電路，第一輸入電路包括晶體管13,14,15,16,17,18和20，現(xiàn)在來說明在第一個特殊工作模式中的功能。在第一個特殊工作模式中，晶體管14和15從接收裝置外部接收出現(xiàn)在輸入端INP、INN的差分信號。差分信號在晶體管14和15的源極直接被接收。在第一個特殊工作模式中，晶體管24,25,26,27的電壓差UGS不足以使所述晶體管24,25,26,27導通。
固定電流I5或者被引導單獨通過晶體管15，或者單獨通過晶體管14，或者同時通過二者，這依賴于輸入端INP和INN上的輸入信號。由于從晶體管14、15的漏極到柵極有一個反饋，晶體管14、15兩端壓降UDS可以略高于其門限電壓UGSth。這樣，如果輸入端INP的電平顯著地高于輸入端INN的電平，那么晶體管15的兩端壓降UDS便限制晶體管14的兩端電壓UGS，使其不至于達到晶體管14的門限電壓UGth，因而晶體管14便不導通電流，電流I5就只通過晶體管15。另一方面，如果輸入端INN的電平顯著地高于輸入端IND的電平，晶體管14的兩端壓降UDS便限制晶體管15的兩端電壓UGS，使其不至于達到門限電壓UGSth，因而晶體管15就不導通電流。電流I5就只通過晶體管14。如果輸入端INP、INN的電平大致相等，晶體管14、15都導通，二者各自通過I5中相應的一部分。
晶體管14、16包含于一個電流鏡中，晶體管15、17包含于另一個電流鏡中。而且，晶體管對18,19;20,21和22,23中每一對都包含于各自的電流鏡。流過晶體管14,15的電流分別與流過晶體管16,17的電流呈鏡像。流過晶體管16，同時也流經(jīng)晶體管18的電流，與流過晶體管19,22的電流呈鏡像。因此，晶體管23就能接收由通過晶體管14的電流所確定的電流。相似的，被引導通過晶體管17的電流也被引導通過晶體管20。因而，晶體管21能提供由流經(jīng)晶體管15的電流所確定的電流。
因此，不論是晶體管21向輸出級提供電源，還是晶體管23接收來自輸出級的電流，輸入端INP、INN的輸入電平是不相等的。從而，輸出級29上的最后電平或者是高，即接近于Vcc，或者是低，即接近于GND，這由輸入端INP、INN上的輸入信號決定。當輸入端INP的電平高于輸入端INN的電平時，例如高出0.25V，那么輸出端oUT為高，反之亦然。輸入端INP、INN的電平相等，會造成饋到輸出級29，進而出現(xiàn)在輸出端OUT的電平出現(xiàn)不確定的狀態(tài)。
圖4也以分塊的形式顯示了接收裝置7，一些連線被突出顯示(以粗線畫出)，其目的在于更好地顯示一個相應于圖1所示接收裝置的第二輸入電路3的第二輸入電路，第二輸入電路由晶體管10,11,13,18,20,24,25,26和27組成?，F(xiàn)在來說明在第二種特殊工作模式中接收裝置7的功能。在第二種特殊工作模式中，晶體管24、25從接收裝置外部接收出現(xiàn)在輸入端INP、INN的差分信號。差分信號在晶體管24和25的柵極直接被接收。而且，在第二種特殊工作模式中，晶體管26、27從接收裝置外部接收出現(xiàn)在輸入端INP、INN的差分信號，差分信號在晶體管26、27的柵極直接被接收，使得在第二種特殊工作模式中基本與第一輸入電路相脫離。
如前所述，在第二種特殊工作模式中，共模電平處于共模范圍中較高的區(qū)域，如2.5V左右。晶體管26,27對電流I5進行分流，沒有電流流經(jīng)晶體管14、15，從而晶體管16、17也不導通電流。若不考慮這些因素，在第二種特殊模式中，Vcc減去INP或INN的壓降將不會大到使晶體管13-17導通電流。
如果輸入端INP的電平顯著地高于輸入端INN的電平，晶體管25上的壓降UGS將會足夠地大到使其導通電流，而晶體管24上的壓降UGS則不會達到門限電平UGSth，因而該晶體管就不會導通電流。電流I4就只流過晶體管25和晶體管20。因而，晶體管21就能產(chǎn)生由流經(jīng)晶體管25的電流確定的電流。另一方面，如果輸入端INN上的電平顯著地高于輸入端INP上的電平，那么，電流I4將只通過晶體管24和18，流經(jīng)晶體管18的電流就被鏡像到流經(jīng)晶體管19，進而流經(jīng)晶體管22的的電流。因而，晶體管23能接收由流經(jīng)晶體管24的電流確定的電流。如果輸入端INP和INN上的電平大約相等，那么，晶體管24,25都導通電流，二者分別接收I4中的一部分。在第二種特殊工作模式中，電流I4恒定。
當輸入端INP的電平高于輸入端INN的電平時，例如高出0.25V，那么，輸出端OUT就為高電平，反之亦然。如果輸入端INP、INN的電平相等，則會導致被饋到輸出級29，進而出現(xiàn)在輸出端OUT的電平不確定。
