JP7583676B2

JP7583676B2 - 差動通信回路

Info

Publication number: JP7583676B2
Application number: JP2021100910A
Authority: JP
Inventors: 茂樹大塚; 炯竣羅; 卓祐伊藤; 善一古田; 智裕根塚
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp; Mirise Technologies Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp; Mirise Technologies Corp
Priority date: 2021-06-17
Filing date: 2021-06-17
Publication date: 2024-11-14
Anticipated expiration: 2041-06-17
Also published as: US20220407748A1; CN115499255B; JP2023000216A; CN115499255A; US11831471B2

Description

本発明は、差動信号により通信を行う回路に関する。

差動信号を用いて行う通信を、車両や産業機器等に適用するため、コモンモードノイズ耐性を向上させた規格としてＣＡＮ（登録商標）や、マルチポイント低電圧伝送であるＭ－ＬＶＤＳ等が知られている。これらの通信では、一般艇に送受信回路間をＵＴＰ（Unshielded Twist Pare）ケーブルで接続し、信号の反射を防ぐため、線路の両端に特性インピーダンスに合わせた終端抵抗を接続する。例えば線路の特性インピーダンスが１００Ωであれば、終端抵抗の抵抗値も１００Ωにする。

特許５４９８５２７号公報

上記のように通信線路を構成すると、合成抵抗値は特性インピーダンスの１／２となる。そのため、単方向通信であり、送信回路については受信端のみを終端するＬＶＤＳ方式と同程度のＳＮ比を確保するために信号の電圧振幅を維持することを考慮すると、消費電力が２倍となってしまう。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、送信時に要する電力を削減できる差動通信回路を提供することにある。

請求項１記載の差動通信回路によれば、接続スイッチがオンになると、抵抗素子が差動通信を行うための正側及び負側通信線間に接続されるように構成された直列回路を備え、制御部は、送信部が通信線路に差動信号を出力しない期間に接続スイッチをオンにして通信線路のインピーダンスを変化させる。

このように構成すれば、送信部が通信線路に差動信号を出力した際に、通信線路においてインピーダンスの不整合があったとしても、差動信号の出力後に制御部が接続スイッチをオンにして抵抗素子を正側及び負側通信線間に接続することで、通信線路のインピーダンスを変化させて反射波の発生を抑制できる。したがって、終端抵抗の抵抗値をより大きな値に設定して、差動信号の送信時における電力消費を低減することが可能になる。

具体的には、特性インピーダンスよりも抵抗値が大となる終端抵抗を備えた通信線路に接続される際に、直列回路を構成する抵抗素子の抵抗値を、接続スイッチをオンにした際の終端抵抗との合成値が前記特性インピーダンスに等しくなるように設定する。これにより、差動信号の送信時における電力消費を抵抗値が大となる終端抵抗により低減すると共に、差動信号の出力後は、その終端抵抗と直列回路を構成する抵抗素子との抵抗の合成値を特性インピーダンスに整合させて反射波の発生を抑制できる。

請求項２記載の差動通信回路によれば、制御部は、受信部が差動信号を受信する期間は接続スイッチをオフにし、信号の送信期間に送信部が差動信号を出力しない際に接続スイッチをオンにすることで多値化した差動信号を送信する。一般に差動通信では、正側及び負側通信線を駆動する極性を変化させることで、「１，０」又は「Ｈ，Ｌ」の２値信号を送信する。送信部が差動信号を出力しなければ、正側及び負側通信線はハイインピーダンス状態となるが、その際に制御部が接続スイッチをオンにすれば、正側及び負側通信線は第３の駆動状態になる。この第３の駆動状態を例えば「Ｚ」とすれば、「Ｈ，Ｌ，Ｚ」の３値信号を送信することが可能になる。

第１実施形態であり、通信システムの構成を示す図送信回路により送信される差動信号の波形を示す図第２実施形態であり、送信回路により送信される差動信号の波形を示す図第３実施形態であり、通信システムの構成を示す図第４実施形態であり、通信システムの構成を示す図送信回路により送信される差動信号の波形を示す図第５実施形態であり、通信システムの構成を示す図送信回路により送信される差動信号の波形を示す図第６実施形態であり、通信システムの構成を示す図

（第１実施形態）
図１に示すように、本実施形態の通信システムは、一対のツイストペア線である通信線１ｐ及び１ｎからなる通信線路２に、差動通信を行う送受信回路３Ａ，３Ｂが接続されたものである。送受信回路３において、電源Ｖｃｃとグランドとの間には、送信回路４が接続されている。送信回路４は、一端が電源に接続される定電流源５，送信部６及び一端がグランドに接続される定電流源７の直列回路を備えている。

