用于多电平信令的三输入连续时间放大器和均衡器的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年3月5日提交的美国专利申请no.15/912,170的权益和优先权，该美国专利申请no.15/912,170要求于2017年6月9日提交的美国临时申请no.62/517,760和于2017年6月9日提交的美国临时申请no.62/517,782的权益和优先权，所有这些申请通过引用整体并入本文。

本申请涉及多电平信令，并且更具体地涉及用于多电平信令的三输入连续时间放大器和均衡器。

背景技术：

多位字的慢速传输通常发生在多导线总线之上。例如，可以在具有八根导线的总线之上传输八位字，每个位一根导线。但是在这样的常规总线中，每个位都独立于其余位进行传播。随着数据速率的增加，这种并行数据传输变得有问题，因为当字在总线之上传播时，字中的各个位会变得彼此偏斜。

考虑到高速通信中多个位之间的偏斜问题，已经开发了各种串行器/解串器(serdes)系统。serdes发送器将多位字串行化为对应的位的串行流，以用于传输到接收器。然后，由于单个传输线(可能是差分的)被用于串行数据流，因此相邻位之间可能不会出现并行传输中出现的偏斜。serdes接收器将接收的串行位流并行化为原始字。然而，当数据传输速率超过(例如)10ghz时，传输线和接收器负载将失真引入串行数据流中。然后，串行数据流中的相邻位开始相互干扰。复杂的均衡方案对于对抗产生的符号间干扰变得必要，因此变得难以将serdes数据传输速率推得更高。

为了提高数据传输速率超过serdes限制，已经开发了一种三电平信令协议，其中三个发送器驱动三个单独的传输线。该三个发送器可以是电压模式或电流模式的发送器。由于净电流必须为零，因此在三电平信令系统中所有三个发送器都不能是有源的(发送或接收电流)。类似地，必须存在注入和接收的电流，因此对于任何给定的符号，所有三个发送器都不能是无源的。因此，这意味着三个发送器中的两个发送器针对每个符号将是有源的，其中一个发起电流并且另一个接收电流。在三个发送器的集合之中，存在可以是有源的三对不同的发送器。在每一对发送器内有两种可能性，其取决于哪一个发送器正在发起以及哪一个发送器正在接收。因此，在三发送器的多电平系统中，存在两个有源发送器的六种不同组合，每个有源发送器发起或接收给定量的电流。有源发送器的每个不同组合可以被表示为符号。由于存在六个可能的符号，所以每个发送的符号代表2.5位。以这种方式，尽管以增加的功耗为代价，但是数据传输速度可以比使用单个信道以相同符号速率的二进制传输快两倍以上。

三个发送的信号可以分别地被指定为信号a、b和c。这些信号的二进制值取决于多个因素，诸如电源电压和终端电阻。在以下示例中，假定二进制高电压为300mv，而假定二进制低电压为100mv。剩余信号电压将近似地为二进制高电压的一半(在该示例中为200mv)。然而，将意识到，这些电压值仅是示例性的，并且在备选的实施方式中可以改变。通常使用三个高速接收器均衡器接收三个发送的信号。然而，由于传播损耗，接收的信号的幅度可能太低而无法有效地进行均衡。因此，在均衡之前通常还增大接收的信号的幅度的。放大之前的三个接收的信号可以被指定为信号a、b和c。接收的信号a将因此被放大以形成放大的(也可以被指定为电平移位的)信号ao。类似地，接收的信号b将被放大以形成放大的信号bo，并且接收的信号c将被放大以形成放大的信号co。

通常使用如图1a所示的三个高速接收器放大器执行放大。第一接收器放大器100包括pmos晶体管p1和p2的差分对。接收的信号a驱动晶体管p1的栅极，而接收的信号b驱动晶体管p2的栅极。晶体管p1和p2的漏极通过相应的电阻器r耦合到接地。晶体管p1的漏极驱动输出信号ao。类似地，晶体管p2的漏极驱动输出信号bo。i的电流源驱动晶体管p1和p2的源极。

第二接收器放大器105与接收器100类似，它包括pmos晶体管p3和p4的差分对。接收的信号b驱动晶体管p3的栅极，而接收的信号c驱动晶体管p4的栅极。如关于接收器放大器100所讨论的，布置电阻器r和提供电流i的电流源。晶体管p3的漏极驱动输出信号bo。类似地，晶体管p4的漏极驱动输出信号co。

