专利名称：用于在传输线路上传输数字数据的传输装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通过传输线路传输数字数据的传输装置，特别适用于通信系统。
背景技术：
为了确保无差错的数据传输，在传输装置(线路接口单元)的输出的脉冲波形必须符合特定的规范(见CCITT G.703的分层数字接口的物理/电特性)。将传输装置必须遵守的适当的标准脉冲掩码指定为数据率和所选择的标准的函数。
只有当可以得到足够的工作电压时，业已开发的传输装置才能够满意地实践指定的标准。这样的已知的线路接口单元的概念主要基于在传输装置的信号路径上的电压处理原则，这可能导致在对应电路的工作点中的一定的波动，并且需要整个传输装置的质量受到限制的操作。此外，这些原则只是不充分适合于现代等级的亚微米CMOS工艺、以及作为其后果限制的常规MOS晶体管的耐压。
此外，已知传输装置的电路具有相当高的模式阻抗值，从而导致了严重的热噪声，并且因而具有受限的信噪比。除此之外，已知的传输装置对偏移电压(offset voltage)较敏感，从而产生了通过输出端的负载的不期望的直流电。尤其是下游的变压器的提前饱和将会导致另外的不期望的信号失真。
有一定量的公开文件描述了电压处理传输装置。这些文件包括诸如在1990年6月的IEEE固态电路期刊的第760页等中，由H.Herrman和R.Koch所写的《A 1.544Mb/s CMOS Line Driver for 22.8Ω Load》，在1992年12月的IEEE固态电路期刊的第1723页等中，由HaidehKhorramabadi等人所写的《Highly Efficient CMOS Line Drive with80 dB Linearity for ISDN U-Interface Applications》，在1999年12月的IEEE固态电路期刊的第1961页等中，由M.Moyal，M.Grobel和Th.Blon所写的《A 25kft，768kb/s CMOS Analog FrontEnd for Multible-Bit-Rate DSL Transceiver》，以及在这些文件中所引用的参考文件。然后，这些已知的方案都具有前面已经提到的所有缺陷。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种用于传输数字数据的传输装置，从而实现产生相当高的质量和精度的脉冲，并且避免用于产生信号的电压处理原理下的缺陷。
通过在专利权利要求1所指定的特征，可以实现此目的。本发明的另外改进方案是从属权利要求的主旨。
本发明的主要思路是依据电流来执行传输装置中的内部信号处理；该类型的信号处理在专业文献中被称为电流模式方案。只是与“外部世界”的接口最好由更耐压的晶体管提供，以便将信号驱动到负载或者电缆。
此外，本发明避免了在信号路径中例如在传输装置的滤波器和电流放大器中的反馈环。
反馈环会对传输装置的稳定性造成负面影响。
因此，依据本发明的用于通过传输线路传输数字数据的传输装置至少包括没有反馈环的以下电流操作电路，即电流驱动数字/模拟转换器，其形成传输装置的输入；电流操作波形滤波器，用于形成(平滑)从数字/模拟转换器提供的量化电流脉冲；线路驱动器，用于执行电流/电压转换，并且形成传输装置的输出；以及偏移补偿电路。
此外，设置电平移动器，以便将低电源电压转换为高电源电压；
电流操作放大器或者缓冲器最好设置在数字/模拟转换器的输出，以便隔离被转换的输出。
电流操作放大器首先按照指定的系数N来分割从数字/模拟转换器提供的脉冲的幅度。在下文中，所表述的放大器还包括按照降低的比率工作放大器，即对电流进行分流。
电流操作放大器实质上形成电流控制电流源，并且依据一个优选的实施例，该电流操作放大器包括电流反射镜(current mirror)。
依据本发明的一个改进方案，电流操作波形滤波器包括用于形成数据脉冲的电流操作的低通滤波器，并且该滤波器最好同样具有电流反射镜。电流操作波形滤波器依据所选择的标准和/或应用，对在传输装置的输出端发出的传输脉冲产生所期望的预加重，并且同时用作DA电流脉冲的波形滤波器。
