DE69431905T2

DE69431905T2 - Leitungstreiber mit adaptiver ausgangsimpedanz

Info

Publication number: DE69431905T2
Application number: DE69431905T
Authority: DE
Inventors: Bram Nauta
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1993-07-14
Filing date: 1994-07-04
Publication date: 2003-07-24
Anticipated expiration: 2014-07-05
Also published as: KR100310550B1; WO1995002931A1; US5510751A; DE69431905D1; JPH08501674A; EP0664937A1; EP0664937B1; JP3431077B2; TW239239B; KR950703818A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Leitungstreiber. Ein Leitungstreiber ist ein elektronischer Pufferverstärker, der derart entworfen ist, dass er eine Ausgangsimpedanz hat, die an die Charakteristische Impedanz einer Übertragungsleitung angepasst ist. Übertragungsleitungen werden sehr oft verwendet zum Transportieren elektrischer Signale. Zum Mimmieren von Reflexionen sollen die Quellen- und die Belastungsimpedanzen der Übertragungsleitung der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitung entsprechen. Ein Standardwert für Videoapplikationen ist 75 Ohm. Ein Pufferverstärker, entworfen zum Antreiben einer 75 Ohm Übertragungsleitung soll eine Ausgangsimpedanz von 75 Ohm haben, damit Reflexionen minimiert werden. Der Puffer sieht eine Belastungsimpedanz von 75 Ohm, d. h. die Impedanz der abgeschlossenen Übertragungsleitung.
Eine direkte Annäherung zur Implementierung eines derartigen Puffers ist eine niederohmige Ausgangsstufe mit einem Reihenwiderstand zu versehen, dessen Wert der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitung entspricht. Diese Annäherung weist mehrere Nachteile auf. Erstens ist der Widerstandswert des Reihenwiderstandes Toleranzen ausgesetzt, insbesondere Prozessschwankungen, wenn der Puffer auf einem Halbleiterchip integriert ist, was zu einer Fehlanpassung der Impedanz führt. Zweitens ist die Impedanz der Ausgangsstufe nicht länger niedrig und die Ausgangsimpedanz des Puffers nimmt bei hohen Frequenzen zu, während der Einfluss der Reflexionen der Üertragungsleitung bei diesen hohen Frequenzen am stärksten ist. Drittens muss der Spannungsabfall an dem Reihenwiderstand als Verlust betrachtet werden, was bei Applikationen mit einer niedrigen Speisespannung uninteressant ist. Dieser Spannungsabfall entspricht der Ausgangsspannung des Puffers und ist typischerweise 1 V für Videosignale.
In dem US Patent 5.121.080 ist ein Leitungstreiber beschrieben, der einen Operations-Transkonduktanzverstärker (OTA) aufweist mit einem nicht-invertierenden und einem invertierenden Eingang und mit einem ersten und einem zweiten Stromausgang zum Liefern von Strömen in Reaktion aus die Spannungsdifferenz zwischen dem nichtinvertierenden und dem invertierenden Eingang. Der erste Stromausgang ist mit dem invertie renden Eingang verbunden und der zweite Stromausgang, der den Ausgang des Leitungstreibers bildet, ist über eine Rückkopplungskonduktanz mit dem invertierenden Eingang verbunden. Eine Eingangskonduktanz ist von dem invertierenden Eingang nach Erde verbunden und das Eingangssignal ist mit dem nicht-invertierenden Eingang verbunden. Die von dem ersten und dem zweiten Stromausgang gelieferten Ströme sind durch ein vorbestimmtes Verhältnis zueinander proportional. Durch eine geeignete Wahl dieses vorbestimmten Verhältnisses und der Rückkopplungs- und Eingangskonduktanzen kann die gewünschte Ausgangimpedanz und Gesamtverstärkung des Leitungstreibers in eine gegebene Belastungsimpedanz erreicht werden. Dieser bekannte Leitungstreiber bildet einen Leitungstreiber mit einer spezifischen Ausgangsimpedanz ohne Spannungsamplitudenverlust der Reihenwiderstandsannäherung. Die Ausgangsimpedanz diese bekannten Leitungstreibers ist aber noch immer abhängig von Schwankungen in dem gewählten Ausgangsstromverhältnis und von Schwankungen in dem Wert der gewählten Eingangs- und Rückkopplungstranskonduktanzen.
Deswegen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Leitungstreiber zu schaffen, der keinen Spannungsverlust aufweist und der eine Ausgangsimpedanz hat, die weniger empfindlich ist für die genannten Schwankungen. Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Leitungstreiber geschaffen, der die nachfolgenden Elemente aufweist:
- eine Eingangsklemme zum Empfangen eines Eingangssignals,
- eine Ausgangsklemme zum Verbinden einer Belastung,
- einen ersten und einen zweiten Transkonduktanz-gesteuerten Transkonduktor mit im Wesentlichen gleichen Transkonduktanzen, wobei diese Transkonduktanzen mit Hilfe eines Steuersignals steuerbar sind, das einem gemeinsamen Steuereingang zugeführt wird, wobei jeder Transkonduktor einen nicht-invertierenden Eingang, einen invertierenden Eingang, und einen Ausgang hat, wobei ein Eingang des ersten Transkonduktors und ein entsprechender Eingang des zweiten Transkonduktors mit der Eingangsklemme gekoppelt sind, wobei die Ausgänge des ersten und des zweiten Transkonduktors mit der Ausgangsklemme gekoppelt ist, wobei der andere Eingang des ersten Transkonduktors mit einem Punkt mit Bezugspotential gekoppelt ist, wobei der andere Eingang des zweiten Transkonduktors mit der Ausgangsklemme gekoppelt ist, und