第三接收器110也类似于接收器100，它包括pmos晶体管p5和p6的差分对。接收的信号c驱动晶体管p5的栅极，而接收的信号a驱动晶体管p6的栅极。如关于接收器放大器100所讨论的，布置电阻器r和提供电流i的电流源。晶体管p5的漏极驱动输出信号co。类似地，晶体管p6的漏极驱动输出信号ao。

三个所得的接收器放大器100、105和110因此消耗3*i的总电流。在使用附加的通道(每个通道对应于它自己的三个信号a、b和c)时，这种电流消耗会加剧。此外，差分对晶体管之间不可避免的失配加剧了位错率。另外，针对每三个信号使用三个差分接收器放大器要求大量的裸片空间，因此，在本领域中需要用于多电平信令系统的具有增加的密度、减小的功耗和减小的布局失配的接收器放大器。

然后，可以在如图1b所示的接收器均衡器中均衡放大的信号ao、bo和co。第一接收器均衡器115包括pmos晶体管p7和p9的差分对。放大的信号ao驱动晶体管p7的栅极，而放大的信号bo驱动晶体管p8的栅极。晶体管p7和p8的漏极通过相应的电阻器r0耦合到接地。晶体管p7的漏极驱动输出信号ao’。类似地，晶体管p8的漏极驱动输出信号bo’。电流i的电流源驱动晶体管p7的源极。类似地，电流i的另一个电流源驱动晶体管p8的源极。为了强调高频增益，通过电容器cs使晶体管p7和p8的公共源极退化，电容器cs与电阻器rs并联耦合在晶体管p7和p8的源极之间。

第二接收器均衡器120类似于接收器均衡器115，它包括pmos晶体管p9和p10的差分对。放大的信号bo驱动晶体管p9的栅极，而放大的信号co驱动晶体管p10的栅极。如关于接收器均衡器115所讨论的，布置电阻器r0、电容器cs、电阻器rs以及每个都提供电流i的一对电流源。晶体管p9的漏极驱动输出信号bo’。类似地，晶体管p10的漏极驱动输出信号co’。

第三接收器均衡器125也类似于接收器均衡器115，它包括pmos晶体管p11和p12的差分对。放大的信号co驱动晶体管p11的栅极，而放大的信号ao驱动晶体管p12的栅极。如关于接收器均衡器115所讨论的，布置电阻器r0、电容器cs、电阻器rs以及每个都提供电流i的一对电流源。晶体管p11的漏极驱动输出信号co’。类似地，晶体管p12的漏极驱动输出信号ao’。

三个所得的接收器均衡器115、120和125因此消耗6*i的总电流。在使用附加的通道(每个通道对应于它自己的三个信号a、b和c)时，这种电流消耗会加剧。此外，差分对晶体管之间不可避免的失配加剧了位错率。另外，针对没三个信号的三个差分接收器均衡器的使用要求大量的裸片空间。因此，在本领域中需要用于多电平信令系统的具有增加的密度、减小的功耗和减小的布局失配的均衡器。

技术实现要素：

接收器放大器被提供用于三电平信令系统。接收器放大器包括三个匹配的晶体管。以下讨论将假定三个晶体管是pmos晶体管，但是将理解，如下文进一步描述的，在备选的实施方式中可以使用nmos晶体管来构造等效的接收器。电流源驱动三个晶体管的源极。三个晶体管与三个接收的信号一对一地对应，使得每个接收的信号驱动对应的晶体管的栅极。三个电阻器也与晶体管一对一地对应，使得每个晶体管的漏极通过对应的电阻器连接到(针对pmos实施方式)接地。

在接收器放大器中的每个晶体管的漏极产生对应的输出信号。可以看出，如果电流源供应电流i的1.5倍的电流，则接收放大器在三个输出信号中产生的输出电压摆幅与由前面讨论的常规的接收器放大器100、105和110产生的输出电压摆幅相同。因此，接收器放大器仅使用常规电流消耗3*i的一半。另外，与常规方法相比，在所公开的接收器放大器中仅使用一半数目的晶体管和电阻器，从而提高了密度。此外，用于接收器放大器的器件的数目的减少也减少了布局不匹配的不利影响。

针对三电平信令系统还公开了提供用于均衡放大的接收信号的三输入均衡器。在备选的实施方式中，可以对接收的信号进行均衡，而无需任何先前的放大。均衡器包括三个匹配的晶体管。以下讨论将假定三个晶体管是pmos晶体管，但是应当理解，在备选的实施方式中，可以使用nmos晶体管来构造等效的接收器。三个电流源一对一地驱动三个晶体管的源极。另外，三个晶体管与三个放大的信号一对一地对应，使得每个放大的信号驱动对应的晶体管的栅极。三个电阻器也与晶体管一对一地对应，使得针对每个晶体管的漏极通过对应的电阻器连接到(针对pmos实施方式)接地。

