专利名称：基本交换电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及电信领域，更具体地说，本发明涉及针对高比特率应用的传输设备中采用的集成电子交换电路。
背景技术：
虽然目前的电信传输网主要依赖于光传输，但在大多数情况下，传输网络的网元中进行的内部信号处理仍然是在电子领域。
光传输网的复用规则和比特率的最新定义(ITU-TG.709)引入了三层比特率结构，2.7Gbit/s、10.7Gbit/s和43Gbit/s。这样，就需要有能在电子领域内处理这些高比特率信号的设备。具体地说，需要光交叉连接设备来建立光传输网中的交叉连接。光交叉连接设备是一种交换机，它具有数量众多的I/O端口，能够在这些I/O端口中的任意两个之间建立连接。大多数交叉连接设备的交叉连接都是在电子领域内完成的，因为全光交换仍然有许多缺陷并受特定系统的限制。因此，光交叉连接设备内部实现电操作，它必须在任意输入和任意输出端口之间交换一定数量的具有不同比特率的异步电信号。这需要高速集成电交换电路来生成大的集成电交换矩阵。
目前的集成电路通常采用CMOS技术，但CMOS技术不适用于比特率高于2Gbit/s的高比特率应用。另一方面，基于SiGe技术的双极性集成电路原理上适用于速率高达20Gbit/s的高速应用，但它的功耗很大。双极性集成电路的工作电压一般是5伏。具体地说，双极性电路中的每个电路元件(例如开关、复用器或类似器件)都有两节(trunc)。当电路元件处于工作状态时，恒定电流从一节交换到另一节。因为恒定电流总是流经两节中的一节，这种双极电路的功耗很大，热损耗很大，这使得它们不适用于针对高比特率应用的大交换矩阵。
因此，本发明的一个目的是提供一种基本的交换电路，它适用于10Gbit/s或更高比特率的应用，却没有现有集成电路的上述缺陷。
发明内容
本发明的这些目的以及下面给出的其它目的按照本发明的交换电路来实现。
具体地说，该交换电路结合CMOS和基于SiGe的双极性技术的优点，工作电压较低，只比2伏稍高一点。为了实现低工作电压，电路的交换操作利用MOS晶体管，通过开关该电路的恒定电流源来实现。此外，恒定电流源利用MOS晶体管，而不是双极晶体管来实现，它基本上充当可控电阻。此外，输出信号的逻辑值通过恒定电流源来精确控制，后者由输出端的运算放大器和电阻分压器来控制，将电压值降低该逻辑值所对应的量。
本发明的优点在于，工作电压低，相应地功耗也很低。例如，一个由按照本发明的基本交换电路构成的33×33正方形交换矩阵的功耗仅约为8瓦。因此，必要的集成电路降温措施可以变得简单。此外，本发明能够交换比特率高达约20Gbit/s的电信号。
下面结合附图，描述本发明的优选实施例，在附图中图1示出了按照本发明的基本交换电路的电路图；图2示出了通过级联形成正方形4×4交换的16个交换电路；以及图3示出了该基本交换电路的概念等效电路。
具体实施例方式
双极性集成电路中的每个电路元件通常都有两节(trunc)，在处于工作状态时，恒定电流从一节交换到另一节。因为恒定电流总是流经两节中的一节，减小功耗的唯一方法是降低电路的工作电压。电路中的每一个双极性晶体管正常工作所需的最小电压一般是0.9伏。对SiGe双极性晶体管而言，最小电压可以减小到约0.8伏。因此，每个双极晶体管导致0.8伏的压降。
已知的双极性电路具有至少三个串联的晶体管。这使得累计总电压为至少3.1伏，也就是逻辑值为3×0.9伏+400mV(+/-200mV)。此外，第四级联晶体管一般用于时钟或信号输入。这使得累加的工作电压一般为5伏。但是，为了实现较低的工作电压，本发明减少了级联双极性晶体管的数量。
因此，本发明的第一基本概念是实现一种基本的交换元件，作为可以开关的简单缓冲放大器。该缓冲放大器的开关通过打开或关上它的电源来实现。
此外，本发明利用了待交换的信号工作在10Gbit/s或更高的比特率的事实，虽然这样的交换操作可能很慢。因此，本发明采用较慢但是低损耗的金属氧化物半导体(MOS)场效应晶体管来开关电源。
本发明的另一个基本思想是通过精确控制流经双极电路的两节的任意一节的电流，尽量减小输出信号的电压。因此，电流源受控于运算放大器，后者在其输入端接收一个非常精确的基准电压。在该实施例中，基准电压来自于半导体集成电路中明确的能带隙(bandgap)。
精确控制使得我们能够采用电阻分压器，而不是输出双极晶体管来改变输出电压值，使其减小对应于逻辑值的量。在该实施例中，选择的逻辑值只有+/-100mV，也就是总共200mV。
