专利名称：一种cmos到cml的低抖动转换电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及集成电路不同电路之间的转换电路的设计领域，尤其涉及一种 CMOS到CML的转换电^各。
背景技术：
在高速数据传输系统中，电路模块的集成程度越来越高，尺寸越来越小， 所以设计者在设计集成电路模块的时候需要综合考虑集成电路的运行速度、功 耗和噪声等各方面的影响。CMOS电路具有功耗少的优点，但其运行速度较低 并易产生较大的噪声；而CML (Current-ModeLogic,电流逻辑型)电路具有速 度高(其速度比CMOS电路的速度大十倍)、噪声低，但其功率损耗较大。在现 在的高速片上系统(System on Chip: SOC )的设计中，通过将CMOS电路和 CML电路结合卩吏用来取长补短。由于CMOS电路为单端输入输出电路，电平满 幅，而CML电路为双端输入输出电路，属于低压差分电平，故就需要在CMOS 电路和CML电路之间利用转换电路来实现CMOS电路和CML电路之间的过渡。差分电路是CMOS到CML常用的转换电路。差分电路包括差分对管，一 对负载器件，以及一偏置管。其中差分对管的每个差分管均具有三端，输入端、 连接端和输出端。以差分对管包括一对差分管，且差分管为NMOS管的CMOS 到CML的转换电路为例，请参阅
图1。该电路包括一对差分NMOS管Ml和 M2,负载器件为电阻R1和电阻R2,通常电阻R1的阻值和电阻R2的阻值相等； 偏置管为NMOS管M3，其栅极接外部偏置电压Vbias。 CMOS的输出信号V2 以及V2通过反相器1后信号V!形成一对差分信号，分别作为差分对管M2和 Ml的输入信号B和A。如图1所示的传统转换电路，请参阅图2,当差分管 Mi和M2的输入信号处于过渡阶段t时，容易出现差分对管Ml和M2的同时关闭，从而使得作为恒流源的偏置管M3中电流IM3会发生突变，产生尖峰的尾电流。该尖峰尾电流的存在进一步地影响整个转换电路的信号输出端Vol和Vo2输出的共模电压信号的稳定性，导致转换电路出现的抖动较大。美国专利US7038495公布了 一种高速低抖动CMOS到CML的时序逻辑转 换电路(Low Jitter High Speed CMOS to CML Clock Converter),其电路如图3 所示。该转换电路是对传统转换电路的改进，该电路中的差分对管包括两对差 分管M1和M2， M11和M22。以差分管均为NMOS管的为例，该转换电路中 差分管包括四个差分NMOS管Ml、 Mll、 M2、 M22。这四个差分管分成两组， 每组由两个差分管组成Ml和Mll, M2和M22。每组差分管Ml和Mll或 M2和M22中，作为差分管连接端的Ml/M2的源端和作为差分管连接端的 M11/M22的源端连接；作为差分管输出端的Ml/M2的漏端和作为差分管输出端 的M11/M22的漏端连4妻。Ml输入0度相位电压，Mll输入90度相位电压， M2输入180度相位电压，M22输入270度相位电压；Ml和M2的输入端信号 互为一对差分信号，Mll和M22的输入信号互为一对差分信号，其输入电压信 号如图4所示。在输出信号Vol/Vo2的一个变化周期内Ml、 Mll、 M2和M22 依次轮流开启。Ml与Mll之间的过渡、Mll与M2之间的过渡、M2与M22 之间的过渡和M22与Ml之间的过渡，这多个输入信号之间过渡区的存在使得在一个输出信号变化周期内，偏置管M3中电流lM3出现的尖峰尾电流的次数更多，同样导致该转换电路输出端Vol/Vo2输出的共模电压信号不稳定，出现的 抖动较大。发明内容本发明的目的在于提供一种CMOS到CML的低抖动转换电路，以解决传 统CMOS到CML转换电路以及改进型的转换电路存在的尖峰电流导致转换电 路的两个输出端输出的共模电压信号不稳定和抖动大的问题。为解决上述问题，本发明的CMOS到CML的低抖动转换电路，该转换电 路包括一差分电路，差分电路由差分对管， 一对负载器件，以及一偏置管组成。 差分对管的每个差分管均具有输入端、输出端和连接端三端。进一步地，该低 抖动转换电路还包括数个电流补偿器件，每一个差分管都对应有一个电流补偿 器件，所述电流补偿器件两端分别与所述差分管的输出端和连接端相连。