本發(fā)明的重要方面在于，對接收裝置7，在整個共模范圍內產(chǎn)生一個寬的可用帶寬和一個低的、基本固定的信號傳輸延時，因此，第一輸入電路和第二入電路以這樣的帶寬和傳輸延時，相互匹配。晶體管14、15、24、25是同樣的類型，它們被用來接收加在輸入端INP、INN的信號。而且，晶體管26和27是同一類型的，正如晶體管24和25一樣，晶體管16和17是同一類型的，正如晶體管14和15一樣。本實施例中，晶體管14、15、16、17、24、25、26和27是N-MOS類型的，因為它們比互補的P-MOS管有較寬的帶寬和較高的增益(跨導)以及較小的傳輸延時。在接收裝置的輸入電路中，對從接收裝置外部接收信號的晶體管來講，晶體管增益是特別重要的。這樣的信號通常具有低的差分信號幅度，這就提出了低增益補償?shù)睦щy。差分信號的幅度是諸如所述接收裝置1的輸入端INP和INN的差分放大器輸入端之間的電壓。
更進一步地，固定的傳輸延時通過兩種工作模式保持經(jīng)過晶體管18的電流和經(jīng)過晶體管20的電流之和為恒定而實現(xiàn)。如果該電流允許變化，那么，晶體管21、23特定地響應其變化所花的時間也將變化，這將導致不固定的傳輸延時。晶體管26、27通過控制使第一輸入電路工作或不工作，在保持該電流恒定方面，起著非常重要的作用?，F(xiàn)在來描述兩種特殊工作模式之間的操作。
對于1.0V左右的共模電壓來講，所述第一輸入電路處于工作狀態(tài)，而第二輸入電路處于工作的臨界狀態(tài)。電流I4很小。流過晶體管18，20的電流分別是流經(jīng)晶體管16、24的電流與流經(jīng)晶體管17、25的電流之和。這些電流等于電流I4與饋入晶體管14,15的電流之和，共模電壓的微小增加將會導致一個被引導通過晶體管18、20的電流I4。由于晶體管10、26、27和晶體管11、24、25有相似的連接，以及晶體管10、11、24、25、26、27有良好的匹配，被引導通過晶體管26、27的電流I3與電流I4相等。電流I3來自電流I5，從而流經(jīng)晶體管14、15的電流減少，因此流過晶體管16、17的電流也減小。被引導流經(jīng)晶體管18、20的電流之和則保持不變。在共模電壓進一步增加的時候，電流I4，還有電流I3也會相應地增加，直到達到共模模式，此時第一輸入電路完全不工作。當共模電壓增加時，第二輸入電路就逐漸地工作起來，而第一輸入電路則逐漸地變得不工作，反之亦然。因而，這兩種模式的操作有部分的重疊。
圖5示出了一個接收裝置28，它是根據(jù)圖1的接收裝置1的第二實施例。在供電電壓相同時，接收裝置28的共模電壓范圍超過接收裝置7的共模電壓范圍，如圖2所示。允許的共模電壓超過供電電壓。接收裝置28有差分輸出，接收裝置28包括N-MOS和P-MOS晶體管29-46，電流發(fā)生器47和電阻元件48、49。所述晶體管29-46、電流發(fā)生器47以及電阻元件以圖示方式連接。
在接收裝置28中，以電阻元件48、49代替接收裝置7中的晶體管18、20。如果輸入端INP的電壓高于輸入端INN，例如高出0.25V，則有電流被引導流過電阻元件49，而不流過電阻元件48。流經(jīng)電阻元件49的電流在電阻元件49上造成壓降，該壓降使得被連接為源隨器(source follower)的晶體管46兩端電壓降低，這使得輸出端OUTP的輸出值比輸出端PUTN的輸出值偏于正值更多一些。另一方面，如果輸入端INN的電平高于輸入端INP的電平，那么，輸出端OUTN的電平將會比輸出端OUTP偏于正值更多一些，從電路的對稱性看，這是很明顯的。
這個接收裝置被典型地實現(xiàn)于集成電路中，在不提供電阻器的電路技術中，電阻元件48、49典型地由模擬電阻器的晶體管以本質上已知的方式組成。
圖6示出了一個接收裝置50，這是根據(jù)圖1的接收裝置1的第三實施例。接收裝置50包括N-MOS和P-MOS晶體管、一個電流發(fā)生器和電壓發(fā)生器55、56、57。所述晶體管、電流發(fā)生器和電壓發(fā)生器以圖示方式連接。接收裝置7中的一些電流鏡由包含級聯(lián)結構的晶體管的電流鏡51、52、53、54替代。這些級聯(lián)結構，基本上可以從諸如瑞典專利申請?zhí)朣E 9400593-1中得知。而參考電壓由一個電壓發(fā)生器提供，例如由在電流鏡的參考電流的路徑上的一個晶體管，圖中未畫，而不是分離的電路結構提供。包含級聯(lián)結構的電流鏡對電壓的依賴程度比簡單的共極類型(common type)要小些。對電壓的依賴性在電流鏡的鏡像電流中帶來了誤差，對包含幾個串在一起的電流鏡，例如在這里示出的實施例來講，特別需要低的誤差。鏡像電流中的誤差在電流鏡串中相乘，它在共模電壓變化及供電電壓變化時，影響接收裝置的工作點。在采用某個電路技術的接收裝置中，如果使用簡單共極類型的電流鏡，那么誤差就會很大。這會帶來差的工作狀態(tài)。