送信部６は、ソースが定電流源５に接続されるＰチャネルＭＯＳＦＥＴ８及び９と、ソースが定電流源７に接続されるＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１０及び１１とで構成される。ＦＥＴ８及び１０のドレインは通信線１ｐに接続されており、ＦＥＴ９及び１１のドレインは通信線１ｎに接続されている。

ＦＥＴ８～１１には、図示しない制御部によってゲート信号が与えられ、これにより、通信線路２に差動信号が送信される。通信線１ｐ，１ｎには、Ｖｃｏｍ回路１２により抵抗素子Ｒｐ，Ｒｎを介して中点電位が付与されている。制御部がＦＥＴ８及び１１をオンすれば通信線１ｐが高電位，通信線１ｎが低電位になり、制御部がＦＥＴ９及び１０をオンすれば通信線１ｐが低電位，通信線１ｎが高電位になる。このようにして、通信線路２が駆動される。受信部に相当するＲＸ回路１３は受信回路であるが、本実施形態は信号の受信については特徴が無いため、その詳細は図示しない。

通信線路２の特性インピーダンスは、例えば１００Ωであるとする。これに対して、送受信回路３の外部で通信線１ｐ，１ｎに接続されている終端抵抗１４の抵抗値は、通常は１００Ωとするが、本実施形態では２００Ωにしている。そして、送受信回路３の内部では最終段において、通信線１ｐ，１ｎ間に抵抗値変化部１５が接続されている。抵抗値変化部１５は、スイッチ１６ｐ，抵抗素子１７及びスイッチ１６ｎの直列回路で構成されており、スイッチ１６ｐ及び１６ｎのオンオフも制御部により制御される。スイッチ１６は、接続スイッチに相当する。

次に、本実施形態の作用について説明する。通信線路２に送信された差動信号を送受信回路３のＲＸ回路１３が受信する場合、制御部は、スイッチ１６ｐ及び１６ｎを共にオフにしておく。これにより、特性インピーダンスよりも抵抗値が大である２００Ωの終端抵抗１４によって、電力消費を低減する。

そして、図２に示すように、送受信回路３が信号を送信する期間では、制御部は、送信部６が通信線１ｐ，１ｎを駆動するタイミングに合わせてスイッチ１６ｐ及び１６ｎを共にオフにし、それ以外の通信線１ｐ，１ｎをハイインピーダンスにする期間は、スイッチ１６ｐ及び１６ｎを共にオンにする。これにより、送信部６が通信線１ｐ，１ｎを駆動する際の電力消費を低減すると共に、信号を送信した後は終端抵抗１４と抵抗素子１７との並列合成抵抗値を１００Ωにして、通信線路２の特性インピーダンスに整合させることで反射波の発生を抑制する。

以上のように本実施形態によれば、送受信回路３において、スイッチ１６ｐ及び１６ｎがオンになると、抵抗素子１７が通信線１ｐ，１ｎ間に接続されるように構成された抵抗変化部１５を備える。制御部は、送信回路４の送信部６が通信線路２に差動信号を出力しない期間にスイッチ１６ｐ及び１６ｎをオンにして、通信線路２のインピーダンスを変化させる。

このように構成すれば、送信部６が差動信号を出力した際に、通信線路２においてインピーダンスの不整合があったとしても、差動信号の出力後に制御部がスイッチ１６ｐ及び１６ｎをオンにして、抵抗素子１７を通信線１ｐ，１ｎ間に接続することで通信線路２のインピーダンスを変化させて、反射波の発生を抑制できる。したがって、終端抵抗１４の抵抗値をより大きな値に設定して、差動信号の送信時における電力消費を低減することが可能になる。

具体的には、抵抗素子１７の抵抗値を、スイッチ１６ｐ及び１６ｎをオンにした際の終端抵抗１４との合成値が、通信線路２の特性インピーダンスに等しくなるように設定する。これにより、差動信号の送信時における電力消費を抵抗値が大となる終端抵抗１４により低減すると共に、差動信号の出力後は、その終端抵抗１４と抵抗素子１７との抵抗の合成値を特性インピーダンスに整合させて反射波の発生を抑制できる。

（第２実施形態）
以下、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。第１実施形態では、送信部６が通信線路２を駆動せず、通信線路２がハイインピーダンスとなる期間において、スイッチ１６ｐ及び１６ｎをオンにしている。これに対して、第２実施形態では、図３に示すように、送信データフレーム中に通信線路２をハイインピーダンスにする状態を、送信データの第３値として扱う。

例えば、通信線１ｐ側が高電位となる状態を「Ｈ」とし、通信線１ｎ側が高電位となる状態を「Ｌ」として、通信線路２がハイインピーダンスとなる状態を「Ｚ」とする。そして、制御部は、送信データフレーム中で通信線路２をハイインピーダンスにする際に、スイッチ１６ｐ及び１６ｎをオンにする。これにより、送信期間と受信期間との切り分けを行う。