当差分对管包括一对差分管时，两个差分管的输入端的输入信号互为一对差分输入信号。当这一对差分管为NMOS管，差分管的输入端为NMOS管的4册 极，差分管的输出端为NMOS管的漏极，差分管的连接端为NMOS管的源极。 对应地，电流补偿器件为两个PMOS管， 一个PMOS管与一个差分NMOS管对 应连接，PMOS管的源极和与之对应的NMOS管漏极连接，PMOS管的漏极和 与之对应的NMOS管的源极连接。该PMOS管还具有控制栅极，与PMOS管对 应连接的NMOS管的栅极为一对差分输入信号之一， 一对差分输入信号中另一 个差分输入信号与这个PMOS管的控制栅极连接。电流补偿器件还可为两个电 流补偿电阻， 一个电流补偿电阻与一个差分NMOS管对应连^t妄，电流补偿电阻 的一端和与之对应的NMOS管漏极连接，另 一端和对应的NMOS管的源极连接。当差分对管包括两对差分管，两对差分管分成两组，每组包括两个差分管。 每组中的两个差分管的连接端连接，两个差分管的输出端连接。每组的一个差 分管的输入信号和另外一组中的一个差分管的输入信号互为差分信号。当两对 差分管均为NMOS管，差分管的输入端为NMOS管的栅极，差分管的输出端为 NMOS管的漏极，差分管的连接端为NMOS管的源极。对应地，电流补偿器件 为两对PMOS管， 一个PMOS管与一个差分NMOS管对应连接，PMOS管的源 极和所述与之对应的NMOS管的漏极连接，PMOS管的漏极和与之对应的 NMOS管的源极连接。该PMOS管还具有控制栅极，与PMOS对应的NMOS 管栅极的输入信号为低抖动转换电路一对差分输入信号的一个，与该NMOS管 栅极的输入信号互为一对差分输入信号的另外一个输入信号与这个PMOS管的 控制栅极连接。电流补偿器件为两个电流补偿电阻， 一个电流补偿电阻与一组 差分NMOS管对应连接，电流补偿电阻的一端和与之对应组的两个NMOS管漏 极连接，另一端和与之对应组的两个NMOS管的源极连接。与传统CMOS到CML转换的电路以及改进型CMOS到CML转换电路相 比，本发明通过在差分管上加上电流补偿器件，当差分管的两输入信号处在过 渡区出现两差分管同时关闭时，通过电流补偿器件为偏置管的电流提供一个额 外的电流通路，避免差分管同时关闭时偏置管电流出现尖峰尾电流，从而可有 效解决尾电流带来的转换电路输出端的共模输出电压信号不稳定以及抖动大的 问题。以下结合附图和具体实施方式
对本发明的CMOS到CML低抖动转换电路 作进一步详细具体地说明。图1是传统的CMOS到CML的转换电路示意图。图2是图1中两个差分管输入信号变化以及偏置管电流变化的示意图。图3是改进型CMOS到CML的转换电路示意图。图4是图3中转换电路的输入信号和输出信号和偏置管电流变化示意图。图5是基于图1的电流补偿器件为PMOS管的低抖动转换电路示意图。图6是基于图1的电流补偿器件为电阻的低抖动转换电路示意图。图7是基于图3的电流补偿器件为PMOS管的低抖动转换电路示意图。图8是基于图3的电流补偿器件为电阻的低抖动转换电路示意图。图9是图1和图5进行仿真时的两个输入信号波形示意图。图IO是图1所示转换电路仿真的输出端波形示意图。图11是图1所示转换电路仿真的尖峰尾电流示意图。图12是图5所示转换电路仿真的输出端波形示意图。图13是图5所示转换电路仿真的尖峰尾电流示意图。图14是图6所示转换电路仿真的尖峰尾电流示意图。
具体实施方式
请参阅图l和图2，分别是传统的CMOS到CML的转换电路和改进型CMOS 到CML的转换电路。由此可看出CMOS到CML的转换电路均是以差分电路为 基础的。差分电路的组成在上述部分已经有详细介绍，因此在这不在赘述。本 发明的基于图1转换电路的CMOS到CML的低抖动转换电路，请参阅图5。图 1中所示转换电路中差分对管只包括一对差分管Ml和M2，差分管Ml和差分 管M2的输入端的输入信号互为一对差分输入信号，Ml和M2的两个输出端作 为该低抖动转换电路的输出端Vol和Vo2。差分管Ml和M2均为NMOS管。 差分管的连接端为Ml/M2的源极；差分管的输出端为Ml/M2的漏极；差分管 的输入端为Ml/M2的栅极。