专利名称：差分线路驱动器的制作方法
背景技术：
本发明涉及一种CMOS差分线路驱动器，具体地，是用于驱动一个包括一铜双绞线的线路，并具有一个包括两个输入端子和包括两个输出端子的差分模拟输出端。这主要是为用于诸如高速互联网接入的高速应用的铜双绞线的使用考虑的。
图1中原理性地显示了一个传统类型的完全差分线路驱动器。电能经变压器2馈入铜双绞线1。为了获得阻抗匹配，铜双绞线的变换阻抗必须与端口电阻Rt相匹配。
在Khorramabadi的发表在IEEE J.Solid-State Circuits,Vol.27 No.4,(1992)第539页的论文中给出了一个实施例的完整描述。在Johns和Essig的发表于IEEE J.Solid-State Circuits,Vol.32 No.3,(1997)第398页的论文“用于在双绞线信道上传输数据的集成电路”中指出了线路驱动器所具有的一般问题。
这种已知结构具有几个缺点。该线路驱动器必须具有低输出阻抗和高共模抑制，因为在铜线中的非常高的电压经寄生电容以共模信号的形式耦合回去。在线路驱动器的输出阻抗中的依赖于输入的变换还必须非常小以具有低失真。因此，在线路驱动器中需要有效的反馈。在线路驱动器中的不适当补偿可导致低信号带宽和/或不稳定性。
为了分配号功率给线路驱动器，通常需要一个高的供电电压。
一个正视类型的线路驱动器通常需要处理来自一个用于高速互联网接入高速数模转换器(DAC)的信号。对于这种高速DAC通常被装配为一个电流-输出设备，这意味着该驱动DAC将具有一个高输出阻抗。为了使得在DAC中的失真最小，线路驱动器中的输入阻抗必须为低。
本发明的一个目的是为了获得完全差分线路驱动器，这消除了上述的困难。本发明的另一个目的是为了获得这样一种可以利用标准5-V CMOS过程制成的驱动器。这甚至可以使得将一个驱动DAC集成到一个单芯片上。再一个目的是为了获得在高带宽上的非常低的失真，而没有稳定性问题。
发明概述根据本发明，利用所述类型的线路驱动器可以获得所述的目的和其他目的和优点，本发明具有(ⅰ)所述的输入为一个电流输入，(ⅱ)该驱动器包括两个电流放大器(Ap,An)，每一放大器分别形成一个所述的输入端子(Iinp,Iinn)和一个所述输出端子(Iop,Ion)，并准备馈送一个驱动器电压(Vcc)。
(ⅲ)所述端口电阻(Rt)利用第一端子连接到所述输出端子(Iop,Ion)并具有一个可以连接到驱动器电压(Vddh)的第二端子。
本发明的解决方案的特征是使用放大电路，这是电流放大，使得可以获得低输入阻抗和高输出阻抗。为了获得高的共模抑制和阻抗匹配，应调整端口电阻。
附图简述现在将参照附图来描述本发明，并认为是非限制性的。
图1，已经提过，显示了现有技术的线路驱动器。
图2原理性地显示了本发明的解决方案。
图3原理性地显示一个示例性的实施例，并利用一个标准的5-VCMOS制造过程的使用。
发明详述本发明的一般性概念可以由图2来理解。一个线路驱动器配置有一对电流输入Iinp和Iinn。线路驱动器(在虚线的长方形中)具有一对电流输出端，该驱动器还配置有连接到驱动器电压Vddh和连接到变压器线圈的端口电阻Rt，而另一个线圈连接到铜双绞线。显然，在虚线长方形中还有一组两个电流放大器Ap和An。
为了很容易地与一个驱动DAC相接，该线路驱动器自身将具有一个非常低的输入阻抗。与图1所示的传统方案不同，本发明所提出的线路驱动器具有一个非常高的输出阻抗。由于具有一个低输入阻抗和一个高输出阻抗，从而该线路驱动器是一个电流-模式线路驱动器。在线路驱动器的输出端处的端口电阻将给出一个高共模抑制和阻抗匹配。
有效的阻抗必须等于变换的线路阻抗Zt以实现阻抗匹配。如果我们假定线路驱动器的输出阻抗非常大，则端口电阻Rt的值由下式给出Rt=2×ZT=2×Z1/n2(1)其中，ZT是变换后的线路阻抗，Zt是线路阻抗，而n为变压器的匝数比。
因为DAC通常使用偏移二进制码，DAC的输出，即到线路驱动器的输入电流，可以表示为Iinp=Ios+iac/2(2)Iinn=Ios-iac/2(3)这里，Ios是常数而iac是DAC的数字输入信号的模拟表示。假定该线路驱动器具有对于正和负分支的为A的增益，输出电流由下式给出Iop=A×(Ios+iac/2)(4)Ion=A×(Ios-iac/2)(5)假定线路驱动器的输出阻抗非常高，则流入变压器的交流(ac)电流由下式给出iT=K×A×iac(6)这里常数K由变换后的线路阻抗ZT和端口阻抗Rt根据下式给出K=Rt/(2Rt+ZT)(7)注意，恒定电流Ios在公式(6)中消失。事实上，任何共模信号在流入变压器中的电流上没有影响而公式(7)保持任何共模信号的独立性。
为了获得阻抗匹配，必须满足公式(1)。因此，我们具有下列公式K=Rt/(2Rt+ZT)=2Zt/(4ZT+ZT)=0,4(8)传递给线路的功率等于传递给变压器的功率并可由下式给出P1=Pt=iT2×ZT=K2×A2×iac2×Z1/n2==0,16×A2×iac2×Z1/n2(9)显然，线路驱动器可以通过使用由电阻接在端头的电流放大器来实现。通过这一解决方案可以获得几个优点。