- einen Verstärker mit einem nicht-invertierenden Eingang, einem invertierenden Eingang und mit einem Ausgang, wobei einer der Eingänge des Verstärkers mit der Eingangsklemme gekoppelt ist, wobei der andere Eingang des Verstärkers mit der Ausgangs klemme gekoppelt ist und wobei der Ausgang des Verstärkers mit dem gemeinsamen Steuereingang gekoppelt ist, und zwar zum Liefern des Steuersignals.
Der Leitungstreiber nach der vorliegenden Erfindung passt die Ausgangsimpedanz automatisch an die Impedanz der Belastung an und gleicht Prozessschwankungen zu einem großen Teil aus. Weiterhin schafft die Architektur des Leitungstreibers überhaupt keinen Spannungsverlust.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im vorliegenden Fall näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform eines Leitungstreibers nach der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform eines Leitungstreibers nach der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 ein Schaltbild eines Teils der zweiten Ausführungsform nach Fig. 2. In den Figuren haben entsprechende Elemente das gleiche Bezugszeichen.
Fig. 1 zeigt den Grundsatz des adaptiven Leitungstreibers nach der vorliegenden Erfindung. Dieser Leitungstreiber umfasst eine Eingangsklemme 2 zum Empfangen einer Eingangsspannung Vin von einer Eingangsspannungsquelle 4 gegenüber einem Punkt 6 mit Bezugspotential, wobei dieser Punkt mit Signalerde verbunden ist. Eine Belastung 8 stellt eine abgeschlossene Übertragungsleitung dar mit einer charakteristischen Impedanz RL verbunden mit einer Ausgangsklemme 10 und mit Erde. Die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom an der Ausgangsklemme 10 sind Vout bzw. Iout. Der Leitungstreiber umfasst weiterhin einen ersten Transkonduktanz-gesteuerten Transkonduktor 12 mit einem nicht- invertierenden Eingang 14, einem invertierenden Eingang 16, einem Ausgang 18, und einen zweiten Transkonduktanz-gesteuerten Transkonduktor 22 mit einem nicht-invertierenden Eingang 24, einem invertierenden Eingang 26 und einem Ausgang 28. Die Transkonduktanz gm des ersten Transkonduktors 12 und die des zweiten Transkonduktors 22 entsprechen einander im Wesentlichen und können mit Hilfe eines Steuersignals an einem gemeinsamen Steuereingang 20 gesteuert werden. Die nicht-invertierenen Eingänge 14 und 24 des ersten und des zweiten Transkonduktors 12 und 22 sind mit der Eingangsklemme 2 gekoppelt und empfangen die Eingangsspannung Vin. Die Ausgänge 18 und 28 des ersten und des zweiten Transkonduktors 12 und 22 sind mit der Ausgangsklemme 10 gekoppelt. Der invertierende Eingang 16 des ersten Transkonduktors 12 ist nach Erde verbunden und der invertierende Eingang 26 des zweiten Transkonduktors 22 ist mit der Ausgangsklemme 10 gekoppelt. Die Spannungsübertragung von der Eingangsklemme 2 zu der Ausgangsklemme 10 ist nicht-invertierend. Es ist ebenfalls ein Verstärker 32 vorgesehen, dessen nicht-invertierender Eingang 34 mit der Eingangsklemme 2 gekoppelt ist, dessen invertierender Eingang 36 mit der Ausgangsklemme 10 gekoppelt ist und dessen Ausgang mit dem Steuereingang 20 des ersten und des zweiten Transkonduktors 12 bzw. 22 gekoppelt ist. Es wird an dieser Stelle vorausgesetzt, dass eine Zunahme des Steuersignals an dem Steuereingang 20 dafür sorgt, dass die Transkonduktanz gm des ersten und des zweiten Transkonduktors 12 bzw. 22 zunimmt. Sollte dies nicht der Fall sein, so soll der nicht invertierende Eingang 34 und der invertierende Eingang 36 des Verstärkers vertauscht werden.
Nun wird die Schaltungsanordnung ohne den Verstärker 32 betrachtet. Der Effekt dieses Verstärkers wird nachher noch näher erläutert. Der Transkonduktor 12 und der Transkonduktor 22 haben im Wesentlichen die gleiche Transkonduktanz gm, was bei integrierten Schaltungen auf einfache Art und Weise erzielt werden kann. Diese Transkonduktanzen können mit Hilfe eines Steuersignals an dem Steuereingang 20 elektronisch variiert werden. Die Spannungsübertragung von Vin zu Vout ist:
Die Ausgangsimpedanz Rout des Leitungstreibers ist:
Rout = δVout/δIout = 1/gm (2)
Aus der Gleichung (2) folgt, dass die Ausgangsimpedanz Rout des Leitungstreibers durch die Transkonduktanz gm bestimmt wird, die elektronisch variiert werden kann. Es wird vorausgesetzt, dass gm derart abgestimmt wird, dass die Ausgangsimpedanz Rout der Impedanz RL der Belastung 8 entspricht. Für eine optimale Impedanzanpassung folgt dann, dass die optimale Transkonduktanz gmopt ist:
gmopt = 1/RL (3)