基于图l转换电路的本发明低抖动转换电路请参阅图5，以电流补偿器件为PMOS管为例，本发明低抖动转换电路还包括与差分管数目相同的电流补偿管 PM1和PM2。每个电流补偿管PM1/PM2与一个差分管Ml/M2对应连接。电流 补偿管PM1/PM2的源才及和与之对应的差分管Ml/M2作为输出端的漏极连接， 电流补偿管PM1/PM2的漏极和与之对应的差分管Ml/M2作为连接端的源极连 接。电流补偿管PM1/PM2还包括控制栅极，与PM1/PM2对应连接的差分管 Ml/M2作为输入端的栅极的输入信号为低抖动转换电路一对差分输入信号Vj 和V2之一 V!/V2，另 一个输入信号V2/V,与电流补偿管PM1/PM2的控制栅极连 接。两个差分MOS管Ml和M2的输出端作为该低抖动转换电路的两个输出端 Vol和Vo2。同样图5中电流补偿器件PMOS管可采用电流补偿电阻，请参阅图6。基 于图1的差分对管只包括一对差分管M1和M2，电流补偿电阻包括一对电流补 偿电阻RM1和RM2。每一个补偿电阻RM1/RM2与一个差分管Ml/M2对应连 接，电流补偿电阻RM1的一端与作为输出端的差分MOS管Ml/M2的漏极连接， 另一端与作为连接端的差分MOS管Ml/M2的源极连接。若以图2中改进型CMOS到CML转换电路为例，该转换电路中差分对管 包括两对差分管M1和M2， M11和M22。两对差分管分成两组，每组包括两 个差分管，Ml和Mil —组，M2和M22 —组。每组中的两个差分管Ml和Mil 或者M2和M22的连接端连接，两个差分管Ml和Mil或者M2和M22的输出 端连接。每组的一个差分管的输入信号M1/M11和另外一组中的一个差分管 M2/M22的输入信号互为差分信号。这四个差分管M1、 Mll、 M2和M22均为 NMOS管。同样，这四个差分管，每个差分管的输入端为NMOS管的栅极，每 个差分管的输出端为NMOS管的漏极，每个差分管的连接端为NMOS管的源极。 请参阅图7,本发明的低抖动转换电路的电流补偿器件以PMOS管为例。基于 图2中四个差分管，对应图7中采用了四个用于电流补偿的PMOS管PM1、 PMll、 PM2和PM22。 PM1管的源极和与之对应的NMOS管Ml的漏极连接， PM1管的漏极和与之对应的NMOS管Ml的源极连接。类似地，PM2管的源极 和与之对应的NMOS管M2的漏极连接，PM2管的漏极和与之对应的NMOS 管M2的源极连接。PM11和Ml 1以及PM22和M22的连接关系与PM1和Ml 或者PM2和M2的连接关系 一样。同时作为电流补偿的PMOS管还具有控制栅极，以PMl为例，与PMl对应连接的Ml的输入信号为一对差分输入信号V0 和V180中的V0，而另一个差分输入信号V180与PMl管的控制柵极连接。类 似地，与PM2对应连接的M2的输入信号为 一对差分，lT入信号VO和V180中的 输入信号V180，另一个差分输入信号VO与PM2管的控制栅极连接。类似地， 与PM11对应连接的Mil的输入信号为一对差分输入信号V90和V270中的输 入信号V90，另 一个输入信号V270与PM11管的控制栅极连接。类似地，与PM22 对应连接的M22的输入信号为一对差分输入信号V90和V270中的输入信号 V270,另 一个输入信号V90与PM22管的控制栅极连接。
同样图7中的电流补偿器件PMOS管可采用电流补偿电阻替代，请参阅图 8。如图8所示的转换电路包括两个电流补偿电阻， 一个电流补偿电阻与一组差 分管对应连接，例如电流补偿电阻RM1和RM2分别与差分管组Ml和Mll， 差分管组M2和M22连接。电流补偿电阻RM1 —端同时与差分MOS管Ml和 Mll作为连接端的源极连接，另一端同时与差分MOS管Ml和Mll作为输出 端的漏极连接；同理，电流补偿电阻RM2—端同时与差分MOS管M2和M22 作为连接端的源极连接，另一端同时与差分MOS管M2和M22作为输出端的 漏极连接。