图1示出了按照本发明的基本交换电路的一种实施例。该电路有两个对称的双极分支，第一分支通向晶体管T3和T1，第二分支通向晶体管T4和T2。双极输入信号的两个输入IN分别连接到晶体管T3和T4的基极。T3发射极连接到T1的基极；T4发射极连接到T2的基极。T3和T4的集电极连接到0伏(地)。T1的集电极通过第一电阻分压器R2、R1连接到0伏，T2的集电极通过第二电阻分压器R3、R1连接到0伏。T1和T2的发射极都连接到MOS晶体管M1(金属氧化物半导体)的源极，M1的漏极连接到负电压电源，该电源工作在-2.2伏到-3.6伏之间。M1的栅极由运算放大器OP1的输出控制，后者的正输出连接到R2、R3和R1的耦合点。其负输入连接到200mV基准电压，该基准电压由半导体能带隙而来。这样，OP1比较电阻R2和R3上的压降和基准电压REF，通过M1控制流经电阻分压器的电流。
晶体管T3的发射极还通过晶体管T5的集电极-发射极结，并通过电阻R4连接到负电源，晶体管T3的发射极通过晶体管T6的集电极-发射极结，并通过电阻R5连接到负电源。在开关电路工作过程中，T5和T6的基极连接到基准电压REFE。T5和T6分别限定了经过T3和T4的电流，从而限定了T1和T2的基极上的电压。
T1和T2的集电极之间的电压是该电路第一级的输出信号OUT1。第一级输出OUT1连接到第二级。具体地说，T2的集电极连接到晶体管T7的基极，T1的集电极连接到晶体管T8的基极。T7的集电极通过电阻R8连接到0伏，T8的集电极通过电阻R9连接到0伏。T7和T8的发射极都连接到晶体管T9的集电极，T9的发射极通过电阻R10连接到负电压电源(-2.2V...-3.6V)。T9的基极连接到第二运算放大器OP2的输出，后者的负输入连接到与OP1相同的200mV运算放大器。其正输入连接到T7和T8集电极之间的高位电阻分压器R6、R7。T7和T8集电极之间的电压差是该电路的双极性输出信号OUT。输出信号OUT是电流型逻辑(CML)的集电极开路输出。
OP1控制的MOS晶体管M1充当第一级的恒定电流源。OP2控制的双极性晶体管T9充当第二级的恒定电流源。
前面解释过，本发明的一个基本思想是通过在控制信号CTRL控制下激活或去激活恒定电流源，实现从输入IN到输出OUT的交换。具体地说，在优选实施例中的交换电路采用控制信号CTRL和反相控制信号CTRLI。三个MOS晶体管用于去激活恒定电流源。两个并行MOS晶体管M6、M7将输出或OP1连接到恒定电流源MOSFET M1的栅极。M6的栅极由控制信号CTRL控制。MOS晶体管M7的反相栅极连接到反相控制信号CTRLI。在交换电路关闭时，反相控制信号CTRLI还用于短路M1的栅极和源极，从而去激活M1。如果控制信号打开，反相控制信号关闭，M6和M7都导通并连接OP1的输出到M1的栅极。M2在这种情况下关闭，M1向两个交换分支T3、T1和T4、T2提供恒定电流。相反，如果控制信号关闭，反相控制信号打开，M6和M7都关闭，将OP1的输出与M1的栅极断开，而M2短路M1的栅极和源极，从而关闭并去激活整个交换电路。
第二级也是一样，其中T9在第二级中充当恒定电流源，MOS晶体管M11和M12可以将它与OP2断开，M10可以将它的基极电压下拉为负值。
此外，两个晶体管T5和T6的基极引线分别限定了通过输入晶体管T3和T4的电流，在相同控制信号CTYRL和CTRLI的控制下，MOS晶体管M4和M5将它们从基准电压REFE断开，通过MOS晶体管M3将其基极电压下拉为负值。
在交换电路去激活时，作为增加串音的一种方法，MOS晶体管M8连接在T3和T4的集电极之间，另一MOS晶体管连接在T3和T4的基极之间。这两个MOS晶体管M8和M9都有反相栅极，在交换电路关闭时，由控制信号CTRL控制，短路T1和T2的基极接触点，以及它们的集电极接触点。
电路中的电阻具有以下值R1、R2、R3、R8和R9为150Ω；R4和R5为200Ω；R6和R7为10kΩ；R10为112Ω。
电阻R8和R9以虚线形式示出。其原因是这两个电阻共享于多个交换电路。实际上，16个基本交换电路耦合，形成图2所示的4×4交换矩阵。所有这16个基本交换电路共享同电阻R8和R9。