Eine Kombination der Gleichungen (1) und (3) führt dazu, dass Vout gleich Vin ist. Die Spannungsverstärkung des Leitungstreibers ist dann 1. Diese Tatsache kann ausgenutzt werden bei der Abstimmung von gm auf gmopt.
Der Verstärker 32 wird nun näher betrachtet. Der Verstärker 32 steuert die Transkonduktanz gm des ersten und des zweiten Transkonduktors 12 und 22 derart, dass die Spannungsdifferenz zwischen dem nicht-invertierenden Eingang 34 und dem invertie renden Eingang 36 virtuell Null wird, was dazu führt, dass Vout gleich Vin ist und folglich, dass gm gleich gmopt ist. Die Bandbreite des Verstärkers 32 kann kleiner sein als die Bandbreite der Transkonduktoren 12 und 22. In dem Fall wird die Transkonduktanz gm nur auf gmopt für niedrige Frequenzen abgestimmt. Für hohe Frequenzen ist die Steuerschleife nicht wirksam aber die Gleichung 2 ist nach wie vor gültig und die richtige Ausgangsimpedanz wird insofern die Bandbreite der Transkonduktoren es erlaubt, beibehalten.
Solange Vin dem Wert Vout entspricht, wird keine Spannung in dem Leitungstreiber verloren gehen und die differentielle Eingangsspangung des zweiten Transkonduktors 22 ist Null. Der zweite Transkonduktor 22 braucht dann nicht einen Ausgangsstrom zu erzeugen und verbraucht nur statische Leistung.
Zum Sparen von Leistung in den Transkonduktoren kann der Ausgangsstrom des ersten und des zweiten Transkonduktors 12 bzw. 22 außerdem mit Hilfe eines Stromspiegels, wie dieser in Fig. 2 dargestellt ist, multipliziert werden. In diesem Fall ist die Ausgangsklemme 10 mit einer Stromausgangsklemme 40 eines Stromspiegels 42 verbunden. Eine Stromeingangsklemme 44 des Stromspiegels 42 ist mit den Ausgängen 18 und 28 der Transkonduktoren 12 und 22 verbunden. Der Stromspiegel 42 hat eine Stromverstärkung k, die mit Hilfe eines Steuersignals an dem Steuereingang 20 gesteuert werden, der mit dem Ausgang 38 des Verstärkers 32 gekoppelt ist. Der nicht invertierende Eingang 34 und der invertierende Eingang 36 des Verstärkers 32 sollen umgetauscht werden, wenn ein zunehmendes Steuersignal an dem Steuereingang 20 eine abnehmende Stromverstärkung k verursachen würde. Der Stromspiegel 42 sorgt dafür, dass in der Stromübertragung von den zusammengenommenen Ausgängen 18 und 28 zu der Ausgangsklemme 10 eine Phasenumkehrung stattfindet. Aus diesem Grund müssen die nicht-invertierenden Eingänge 14 und 24 und die invertierenden Eingänge 16 und 26 der Transkonduktoren 22 und 12 auch umgetauscht werden, damit eine nicht invertierende Spannungsübertragung von der Eingangsklemme 2 zu der Ausgangsklemme 10 beibehalten wird.
Die Transkonduktoren 12 und 22 haben nun eine feste gleiche Transkonduktanz gm, die mit dem steuerbaren Faktor k des Stromspiegels 42 multipliziert wird. Der Gesamteffekt ist derselbe wie für den Leitungstreiber nach Fig. 1 dargelegt. Auf alternative Weise können die Transkonduktoren 12 und 22 außerdem einen gemeinsamen Steuereingang haben, wie in Fig. 1 dargestellt, der ebenfalls mit dem Ausgang 38 des Verstärkers 32 gekoppelt ist.
Die Transkonduktanz-gesteuerten Transkonduktoren 12 und 22 und der Verstärker 32 sind bekannte Anordnungen und sind kommerziell erhältlich. Jeder beliebige Transkonduktor oder operationelle Transkonduktanzverstärker (OTA) und jeder beliebige differentielle Verstärker, der für die beabsichtigte Applikation geeignet sind, können benutzt werden. Fig. 3 zeigt ein Beispiel des Stromspiegels 42. Der Ausgangszweig des Stromspiegels 42 wird durch eine Reihenschaltung aus einem PMOS-Transistor 50 und einem Widerstand 52 zwischen der Stromausgangsklemme 40 und einer positiven Speiseklemme 54 gebildet. Die Drain-Elektrode des Transistors 50 ist mit der Stromausgangsklemme 40 verbunden und die Source-Elektrode ist über den Widerstand 52 mit der positiven Speiseklemme 54 verbunden. Der Eingangszweig wird durch eine Parallelschaltung eines Widerstandes 56 und die Drain-Source-Strecke eines PMOS-Transistors 58 gebildet, die beide zwischen der Stromeingangsklemme 44 und der positiven Speiseklemme 54 vorgesehen sind. Die Gate-Elektrode des Transistors 58 ist mit dem Steuereingang 20 gekoppelt zur Steuerung des Widerstandes des PMOS-Transistors. Eine Vergleichsschaltung 60 vergleicht den Spannungsabfall an dem Widerstand 52 mit dem Spannungsabfall an den parallel geschalteten Widerständen 56 und 58 und treibt die Gate-Elektrode des Transistors 50 an zum Ausgleichen der Spannungsabfälle. Durch Änderung des Widerstandswertes des Transistors 58 kann das Verhältnis k zwischen dem Strom an der Stromeingangsklemme 44 und dem Strom an der Stromausgangsklemme 40 variiert werden.
Der Leitungstreiber nach der vorliegenden Erfindung kann in LAN-Netzwerken für Computersysteme, in Videopuffern, Audio-Leitungstreibern, Telephonkommunikationsnetzwerken und dergleichen angewandt werden.