依据本发明的一个优选的改进方案，低通滤波器的截止频率是可变换的。
在传输装置的信号路径上，电流控制电流放大器最好设置在波形滤波器的下游，并且该电流控制电流放大器同样可由电流反射镜电路形成。
依据本发明的一个优选的改进方案，还在传输装置的信号路径上设置电流控制电平移动器，并且该电平移动器允许位于其上游的部分电路以较低的电源电压工作。同样地，该电平移动器最好由电流反射镜形成。
依据本发明的一个优选的改进方案，在传输装置中使用的电流反射镜配备有电压调节装置，该电压调节装置使电流反射镜的输入端和/或输出端的节点定位充分稳定。在该节点上的电压电平实际上是恒定不变的，并且降低了由工作点的变化造成的额外失真、以及由于寄生电容产生的电荷转移(charge-shifting)效应。因此，该电压调节装置使电路总是处在增加工作点。
设置在反馈路径上的偏移补偿电路最好通过跨导电路级来形成。偏移补偿电路应该具有低通滤波特性，以便在输出端产生的脉冲可以符合标准。在正向的方向上，具有极点的低通滤波器在传输装置的整个传递函数中用作具有零点的高通滤波器。在设计过程中，必须考虑确保正向的有效零点低于传输脉冲的最小频谱成分。
传输装置最好使用差分路径技术。
在下文中使用附图，通过实例更详细地对本发明进行说明，图1示出基于电流处理和使用差分路径技术的传输装置的典型实施例；图2示出依据本发明的一个改进方案，使用差分路径技术的电流放大器；图3示出电流滤波器的一个实施例；图4示出依据本发明的一个实施例，由电流反射镜形成的电平移动器；图5示出电流反射镜的电压调节器的第一典型实施例；图6示出电流反射镜的电压调节器的另一典型实施例；图7示出用于偏移补偿的反馈电路的第一典型实施例；图8示出用于计算图1所示的传输装置在频率域中的传输特性的简单等效电路。
具体实施例方式
图1示出传输装置的示意方框图，所述的传输装置包括数字/模拟转换器1、波形滤波器2、电流放大器3、电平移动器4、以及线路驱动器5。组件1-5形成传输装置的信号路径。
在传输装置的反馈路径12上设置具有低通滤波特性的偏移补偿电路6。
基准电流产生装置7产生用于提供给所有单元1-6的基准电流。因此，依据基准电流获得所有脉冲电流、以及用于设置工作点的电流，从而避免由于缺乏同步造成的不期望的偏移。还可以给传输装置的各个组件提供本质独立的电流。这必须依据带宽、线性等要求来确定。
另外，可以对基准电流进行调整，以便增加传输脉冲的脉冲幅度的准确度，并且因而确保符合具有各种标准的特定脉冲掩码。
数字/模拟转换器1形成传输装置的输入，并且具有电流驱动数字/模拟转换器的形式。在解码器13中对在输入端提供的数字数据进行解码，以便按照这样的方式对加权的电流源14进行切换。内部调节装置(未示出)确保数字/模拟转换器内的PMOS和NMOS电流反射镜的匹配。
在D/A转换器(包括DACP和DACN)的输出端15产生差分电流脉冲，并且将该差分电流脉冲提供给电流控制的波形滤波器2。
波形滤波器2包括分流器8和低通滤波器9，该波形滤波器2提供对在传输装置的输出端发出的传输脉冲的所期望的预加重，并且同时用作DA电流脉冲的波形滤波器。电流放大器在这种情况下具有分流器8的形式，该分流器按照指定的系数N来分割到达的电流脉冲的幅度。在这种情况下，只是通过实例来执行该功能，以便减小下游的低通滤波器所需要的能量消耗或者表面积。还可以不对信号电流进行衰减，而是对其进行放大。在任何情况下，设计的放大器或者分流器级8都应该提供DA转换器1和滤波器9之间的去偶。
由以下的等式按照简化的形式给出了图2所示的电流放大器在频率域中的传输特性Aiv(s)=iout(s)iin(s)=gmN1gmN2*[11+s*CN1gmN1]=gmN1gmN2*[11+SωIV]...[1.1]]]>其中，gmN1是晶体管N1的斜率(gradient)，gmN2是晶体管N2的斜率，CN1是在晶体管N1的栅极的电容的和，以及ω是反射镜的寄生极点的极点频率。