由于图5和图7所示的本发明的低抖动转换电i 各的工作原理一样，因此以 图5所示电路的工作原理为例进行进一步地说明。当差分输入信号Vi和V2处于 变化的过度区而出现两个差分管Ml和M2同时关闭时，电流补偿管PMl或PM2 为作为恒流源的偏置管而提供一额外的电流通路。例如取过渡区V!和V2的电 压信号(a) V产V2〈Vc+Vth，其中Vth为Ml/M2的阈值电压，差分管Ml和M2 同时关闭，PMl和PM2的开启程度一致，那么流经电流补偿管PM1和PM2的 电流相等，都等于流经偏置管M3电流IM3的一半；(b) V^V-Vc+Vth，同样差 分管M1和M2同时关闭，PM2的开启程度小于PM1，流经PM2的电流IpM2小 于Ipmp这样使得输出端Vo2输出的电压信号大于Vol输出的电压信号，这样 加速了输出端Vo2和Vol之间逻辑电平的转换；(c) V2< Ve+Vth〈Vp此时差分 管M1和对应的电流补偿器件PM1开启；同时，PM2关闭，差分管M2关闭， 这时输出端Vo2输出电压信号直接为电源电压VDD，流经电阻R,的电流Iiu直 接等于流经偏置管M3的电流Iw,从而使得输出端Vol为逻辑低电平。这样电
9流补偿管PM1和PM2不但在差分输入信号相互过渡的区间中提供了额外的电流 通路，同时作为开关管加速了输出端Vo 1和Vo 2输出的逻辑电平之间的切换。
图6和图8所示的转换电路的工作原理一致，因此以图6进行说明，当输 入的两差分信号处于相互过渡，差分管Ml和M2出现同时关闭时，与差分管 Ml和M2分别对应的电流补偿电阻始终为偏置管M3中电流IM3提供电流支路， 因此同样可达到避免偏置管M3中电流IM3出现尖峰尾电流的目的。同样在图8 中，由于每组中的两个差分管的两个连接端连接在一起，两个差分管的输出端 连接在一起，因此每组的差分管同时用一个电流补偿电阻就可为偏置管M3中电 流Ijvo提供电流支路。当M1或M11任意一个关闭时，电流补偿电阻RM1都可 为偏置管M3中电流IM3提供电流支路；同理，当M2或M22任意一个关闭时， 电流补偿电阻RM2都可为偏置管M3中电流IM3提供电流支路。
图1和图5所示的转换电路分別进行仿真，两电路的两个输入信号如图9 所示。图9纵坐标为输入电压信号幅度，单位为伏特(V);横坐标为时间，单 位为秒(S);实线是输入信号V,,虚线是输入信号V2。图l所示转换电路仿真 出的输出端Vol和Vo2输出电压信号波形如图IO所示，点划线为输出端Vol的 输出波形，虛线为输出端Vo2的输出波形。图1所示在信号V,和V2相互之间 的过渡区存在的尖峰尾电流如图ll所示，横坐标为秒(S)，纵坐标为安培(A)。 图5所示的转换电路在图9所示的输入信号下，仿真出的输出端电压信号波形 如图12所示，尖峰尾电流如图13所示。对比图10和图12可看出图12不存在 图10中的小尖峰2对比图11和图13的尖峰尾电流示意图，可看出图13中尖 峰尾电流要平滑很多。
通过分析和仿真波形图可看出如图5所示的本发明的CMOS到CML的低 抖动转换电路相对传统的转换电路，以差分对管为NMOS管为例，通过作为电 流补偿的PMOS管可在两个差分NMOS管同时关闭时为作为恒流源的偏置管提 供额外的电流通道。在相同的输入信号条件下，对图6所示电路进行仿真，仿 真结果的尖峰尾电流请参阅图14，同样横坐标为时间S,纵坐标为电流A;对 比图14和图11可看出采用电流补偿电阻同样可达到为恒流源提供额外电流通 路，减小尖峰尾电流的目的。采用其他类似的电流补偿器件，例如阈值电压为 零的NMOS管均可达到本发明的目的。由于差分电路的形式变化较多，针对不同类型的差分转换电路可釆用相应的电流补偿器件对转换电路中的恒流源进行
电流补偿，例如当差分对管为PMOS管时，电流补偿器件可为NMOS管或PMOS 管等。因此本发明的转换电路中的电流补偿器件并不局限于实施例中列举的 PMOS管和电流补偿电阻。当转换电路中差分对管为NMOS管时，优选实施例 是以PMOS作为电流补偿器件，原因是PMOS管不仅能为转换电路中恒流源提 供额外电流支路，同时能加速转换电路两个输出端之间逻辑电平的转换。本发 明的低抖动转换电路通过在差分对管上加上电流补偿器件，可有效解决当两个 输入信号处于过渡期时差分对管的同时关闭导致的恒流源M3中电流出现的尖 峰尾电流问题，进一步解决因尖峰尾电流的存在导致输出端共模输出信号不稳 定及抖动大的问题。
权利要求