每个晶体管的漏极产生对应的输出信号。给定该核心结构，可以在至少两个备选的实施方式中执行均衡。在第一实施方式中，均衡电容器和电阻器的三个并联组合对应于针对三个晶体管的三个可能的晶体管对。均衡电容器和电阻器的每个并联组合在本文中被称为“均衡对”。特别地，第一均衡对并联连接在三个晶体管中的第一晶体管的源极与三个晶体管中的第二晶体管的源极之间。类似地，第二均衡对并联连接在第二晶体管的源极与晶体管中的剩余的第三晶体管的源极之间。最后，第三均衡对连接在第一晶体管的源极与第三晶体管的源极之间。可以看出，如果每个电流源供应相同的电流i、每个均衡电容器的电容是cs电容的1/1.5倍、并且每个均衡电阻器的电阻是rs电阻的1.5倍，则第一实施方式的均衡器会产生与由前面讨论的单独的常规均衡器115、120和125相同的用于三个输出信号的输出电压摆幅和均衡增益。

在第二均衡器实施方式中，用于三个均衡对的第一端子一对一地连接到三个晶体管的源极。针对三个均衡对中的每个均衡对的剩余端子连接到公共节点。可以看出，如果每个电流源供应相同的电流i、每个均衡电容器的电容为cs电容的两倍、并且每个均衡电阻器的电阻为rs电阻的一半，则第二实施方式的均衡器会产生与由前面讨论的单独的常规均衡器115、120和125相同的用于三个输出信号的输出电压摆幅和均衡增益。

因此，公开的均衡器均使用常规电流消耗6*i的仅一半。另外，与常规方法相比，每个公开的均衡器使用仅一半数目的晶体管，从而提高了密度。而且，用于公开的均衡器的器件的数目的减少也减少了布局不匹配的不利影响。通过考虑以下示例实施方式，可以更好地理解这些有利的特征。

附图说明

图1a是用于三电平信令系统的常规多电平接收器放大器的图。

图1b是用于三电平信令系统的常规多电平接收器均衡器的图。

图2是根据本公开的一个方面的用于三电平信令系统的接收器放大器的图。

图3是根据本公开的一个方面的用于接收器放大器的操作的示例方法的流程图。

图4a是根据本公开的一个方面的用于三电平信令系统的接收器均衡器的图。

图4b是根据本公开的一个方面的用于三电平信令系统的接收器均衡器的图。

图5是根据本公开的一个方面的用于接收器均衡器的操作的示例方法的流程图。

具体实施方式

本文公开了用于三电平信令系统的接收器放大器，以及用于均衡由接收器放大器放大的放大信号的接收器均衡器。将理解的是，接收器放大器的使用是可选的，在一些实施方式中，接收的信号可以具有足够的幅度，使得接收器均衡器可以继续均衡接收的信号而无需任何先前的放大。首先将描述接收器放大器，然后描述接收器均衡器。如本文所使用的，术语“三电平信令”表示三个信号的传输，其中三个信号中的仅一个信号具有二进制高电压(例如，电源电压vdd的一部分，诸如300mv)，并且其中三个信号中的另一个信号是二进制低电压(例如，100mv)。三个信号中的剩余的一个信号以大于二进制低电压且小于二进制高电压的中等电压传输。中等电压等于二进制高电压的一半是很方便的，但是应该理解，中等电压仅需要足够高于二进制低电压并且足够低于二进制高电压，以便可靠地区分。如三电平信令领域中已知的，至少两个信号必须随着每次符号传输而改变状态。例如，二进制高信号可能会转换到中等电压，而中等信号会转换到二进制高电压。

图2示出了用于三电平信令系统的示例接收器放大器200。每个多电平输入信号在对应的晶体管的栅极处被接收。以下讨论将针对pmos实施方式，但是将理解，可以如下面进一步讨论的那样构造nmos实施方式。在接收器放大器200中，信号a驱动pmos晶体管p13的栅极。类似地，信号b驱动pmos晶体管p14的栅极。最后，信号c驱动pmos晶体管p15的栅极。晶体管p13、p14和p15的源极耦合到电流源205的输出，电流源205连接在晶体管源极与用于电源电压vdd的电源节点之间。这些晶体管的每个晶体管的漏极通过对应的电阻器r耦合到接地。此外，晶体管p13的漏极产生放大的信号ao。类似地，晶体管p14的漏极产生放大的信号bo，而晶体管p15的漏极产生放大的信号co。