Claims

1. Leitungstreiber, der die nachfolgenden Elemente aufweist:

- eine Eingangsklemme (2) zum Empfangen eines Eingangssignals,

- eine Ausgangsklemme (10) zum Verbinden einer Belastung (8),

- einen ersten (12) und einen zweiten (22) Transkonduktanz-gesteuerten Transkonduktor mit im Wesentlichen gleichen Transkonduktanzen, wobei diese Transkonduktanzen mit Hilfe eines Steuersignals steuerbar sind, das einem gemeinsamen Steuereingang (20) zugeführt wird, wobei jeder Transkonduktor einen nicht-invertierenden Eingang (14; 24), einen invertierenden Eingang (16; 26), und einen Ausgang (18; 28) hat, wobei ein Eingang (14) des ersten Transkonduktors (12) und ein entsprechender Eingang (24) des zweiten Transkonduktors (22) mit der Eingangsklemme (2) gekoppelt sind, wobei die Ausgänge (18; 28) des ersten (12) und des zweiten (22) Transkonduktors mit der Ausgangsklemme (10) gekoppelt ist, wobei der andere Eingang (16) des ersten Transkonduktors (12) mit einem Punkt (6) mit Bezugspotential gekoppelt ist, wobei der andere Eingang (26) des zweiten Transkonduktors (22) mit der Ausgangsklemme (10) gekoppelt ist, und

- einen Verstärker (32) mit einem nicht-invertierenden Eingang (34), einem invertierenden Eingang (36) und mit einem Ausgang (38), wobei einer (34) der Eingänge (34; 36) des Verstärkers (32) mit der Eingangsklemme (2) gekoppelt ist, wobei der andere Eingang (36) des Verstärkers (32) mit der Ausgangsklemme (10) gekoppelt ist und wobei der Ausgang (38) des Verstärkers (32) mit dem gemeinsamen Steuereingang (20) gekoppelt ist, und zwar zum Liefern des Steuersignals.