接下来的低通滤波器9提供所期望的信号成形和预加重，并且最好按照GmC滤波器的原理来工作。以下的等式给出了图3所示的波形滤波器的传输特性，
Aitp(s)=iout(s)iin(s)=R1R2*[1+1gmN1*R11+1gmN2*R2]*[11+s*CN1(gmN1+R1)]...[1.2]]]> 其中，gmN1是晶体管N1的斜率，gmN2是晶体管N2的斜率，R1是晶体管N1的衰减电阻，R2是晶体管N2的噪声电阻，CN1是在晶体管N1的栅极的电容的和，以及ω是反射镜的主导极点(dominant pole)的极点频率。
在电流放大器3中按照指定的系数N对预加重的电流脉冲进行放大。频率域内的传递函数由等式1.1给出。电流放大器的实现与图2对应。系数N由以下等式给出N=ioutiin=gmN1gmN2...[1.3]]]>其中，gmN1是晶体管N1的斜率，gmN2是晶体管N2的斜率。
电平移动器4与电流放大器3的输出进行光学连接，将从低电源电压VDD1提供的电压变换为高电源电压VDD2，并且允许位于其上游的电路部分按照低电源电压VDD1工作。其主要优点在于可以使用具有基于现代亚微米技术的较薄栅极氧化物的晶体管作为信号路径。因而明显会具有较高的速度和较低的电流消耗。
线路驱动器6包括具有反馈电阻器Rfb的运算放大器(OPV)，通过其中所述的反馈电阻器可以将电流脉冲转换为传输所需要的电压脉冲。此结构通常指的是并联-并联反馈。在频率域内的传递特性由以下等式给出Air(s)=Rfb*11+Tloop(s)]]>=Rfb*[11+Rfb*RLRfb*RL+ROPV*Rfb+ROPV*RL*AOPV(s)*RIOPARIOPA+Rfb](Ω)...[1.4]]]>其中，Tloop(s)是开环增益，RL是电流/电压转换器的输出端的负载电阻，ROOPV是OPV的输出电阻，RIOPA是OPV的输入电阻，以及AOPA(s)是OPV的频率域中的开路增益。
传递函数的单位是欧姆(Ω).
传输线路10按照已知的方式由线路电阻RL端接。
偏移补偿电路6对线路驱动器XL1和XL2的输出之间的任何DC偏移进行补偿。最好由跨导级来形成该电路6，并且该电路反馈到数字/模拟转换器的输出端15。作为设计偏移补偿电路6的方针，极点频率应该低于传输脉冲的最低频谱成分，并且应该具有对应的低通滤波特性。
图7所示的偏移补偿电路的在频率域中的传输特性按照简化的形式由以下等式表示Afb(s)=ifjb(s)Vout(s)=Gm1*RoGm1*Gm2*[11+s*GfbGm1+RoGm1]=Gofb*[11+sωfb][1Ω]...[1.5]]]>其中，Gm1是跨导级1的斜率，Gm1是跨导级2的斜率，ROGm1是跨导级Gm1的输出电阻，Cfb是跨导Gm1的输出端的电容器的和，
ωfb是偏移补偿电路的主导极点的极点频率，以及GOfb是反馈的总跨导。
图2示出使用具有中点电压调节(共模反馈)的差分路径技术的电流放大器8的简化结构。电流放大器或者分流器的差分输入由INP和INN(P阳极，N阴极)表示，并且对应的输出表示为OUTP和OUTN。
每一个差分路径包括具有反射镜晶体管(mirror transistor)N1、N2和N1’、N2’的电流反射镜20。对电流反射镜晶体管N1、N2和N1’、N2’的反射系数的适当选择可以按照系数N(N＞1)对输入电流进行放大、也可以用系数N(N≤1)对输入电流进行分割。如果N＝1，则会形成电流缓冲器。在频率域中，将等式1.1中的传递函数应用到图1所示的分流器8。级内比率由以下等式给出N=ioutiin=gmN1gmN2...[1.6]]]>其中，gmN1是晶体管N1的斜率，以及gmN2是晶体管N2的斜率。
为了增加电流反射镜20的输出电阻，还可以使用另外的级联晶体管或者调节晶体管(未示出)。在描述中的表达“电流反射镜”可以用来表示任何可能的类型。图中的描述只限制在电流反射镜的最简单的形式上，以便于对操作进行解释。
反射镜晶体管N1、N2和N1’、N2’分别与电流源22连接，该电流源22提供从基准电流IRef中获得的电流。