可以看出，如果电流源205产生的电流是由常规接收器电流源产生的电流i的1.5倍，则放大的信号ao、bo和co具有与由常规的接收器100、105和110产生的输出幅度摆幅相同的输出幅度摆幅。由于接收器放大器100、105和110均具有值i的电流源，因此接收器放大器200仅消耗由常规的接收器放大器架构消耗的电流的一半的电流(假定晶体管p13至p15与晶体管p1至p6匹配，并且电阻器r都具有相同的电阻，以将针对放大的信号ao、bo和co提供相同的输出幅度)。

接收器放大器200的操作可以通过其对示例三电平信令的响应来展示，其中信号a为逻辑1、信号b为逻辑0，并且信号c处于中等电压。为了节省功率，通常生成信号a、b和c作为低摆幅信号，低摆幅信号不超过电源电压的一小部分以减少功耗。在这样减少的电压处，即使二进制高值也不会完全关闭对应的晶体管。响应于针对信号a的逻辑1值，晶体管p13将弱导通，而晶体管p14将响应于针对信号b的逻辑0值而更强地导通。响应于针对信号c的中等电压，晶体管p15将被导通到介于晶体管p13的弱导通状态与晶体管p14的更强地导通状态之间的程度。如本文定义的，被导通到介于弱导通状态与更强地导通状态之间的程度的晶体管(诸如，晶体管p15)被称为“部分地导通”。因此，来自电流源205的1.5*i电流将主要地流经晶体管p14，因为它会被强力地导通，而较小的部分电流会由于晶体管p15部分地导通而流经晶体管p15，并且甚至更小的部分电流会由于晶体管p13弱导通而流经晶体管p13。然后，放大的信号ao将几乎接地，而针对放大的信号bo的电压将比针对放大的信号co的电压大(例如，两倍)。在随后的接收符号中，信号a、b和c中的至少两个信号必须改变状态。但是，无论哪个信号为高，哪个信号为低，以及哪个信号为中等，都应当容易理解，期望的输出信号电压将具有期望的三电平行为，使得一个信号为高、一个信号为中等并且一个信号为低(都取决于接收信号a、b和c中的对应的一个接收信号的电压)。

现在将参考图3的流程图讨论用于接收器放大器的操作方法。该方法开始于将电流驱动到由第一晶体管、第二晶体管和第三晶体管共享的节点中的动作300。动作300的一个示例是电流源205将1.5*i电流驱动到晶体管p13、p14和p15的源极节点中。该方法还包括当电流被驱动到共享节点中时全部执行的动作305、310和315。动作305包括响应于第一输入信号而弱导通第一晶体管，以在第一晶体管的端子处产生低输出电压。动作305的一个示例是响应于具有二进制高值的输入信号a而使晶体管p13的漏极几乎接地。此外，方法包括动作310，动作310为响应于第二输入信号导通第二晶体管，以通过使电流的第一部分传导经过第二晶体管而在第二晶体管的端子处产生高输出电压。动作310的一个示例是响应于用于输入信号b的二级制零值而使晶体管p14导通。最后，方法包括动作315，动作315为响应于第三输入信号而部分地导通第三晶体管，以通过使电流的第三部分传导经过第三晶体管而在第三晶体管的端子处产生中等输出电压，其中第三部分大于第一部分，第二部分大于第三部分，高电压大于中等电压，并且中等电压大于低电压。动作315的一个示例是响应于用于输入信号c的中间电平值而部分地导通晶体管p15。

现在将讨论用于均衡放大的信号ao、bo和co的均衡器。如果接收的信号a、b和c具有足够的幅度，则可以对接收的信号a、b和c执行这样的均衡，使得在备选的实施方式中不需要放大。图4a中示出了用于第一均衡器实施方式的示例三输入接收器均衡器200。每个放大的多电平信号在对应的pmos晶体管的栅极处被接收(注意，可以如下面进一步讨论的那样构造nmos实施方式)。在接收器均衡器200中，放大的信号ao驱动晶体管p16的栅极。类似地，放大的信号bo驱动晶体管p17的栅极。最后，放大的信号c驱动晶体管p18的栅极。电流源405将电流i驱动到晶体管p16的源极中。类似地布置用于晶体管p17的电流源410和用于晶体管p18的电流源415。每个电流源405、410和415连接在其对应的晶体管的源极与用于提供电源电压vdd的电源轨之间。每个晶体管的漏极通过对应的电阻器r耦合到接地。此外，晶体管p16的漏极产生输出信号ao’。类似地，晶体管p17的漏极产生输出信号bo’，而晶体管p18的漏极产生输出信号co’。