需要注意，电路的第二级原则上可以被忽略。但是，在优选实施例中，第二级用于将总的串音减小到小于-36分贝，这是一个模拟需要，而不是数字需求。除了减小串音之外，第二级的使用还具有其它优点。首先，它增加了第一级的低输出电压(200mV)，其次，它改进了高频信号特性。具体地说，正如前面所解释的，为了减小级联的双极性晶体管的数量，从而能够有较低的工作电压，在第一级中，恒定电流供应通过MOS晶体管(M1)实现。但是，MOS晶体管的高频特性比双极性晶体管差。因此，第一级中的MOS电流供应导致输出信号OUT1的信号质量下降。另一方面，第二级在信号路径上只需要一个双极性晶体管(T7、T8)，因此，剩下的工作电压足够高，能够通过一个高级双极性晶体管(T9)，而不是第一级中的MOS晶体管，实现恒定电流供应。这样，第二级能够补偿第一级必需的MOS电流供应所带来的一些不利影响。
图2示出了按照本发明的基本交换电路如何级联，形成较大的交换矩阵。从概念上讲，基本交换电路的等效电路是由图3所示的控制信号CTRL所控制的简单开/关交换。图2的基本交换方案是4行4列的方阵。图2中标记的行和列类似于国际象棋盘，从A到D和从1到4。在1行1-4中的所有交换都将其输入连接到一个共同的输入I1-I4，在1列A-D中的所有交换都将其输出连接到一个共同的输出01-04。通过这种方式，每个输入可以只通过一个基本交换连接到一个输出。例如，为了连接输入I3到输出04，交换D3必须关闭。显然，一个输入也可以连接到多于一个输出，从而交换变成了广播。
在一种优选改进中，利用了一个输出(也就是一列)只能有一个交叉点可以被激活的事实。因此，一列中所有交叉点交换的恒定电流由图1中的一对运算放大器OP1、OP2控制。
本发明的基本交换电路尤其适用于同一发明人在同一天提交的，题为“电子空间交换矩阵”的共同未决欧洲专利申请中描述的交换矩阵，该专利的内容在此通过引入并入。
前面描述了本发明在一种优选实施例中的应用，对本领域的技术人员而言，很明显，本发明并不受限于该实施例的实现细节和给出的特定附图。相反，本领域的技术人员能够理解，在不偏离本发明的概念和精神的前提下，可以作出若干改变、替换和变通。
权利要求
1.一种交换电路，用于将高比特率双极性输入信号从输入可控地交换到输出；所述电路包括第一和第二发射极耦合的双极性晶体管，将输入信号从所述输入传送到所述输出，所述第一和第二晶体管连接到恒定电流源，该交换电路还包括至少一个金属氧化半导体场效应晶体管，用于在至少一个控制信号的控制下，激活或去激活所述恒定电流源。
2.按照权利要求1的交换电路，其中电阻分压器连接到所述双级晶体管的集电极，恒定电流源由电阻分压器的电压降和恒定基准电压之间的电压差精确控制，从而电阻分压器限定了输出信号中的逻辑值的电位。
3.按照权利要求2的交换电路，其中所述恒定电流源包括第二金属氧化半导体场效应晶体管(M1)，它的栅极受控于一个运算放大器，后者的同相输入连接到所述电阻分压器，其反相输入连接到所述恒定基准电压。
4.按照权利要求1的交换电路，还包括第三和第四双极性晶体管，分别连接在所述输入和所述第一和第二双极性晶体管的基极之间，从而形成所述输入和所述输出之间的发射极输出放大器。
5.按照权利要求1的交换电路，其中所述第一和第二双极性晶体管形成了第一级电路，所述交换电路还包括第二级电路，所述第二级电路包括第五和第六发射极耦合双极性晶体管，将所述第一级的输出连接到所述电路的所述输出，所述第五和第六双极性晶体管连接到第二恒定电流源。
6.按照权利要求5的交换电路，其中所述第二恒定电流源包括第七双极性晶体管，它的基极连接到第二运算放大器。
7.按照权利要求1的交换电路，还包括至少一个其它的场效应晶体管，连接到所述第一和第二双极性晶体管，在交换关闭时，短路所述晶体管。
8.按照权利要求1的交换电路，其中所述双极性晶体管由混合硅锗半导体材料构成。
9.按照权利要求1的交换电路，其中所述第一和第二运算放大器由交换矩阵中的其它交换电路共享。
全文摘要
本发明公开了一种基本交换电路，它组合了CMOS和基于SiGe的双极性晶体管技术的优点，工作电压较低，只比2伏稍高一点。为了实现低工作电压，电路的交换操作通过利用MOS晶体管来开关该交换电路的恒定电流源来实现。此外，恒定电流源利用MOS晶体管，而不是双极性晶体管来实现，它基本上充当可控电阻。此外，输出信号的逻辑值通过恒定电流源来精确控制，后者由输出端的运算放大器和电阻分压器来控制，将电压值下拉到该逻辑值所对应的量。
文档编号H03K17/042GK1520034SQ200410039510
公开日2004年8月11日 申请日期2004年2月3日 优先权日2003年2月5日
发明者赫尔穆特·普赖扎赫, 赫尔穆特 普赖扎赫 申请人:阿尔卡特公司