圖7示出了一個接收裝置58，它是根據(jù)圖1的接收裝置1的第四實施例。接收裝置58與圖5所示的接收裝置相類似，但是按圖所示加上了晶體管59-66及其連線，連線被突出(以粗線畫出)。圖中所示的由晶體管59-66組成的電壓發(fā)生器和電流發(fā)生器工作的目的是加在第二輸入電路中將輸入端INP、INN上的電壓轉換為較低電壓，該第二輸入電路相應于前面提過的圖1中的輸入電路3。于是，接收裝置58就能在其輸入端INP、INN以遠遠高于供電電壓Vcc的共模電壓接收信號。與前面描述的實施例相比，共模電壓范圍就進一步地被改進了。供電電壓為3.3V時，接收裝置7與DPECL兼容，工作在高于4.5V，低于-0.5V的共模電壓。
由晶體管63-66增加的傳輸延時，可以采用這樣的方式來補償在第二種工作模式中通過電阻元件48、49接收比第一種工作模式更大的電流。
圖8示出了一種接收裝置67，它是根據(jù)圖1的接收裝置1的最后一種實施例。雙極型晶體管如圖中所示連接和使用。采用NPN型晶體管而不用PNP型晶體管，這是因為在特定電路技術中，與PNP型晶體管相比，NPN型晶體管表現(xiàn)出了更優(yōu)的帶寬和增益，更小的傳輸延時。
在這里的描述中，“速度”和“帶寬”指的是處理高的信息傳送速率，即高頻率信號發(fā)送的能力。這兩個構思在這里可以看作是等同的。
在隨后的權利要求中，“第一組晶體管”指的是晶體管14和15，或者是相應的元件39、41，或者是本發(fā)明的其它實施例的類似部分?！暗诙M晶體管”指的是晶體管24和25，或者是相應元件37、38，或者是本發(fā)明的其它實施例的類似部分?！柏撦d電路元件”指的是晶體管18和20，或者是電阻48和49。
很明顯，對這個技術領域的技術人員來講，示出的實施例幾乎都可以很容易地結合在新的實施例中，而不背離本發(fā)明的范圍和精神。
而且，本發(fā)明不限制于以數(shù)字形式處理信息，它還可以同樣地用于模擬信號。
簡要起見，本發(fā)明是采用輸入級4的兩個輸入電路來描述的，而本發(fā)明的原理也同樣適用于包含三個或更多個輸入電路的接收裝置。
權利要求
1．一個接收裝置，它包括一個在其接收端(INP、INN)接收差分信號的輸入級、一個驅動級和一個輸出級，該輸入級又包括并聯(lián)連接的第一輸入電路(2)和第二輸入電路(3)，第一輸入電路(2)包括直接從該接收裝置外部接收信號的第一組晶體管，第二輸入電路(3)包括直接從該接收器外部接收信號的第二組晶體管，其特征在于，所述第一組晶體管(14,15;39,40)和所述第二組晶體管(24,25;27,38)是完全相同的類型。第一組晶體管中的一個晶體管包含于第一電流鏡中，而第一組晶體管中的另一個晶體管則包含于第二電流鏡中，這樣，該接收裝置可以在寬的共模范圍作高速運作。
2．根據(jù)權利要求1的一個接收裝置，其特征在于，第一電流鏡和第二電流鏡由級聯(lián)結構的晶體管(14,16;15,17)構成，用以在接收裝置的一串電流鏡中獲得低的誤差，從而減少相乘誤差。
3．根據(jù)權利要求1或2的一個接收裝置，其特征在于，第二輸入電路(2)包括連接起來以對電流(I5)進行分流，以使得對于整個共模范圍內的輸入端(INP,INN)的共模電壓能保持通過負載電路元件(18,20;48,49)的電流總和為常數(shù)的晶體管(26,27;35,36)，從而通過該接收裝置的傳輸時延基本上獨立于共模電壓。
全文摘要
一個接收裝置包括兩個并聯(lián)連接的輸入電路,它用于接收數(shù)字信息,該信息采取在一個寬范圍共模電壓內的電子差分二進制信號形式的。輸入電路又包括采用差模輸入結構來接收信號的晶體管(14,15,16,17,24,25)。兩個輸入電路中的所述晶體管(14,15,16,17,24,25)都是完全相同的類型,從而接收裝置能處理更高的速度。所述輸入電路的第一個輸入電路可控的工作和非工作狀態(tài),進一步增強了接收裝置的速度性能。
文檔編號H03K5/01GK1206518SQ9619944
公開日1999年1月27日 申請日期1996年11月6日 優(yōu)先權日1996年11月6日
發(fā)明者M·赫堡 申請人:艾利森電話股份有限公司