电容器和电阻器的均衡对被耦合在来自晶体管p16、p17和p18的每对晶体管之间。由于存在三个晶体管的三个这样的配对，所以存在三个均衡对。具体地，具有电容器cs(图1)的1/1.5电容的电容器cs/1.5和具有电阻rs的1.5倍的电阻器rs*1.5的第一均衡对连接在晶体管p16和p17的源极之间。类似地，具有电容器cs/1.5和电阻器1.5*rs的另一均衡对连接在晶体管p17和p18的源极之间。最后，具有电容器cs/1.5和电阻器1.5*rs的另一均衡对连接在晶体管p16和p18的源极之间。

在均衡对电容为cs/1.5并且均衡对电阻为1.5*rs的情况下，可以看出输出信号ao’、bo’和co’具有与由常规均衡器115、120和125针对相同的输入信号幅度、电流i和电源电压产生的输出幅度摆幅和均衡增益相同的输出幅度摆幅和均衡增益。由于均衡器115、120和125均均衡器具有值为i的两个电流源，而均衡器400仅包括三个这样的电流源，因此均衡器400仅消耗由常规的均衡器架构消耗的电流的一半的电流(假设晶体管p16至p18与晶体管p7至p12匹配，以针对输出信号ao’、bo’和co’提供相同的输出幅度)。

在图2b中示出了根据第二均衡器实施方式的均衡器450。如关于均衡器400所讨论的，布置晶体管p16、p17和p18以及电流源405、410和415。存在电容器2cs和电阻器rs/2的三个均衡对。每个电容器2cs具有两倍于电容cs的电容。类似地，每个电阻器rs/2具有电阻rs一半的电阻。每个均衡对具有连接到公共节点455的端子。特别地，第一均衡对连接在晶体管p16的源极与公共节点455之间。类似地，第二均衡对连接在晶体管p17的源极与公共节点455之间。最后，第三均衡对连接在晶体管p18的源极与公共节点455之间。可以看出，均衡器450产生与均衡器115、120和125相同的输出摆幅。但是，与均衡器400一样，均衡器450仅消耗一半的电流(3i而不是6i)。

现在将参考图5的流程图讨论用于接收器均衡器的操作的方法。该方法包括响应于第一输入信号而弱导通第一晶体管以在第一晶体管的第一端子处产生低输出电压的动作500。动作500的一个示例是响应于具有二进制高值的放大的信号ao而在晶体管p16的漏极处产生低输出电压。此外，方法包括响应于第二输入信号而导通第二晶体管以在第二晶体管的第一端子处产生高输出电压的动作505。动作505的一个示例是响应于针对放大的信号bo的二进制零值而导通晶体管p17。此外，方法包括响应于第三输入信号而部分地导通第三晶体管以在第三晶体管的端子处产生中等输出电压的动作510，其中高输出电压大于中等电压，并且中等电压大于低电压。动作510的一个示例是响应于放大的信号co的中电平值而部分地导通晶体管p18。最后，方法包括动作515，动作515为通过将电荷从第一晶体管的第二端子经过电容器和电阻器的第一均衡对传导到第二晶体管的第二端子，相对于高输出电压与低输出电压之间的差来提高高频增益。动作515的一个示例是在第一实施方式(均衡器400)或第二实施方式(均衡器450)中连接到晶体管p16的源极的均衡对的操作。

尽管在先前实施方式中的晶体管都是pmos晶体管，但应理解，可以构造等效的nmos实施方式。例如，在图2、4a和4b的每个图中，各种pmos晶体管可以被nmos晶体管代替。这些图中显示为接地的将成为nmos实施方式的电源节点，而显示为电源节点的将成为nmos实施方式的接地。因此，用于nmos实施方式的电流源将电流供应到接地中，而不是供应到其对应的晶体管的源极中。因此，将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对本公开的器件的材料、设备、构造和使用方法进行许多修改、替代和变化。鉴于此，因为它们仅是通过其一些示例的方式，所以本公开的范围不应该限于这里示出和描述的特定实施方式的范围，而是应该与所附权利要求及其功能等效物范围完全相称。