电流放大器由于低内部阻抗而固有地具有高带宽，因此该解决方案适合高速应用。此外，在电流中不需要全局反馈，从而该线路驱动器可在全局意义上无条件地稳定。与图2所示的结构有关的另一个很大的优点是给端接电阻的供压可以比给线路驱动器的供压大得多。只要驱动器的输出电压不是非常大，使得在线路驱动器中的晶体管不会击穿，则线路驱动器可以与DAC一起集成在以标准CMOS制造过程中制成的组件中。
应注意的是，给端接电阻的额外供压的使用有利的是，大的共模信号被导入该额外供压，而不会干扰给DAC和电流放大器的供压。
本发明的一个缺点是功率效率，这是因为一些功率由于匹配条件而被消耗在端接电阻上。
在上面的讨论中，已经假设电流放大器的输出阻抗是无限大的。如果电流放大器的输出阻抗依赖输入电流而改变，则产生失真。为了确保低的失真，希望电流放大器具有一个非常高的输出阻抗。这可以通过正确的设计来确保。
优选实施例在图3中显示了一个电流放大器的例子，形成了一个在图2中虚线长方形中的放大器Ap。由于放大器An可以是严格类似的，在图2中只显示了第一次描述的具有所示输入端和输出端的电流放大器。
为了具有高的信号带宽，优选地是在信号路径上只使用NMOS晶体管。为了获得一个大增益，优选地是使用级联的几级以维持高的带宽。
电流放大器包括两级，第一级包括晶体管M1,M2和M3，而这一级的增益由M2和M1的尺寸比率来确定。第二级包括晶体管M4,M5,M6和M7，而这一级的增益由M5和M4的尺寸比率来确定。
所有的PMOS晶体管M8-M18用作偏置电流源并配置了适当的偏置/源电压。PMOS晶体管，例如M10-M18的并联/串联结构是使用一个利用适当掩模的标准CMOS制造过程的效果，也是分别安排M2-M1和M5-M4的尺寸比率的特征，这是在CMOS结构中对于本领域技术人员可以理解的。
因为当电流增加时，MOS晶体管的输出阻抗降低，如图3所示的，其中使用了双级联以允许大电流流过。
输入阻抗非常低，并由输入设备M1的跨导来确定。输出阻抗非常高，并由晶体管M5的输出阻抗和晶体管M6和M7的增益的乘积来大约确定。
在图3中还可见，可能击穿的晶体管为M7。只要漏极电压不是那么大，使得栅-漏电压或漏-源电压比它们各自的击穿电压小，则M7是安全的。因此，整个线路驱动器可以在一个诸如5V CMOS制造过程的标准CMOS制造过程中被集成，并且对于端接电阻可以使用更高的供电电压。
作为一个数值实例，双绞线可具有一个100Ω的Z1的阻抗，则端接阻抗Rt为50Ω而n=2。
权利要求
1．一个CMOS差分线路驱动器，具体地是用于驱动一个包括铜双绞线的线路，并包括一个具有两个输入端子的差分输入端和一个具有两个输出端子的差分模拟输出端，其中每个输出端子配置有一个端子电阻(Rt)，其特征在于(ⅰ)所述输入端是一个电流输入端，(ⅱ)该驱动器包括两个电流放大器(Ap,An)，每个放大器分别形成一个所述的输入端子(Iinp,Iinn)和一个所述输出端子(Iop,Ion)，并用一个驱动电压(Vcc)提供馈送，(ⅲ)所述端子电阻(Rt)用其第一端连接到所述输出端子(Iop,Ion)并具有一个可以连接到一个驱动电压(Vddh)的第二端。
2．根据权利要求1的驱动器，其特征在于，该电流放大器被用于馈送第一驱动电压(Vcc)而所述端子电阻的第二端可以连接到第二驱动电压(Vddh)，该第二电压高于第一电压。
3．根据权利要求1或2的驱动器，其特征在于，一个变压器具有连接到所述输出端子(Iop,Ion)的第一线圈和具有用于连接到诸如铜双绞线的对称双绞线的线圈接头的第二线圈。
4．根据前述任一权利要求的驱动器，其特征在于，所述电流放大器具有包括第一电流源(M8,M9)、第一NMOS晶体管(M1)的输入级，所述晶体管(M1)的栅极和漏极连接到所述第一电流源而其源极连接到一个公共导线，用于传递一个比所述第一电流源更大电流的第二电流源(M10-M18)，一个第二NMOS晶体管(M2)的漏极连接到所述第二电流源而栅极连接到该第一NMOS晶体管的栅极、其源极连接到所述公共导线，以及一个包括一个第三NMOS晶体管(M4)、一个第四晶体管(M5)的输出级，第三晶体管的栅极和漏极连接到所述第二电流源而其源极连接到所述公共导线，第四晶体管的源极连接到所述公共导线而其栅极连接到所述第三NMOS晶体管的栅极、其漏极连接到输出端，所述的第二NMOS晶体管具有比所述第一NMOS晶体管更大的尺寸，所述第四NMOS晶体管具有比所述第三NMOS晶体管更大的尺寸。
全文摘要
一个完全差分线路驱动器,尤其是用于铜双绞线的。它包括两个在标准CMOS技术中制成的电流放大器(A
文档编号H03F1/00GK1304585SQ99803619
公开日2001年7月18日 申请日期1999年3月2日 优先权日1998年3月2日
发明者T·念雄, J·埃尔兰德斯, J·维克纳 申请人:艾利森电话股份有限公司