电流放大器的输入INP、INN由DC电压调节电路21箝位在预定的电位。DC电压调节电路将电流反射镜20的工作点保持在尽可能理想的范围内。DC电压调节电路包括连接在各个差分输入端INP、INN和各个反射镜晶体管N1、N1’之间的晶体管P1或者P1’。
图3示出了在构成上实际与图2所示的电流放大器8相同的电流滤波器。该电流或者波形滤波器同样包括具有晶体管N1、N2和N1’、N2’的电流反射镜。晶体管P1和P1’对节点INP、INN的输入电压进行调节。
用于分别增加线性驱动范围的衰减电阻器R1、R2和R1’、R2’与各个晶体管N1、N2和N1’、N2’的源极连接端连接。滤波响应由衰减电阻R1(R1’)和与电容器C(C’)并联的晶体管N1(N1’)的互导的和产生，其中所述的电容器C(C’)分别在晶体管N1、N2和N1’、N2’的镜像点与“地”连接。电阻值和电容的乘积与极点频率成比例。
应该注意到，晶体管N2和N2’形成由漏极接线端的扩散电容产生的寄生极点，并且必须在传输特性中考虑这个因素。
图4示出电平移动器4，该电平移动器同样由电流反射镜20形成。电流变换器4用于将不同的电源电压VDD1、VDD2匹配为信号路径中的成分。晶体管N1、N1’和N2、N2’按照与晶体管P2、P2’和P3、P3’相同的方式，分别形成电流反射镜。级联晶体管N3(N3’)设置在晶体管N2的漏极接线端，并且必须适合于较高的工作电压。
还要由DC电压调节电路21来稳定该级的输入端INP、INN的电位、以及前面的级的输出端的电位。
图5示出了具有运算放大器21的DC电压调节电路21的一个可能实现方案，该运算放大器的反向输入端与该级的信号输入端连接，并且其非反向输入端与参考电压连接。运算放大器23的输出端与晶体管P1的栅极接线端连接。
图6示出电压调节电路21的另一实现方案。电压调节电路21包括由晶体管P4和P5形成的电流反射镜23。电阻器RCM设置在晶体管P5的源极接线端。电流源I0与晶体管P4的源极接线端连接。晶体管P5的漏极接线端与基准电流源IREF连接。晶体管P4与以上所述的级2-4的其中之一的电流反射镜20连接。该电路在输入端产生了恒定不变的电位U0。该电压调节电路还可以设置在级2-4的其中之一的输出端。
图7示出用于偏移补偿的反馈电路6的一个可能实现方案。该反馈电路包括第一跨导级Gm1、第二跨导级Gm2、以及电容Cfb。输入节点INP和INN与图1所示的传输装置的输出端XL1和XL2连接。输出端OUTP和OUTN与接线端DACN和DACP连接。所述的电容连接在第一跨导Gm1的输出端和第二跨导Gm2的输入端之间。该结构的主导极点由第一跨导级Gm1和电容Cfb的商形成。
图8示出了图1所示的传输装置的传输链(chain)的简化表示。考虑以上提到的等式，按照如下的公式来计算从数字/模拟转换器到传输装置的输出的传递函数GTR(s)=Vout(s)in(s)=Hfω(s)1+Afb(s)*Hfω(s)...[1.7]]]>以及Hfω(s)=Aivl(s)*Aitp(s)*Aiv2(s)*Air(s)]]> 其中，GTR(s)是整个传输装置的频率域的传递函数，Hfw(s)是该结构的正向增益，Afb(s)是偏移补偿反馈的频率域的传递函数，ωiv1是图1所示的放大器级8的寄生极点的极点频率，ωiv2是图1所示的放大器级3的寄生极点的极点频率，以及Atr(s)是图1所示的并联—并联反馈电路5的频率域的传递函数。
可以按照简化的形式，引用以下的关系作为预计会出现在传输装置内的谐波失真HD2=18*IACIDC*ωgmNxICinNx=18*IACIDC*ωωDP...[1.8]]]>其中，HD2是传输装置的二次谐波，IAC是信号电流的幅度，IDC是晶体管的电源电流，ω是信号电流的瞬时角频率，ωDP是传输装置的前向信号路径的主导极点，gmNx是产生主导极点的晶体管的斜率，以及CinNx是产生主导极点的晶体管的输入端或者输出端的总电容。
从等式1.8可以看出本发明的一个主要优点。通过适当地选择带宽、通过减小寄生模式电容、以及通过调节信号电流与用于工作点的电源电流的比率，可以最佳地选择第二谐波失真HD2。