2. Leitungstreiber, der die nachfolgenden Elemente aufweist:

- eine Eingangsklemme (2) zum Empfangen eines Eingangssignals,

- eine Ausgangsklemme (10) zum Verbinden einer Belastung,

- einen ersten (12) und einen zweiten (22) Transkonduktanz-gesteuerten Transkonduktor mit im Wesentlichen gleichen Transkonduktanzen, wobei diese Transkonduktanzen mit Hilfe eines Steuersignals steuerbar sind, das einem gemeinsamen Steuereingang (20) zugeführt wird, wobei jeder Transkonduktor einen nicht-invertierenden Eingang (14; 24), einen invertierenden Eingang (16; 26), und einen Ausgang (18; 28) hat, wobei ein Eingang (14) des ersten Transkonduktors (12) und ein entsprechender Eingang (24) des zweiten Transkonduktors (22) mit der Eingangsklemme (2) gekoppelt sind, wobei der andere Eingang (16) des ersten Transkonduktors (12) mit einem Punkt (6) mit Bezugspotential gekoppelt ist, wobei der andere Eingang (26) des zweiten Transkonduktors (22) mit der Ausgangsklemme (10) gekoppelt ist, und

- einen Stromspiegel (42) mit einer Stromeingangsklemme (44), die mit den Ausgängen (18; 28) des ersten (12) und des zweiten (22) Transkonduktors gekoppelt ist und dessen Stromausgangsklemme (40) mit der Ausgangsklemme (10) gekoppelt ist, wobei die Stromverstärkung zwischen der Stromausgangsklemme (40) und der Stromeingangsklemme (44) des Stromspiegels (42) in Reaktion auf das Steuersignal an dem gemeinsamen Steuereingang (20) steuerbar ist,

3. Leitungstreiber, der die nachfolgenden Elemente aufweist:

- eine Eingangsklemme (2) zum Empfangen eines Eingangssignals,

- eine Ausgangsklemme (10) zum Verbinden einer Belastung (8),

- einen ersten (12) und einen zweiten (22) Transkonduktor mit im Wesentlichen gleichen Transkonduktanzen, wobei jeder Transkonduktor einen nicht-invertierenden Eingang (14; 24), einen invertierenden Eingang (16; 26), und einen Ausgang (18; 28) hat, wobei ein Eingang (14) des ersten Transkonduktors (12) und ein entsprechender Eingang (24) des zweiten Transkonduktors (22) mit der Eingangsklemme (2) gekoppelt sind, wobei der andere Eingang (16) des ersten Transkonduktors (12) mit einem Punkt (6) mit Bezugspotential gekoppelt ist, wobei der andere Eingang (26) des zweiten Transkonduktors (22) mit der Ausgangsklemme (10) gekoppelt ist, und

- einen Stromspiegel (42) mit einer Stromeingangsklemme (44), die mit den Ausgängen (18; 28) des ersten (12) und des zweiten (22) Transkonduktors gekoppelt ist und dessen Stromausgangsklemme (40) mit der Ausgangsklemme (10) gekoppelt ist, und mit einem Steuereingang (20), wobei die Stromverstärkung zwischen der Stromausgangsklemme (40) und der Stromeingangsklemme (44) des Stromspiegels (42) in Reaktion auf ein Steuersignal an dem Steuereingang (20) steuerbar ist,

- einen Verstärker (23) mit einem nicht-invertierenden Eingang (34), einem invertierenden Eingang (36) und mit einem Ausgang (38), wobei einer (34) der Eingänge (34; 36) des Verstärkers (32) mit der Eingangsklemme (2) gekoppelt ist, wobei der andere Eingang (36) des Verstärkers (32) mit der Ausgangsklemme (10) gekoppelt ist und wobei der Ausgang (38) des Verstärkers (32) mit dem Steuereingang (20) gekoppelt ist, und zwar zum Liefern des Steuersignals.