1、一种CMOS到CML的低抖动转换电路，所述转换电路包括一差分电路，所述差分电路由差分对管，一对负载器件，以及一偏置管组成，所述差分对管的每个差分管均具有输入端、输出端和连接端三端，其特征在于，它还包括数个电流补偿器件，每一个差分管都对应有一个电流补偿器件，所述电流补偿器件两端分别与所述差分管的输出端和连接端相连。
2、 如权利要求l所述的CMOS到CML的低抖动转换电路，其特征在于，所述 差分对管包括一对差分管，所述两个差分管的输入端的输入信号互为一对差分 输入信号。
3、 如权利要求2所迷的CMOS到CML的低抖动转换电路，其特征在于，所述 一对差分管为NMOS管，所述差分管的输入端为NMOS管的栅极，所述差分管 的输出端为NMOS管的漏极，所述差分管的连接端为NMOS管的源极。
4、 如权利要求3所述的CMOS到CML的低抖动转换电路，其特征在于，所述 电流补偿器件为两个PMOS管， 一个PMOS管与一个差分NMOS管对应连接， 所述PMOS管的源极和所述与之对应的NMOS管漏极连接，所述PMOS管的漏 极和所述与之对应的NMOS管的源极连接。
5、 如权利要求4所述的CMOS到CML的低抖动转换电路，其特征在于，所述 PMOS管还具有控制栅极，与所述PMOS管对应连接的NMOS管的栅极为所述 一对差分输入信号之一，所述一对差分输入信号中另一个差分输入信号与所述 PMOS管的控制栅极连接。
6、 如权利要求3所述的CMOS到CML的低抖动转换电路，其特征在于，所述 电流补偿器件为两个电流补偿电阻， 一个电流补偿电阻与一个差分NMOS管对 应连接，所述电流补偿电阻的一端和所述与之对应的NMOS管漏极连接，另一 端和所述对应的NMOS管的源极连接。
7、 如权利要求1所述的CMOS到CML的低抖动转换电路，其特征在于，所述 差分对管包括两对差分管，所述两对差分管分成两组，每组包括两个差分管； 所述每组中的两个差分管的连接端连接，两个差分管的输出端连接；所述每组 的一个差分管的输入信号和另外一组中的一个差分管的输入信号互为差分信号。
8、 如权利要求7所述的CMOS到CML的低抖动转换电路，其特征在于，所述 两对差分管均为NMOS管，所述差分管的输入端为NMOS管的栅极，所述差分 管的输出端为NMOS管的漏极，所述差分管的连接端为NMOS管的源极。
9、 如权利要求8所述的CMOS到CML的低抖动转换电路，其特征在于，所述 电流补偿器件为两对PMOS管， 一个PMOS管与一个差分NMOS管对应连接， 所述PMOS管的源极和所述与之对应的NMOS管的漏极连接，所述PMOS管的 漏极和所述与之对应的NMOS管的源极连接。
10、 如权利要求9所述的CMOS到CML的低抖动转换电路，其特征在于，所 述PMOS管还具有控制栅极，与所述PMOS对应的NMOS管栅极的输入信号为 所述低抖动转换电路一对差分输入信号的一个，与所述NMOS管栅极的输入信 号互为一对差分输入信号的另外一个输入信号与所述PMOS管的控制栅极连 接。
11、 如权利要求8所述的CMOS到CML的低抖动转换电路，其特征在于，所 述电流补偿器件为两个电流补偿电阻， 一个电流补偿电阻与一组差分NMOS管 对应连接，所述电流补偿电阻的一端和所述与之对应组的两个NMOS管漏极连 接，另一端和与之对应组的两个NMOS管的源极连接。
全文摘要
本发明提供了一种CMOS到CML的低抖动转换电路，该转换电路包括一差分电路，差分电路由差分对管，一对负载器件，以及一偏置管组成，差分对管的每个差分管均具有输入端、输出端和连接端三端。它还包括数个电流补偿器件，每一个差分管都对应有一个电流补偿器件，电流补偿器件两端分别与差分管的输出端和连接端相连。电流补偿器件可为电阻，对应于差分对管为NMOS管，电流补偿器件可为PMOS管。通过该电流补偿器件可为差分管同时关闭时作为恒流源的偏置管中电流提供额外的电流支路，避免恒流源电流的尖峰尾电流的出现，从而解决尖峰尾电流导致的转换电路共模输出电压不稳定以及输出信号抖动大的问题。
文档编号H03K19/0185GK101515800SQ20081003381
公开日2009年8月26日 申请日期2008年2月22日 优先权日2008年2月22日
发明者皓 刘, 喻骞宇, 杨家奇 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司