借助于上述的等式，可以独立于实际实现的细节来设计和实现传输装置的各个组件，即使内部电源电压较低，这些组件也可以表现出对脉冲产生和数据传输的稳定并且可靠地实现。
参考符号列表1 数字/模拟转换器2 波形滤波器3 电流放大器4 电平移动器5 线路驱动器6 偏移补偿7 基准电流产生8 放大器9 低通滤波器10传输线路11信号路径12反馈路径13解码器14电流源15输出20电流反射镜21电压调节器22电流源23运算放大器INN，INP 差分输入端OUTN，OUTP差分输出端N1、N1’ 反射镜晶体管N2、N2’ 反射镜晶体管P2、P2’ 反射镜晶体管P3、P3’ 反射镜晶体管R1、R1’ 衰减电阻R2、R2’ 衰减电阻P1、P1’ 晶体管N3、N3’ 级联晶体管
VDD1低工作电压VDD2高工作电压RL 线路电阻
权利要求
1.一种用于通过传输线路(10)来传输数字数据的传输装置，包括电流驱动数字/模拟转换器(1)，其设置在该传输装置的输入端；电流操作波形滤波器(2)，用于形成从数字/模拟转换器提供的电流脉冲；线路驱动器(5)，用于执行电流/电压转换；以及偏移补偿电路(6)，其设置在传输装置的反馈路径(11)上。
2.根据权利要求1所述的传输装置，其特征在于电流操作放大器(8)设置在数字/模拟转换器(1)的输出端，以便将转换器输出端与下游电路隔离。
3.根据权利要求2所述的传输装置，其特征在于电流操作放大器(8)按照系数N分割从数字/模拟转换器(1)提供的电流。
4.根据权利要求2或者3所述的传输装置，其特征在于所述的放大器(8)具有电流反射镜(20)。
5.根据前述权利要求的其中之一所述的传输装置，其特征在于波形滤波器(2)具有与放大器(8)下游连接的电流操作低通滤波器(9)。
6.根据权利要求5所述的传输装置，其特征在于低通滤波器(9)具有电流反射镜(20)。
7.根据前述权利要求的其中之一所述的传输装置，其特征在于波形滤波器(2)产生对在传输装置的输出端被传输的传输脉冲的期望的预加重。
8.根据权利要求5到7的其中之一所述的传输装置，其特征在于低通滤波器(9)的截止频率、以及其预加重是可变换的。
9.根据权利要求4或者5所述的传输装置，其特征在于；电流反射镜(20)具有电压调节电路(21)，该调节电路实质用于稳定信号输入端(IN)和/或输出端(OUT)上的电压。
10.根据前述权利要求的其中之一所述的传输装置，其特征在于电流控制电流放大器(3)设置在传输装置的信号路径(11)上。
11.根据前述权利要求的其中之一所述的传输装置，其特征在于电流控制电平移动器(4)设置在传输装置的信号部分(11)中，并且将较低的电源电压(VDD1)转换为较高的电源电压(VDD2)。
12.根据权利要求10所述的传输装置，其特征在于电流放大器(3)具有电流反射镜(20)。
13.根据权利要求11所述的传输装置，其特征在于电平移动器(4)具有电流反射镜(20)。
14.根据前述权利要求的其中之一所述的传输装置，其特征在于由跨导级形成偏移补偿电路(6)。
15.根据前述权利要求的其中之一所述的传输装置，其特征在于偏移补偿电路(6)具有低通滤波特性。
16.根据前述权利要求的其中之一所述的传输装置，其特征在于该传输装置使用差分路径技术。
全文摘要
本发明涉及一种用于通过传输线路(10)来传输数字数据的传输装置，该传输装置包括电流驱动数字/模拟转换器(1)，其设置在传输装置的输入端；电流操作波形滤波器(2)，用于形成从数字/模拟转换器提供的电流脉冲；线路驱动器(5)，用于执行电流/电压转换；以及，偏移补偿电路(6)，其设置在传输装置的反馈路径(11)上。为了改善在传输装置的输出端传输的脉冲的质量，本发明提出了依据电流来执行传输装置的内部信号处理。
文档编号H04L25/08GK1611046SQ02811275
公开日2005年4月27日 申请日期2002年5月15日 优先权日2001年5月22日
发明者彼得·格雷戈留斯, 阿尔明·阿内贝格 申请人:印芬龙科技股份有限公司