以上のように第２実施形態によれば、制御部は、ＲＸ回路１３が差動信号を受信する期間はスイッチ１６ｐ及び１６ｎをオフにし、信号の送信期間に送信部６が差動信号を出力しない際にスイッチ１６ｐ及び１６ｎをオンにすることで多値化した差動信号を送信する。これにより「Ｈ，Ｌ，Ｚ」の３値信号を送信することが可能になる。

（第３実施形態）
図４に示すように、第３実施形態の送受信回路２１は、抵抗変化部１５に替わる抵抗変化部２２を備えている。抵抗変化部２２は、抵抗素子２３ｐ，スイッチ２４ｐ及び２４ｎ，並びに抵抗素子２３ｎを直列に接続したものである。抵抗素子２３ｐ，２４ｎの抵抗値は、何れも１００Ωである。そして、スイッチ２４ｐ及び２４ｎの共通接続点は、Ｖｃｏｍ回路１２の給電点に接続されている。

以上のように構成される場合も、制御部がスイッチ２４ｐ及び２４ｎをオンにして、抵抗素子２３ｐ及び２４ｎを通信線１ｐ，１ｎ間に接続することで通信線路２の特性インピーダンスに整合させて、反射波の発生を抑制できる。また、この際には、Ｖｃｏｍ回路１２の給電点からのバイアス抵抗の値がより低い値になる。

（第４実施形態）
図５に示すように、第４実施形態の送受信回路３１は、第１実施形態の送受信回路３における送信回路４を、送信回路３２に置換えたものである。送信回路３２は、定電流源５，７に、それぞれ定電流源３３，３４を並列に接続した構成である。定電流源３３，３４は制御部によって制御され、常には動作を停止している。そして、図６に示すように、送信部６が差動信号を送信する際の冒頭の期間だけ動作されることにより、送信部６に供給する電流値を一時的に追加する。

例えば、定電流源５，７が流す電流値をＩＰ１，ＩＮ１とし、定電流源３３，３４が流す電流値をＩＰ２，ＩＮ２とする。勿論、（ＩＰ１＝ＩＮ１，ＩＰ２＝ＩＮ２）であり、（ＩＰ１＞ＩＰ２）である。そして、図６に示すように、送信回路３２が図４と同様にして差動信号を送信する期間の冒頭に流す電流を（ＩＰ１＋ＩＰ２）とすることで、信号の送信波形を補整して反射波の振幅をより低減させる。定電流源３３，３４は、振幅補整部の一例である。

（第５実施形態）
図７に示す第５実施形態の送受信回路４１は、第４実施形態の変形である。送信回路４２では、定電流源５に替えて抵抗素子４３が接続され、定電流源７に替えてカレントミラー回路４４が接続されている。カレントミラー回路４４は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ４５ａ及び４５ｂのミラー対を備え、それらのソースはグランドに接続されている。また、両者のゲートはＦＥＴ４５ａのドレインに接続されており、そのドレインには定電流源４６が接続されている。ＦＥＴ４５ｂのドレインは、ＦＥＴ１０及び１１のソースに接続されている。そして、ＦＥＴ８及び９のソースとＦＥＴ４５ａ及び４５ｂのゲートとの間には、コンデンサ４７が接続されている。

次に、第５実施形態の作用について説明する。コンデンサ４７は、送信部６が差動信号を送信しない期間に、抵抗素子４３を介して充電された状態にある。そして、送信部６が差動信号の送信を開始するため、ＦＥＴ８及び１１，又はＦＥＴ９及び１０をオンにすると、コンデンサ４７に充電されている電荷が、ＦＥＴ４５ａ及び４５ｂのゲートに過渡的に放電される。これにより、図８に示すように、差動信号を送信する期間の冒頭に流れる電流が、一時的に（ＩＮ１＋ＩＮ２）となるので、第４実施形態と同様に信号の送信波形を補整して、反射波の振幅を低減させることができる。

（第６実施形態）
図９に示す第６実施形態は、第１実施形態の送受信回路３Ａ，３Ｂ間を接続する通信線路５１が、絶縁通信を行う構成となっている。送受信回路３Ａ，３Ｂそれぞれの終端抵抗１４には、ＡＣ結合部５２Ａ，５２Ｂが並列に接続されている。ＡＣ結合部５２は、例えば容量結合やトランス結合を行うものである。このように、絶縁通信を行う通信線路５１についても同様に適用が可能である。

（その他の実施形態）
終端抵抗１４，抵抗素子１７の抵抗値の組み合わせは、１００Ω／１００Ωに限らない。前者の抵抗値を通信線路２の特性インピーダンスよりも大きく設定し、且つ両者の並列合成抵抗値が特性インピーダンスに等しくなる組み合わせであれば良く、例えば３００Ω／１５０Ω等でも良い。
特性インピーダンスが１００Ω以外の通信線路に適用しても良い。

本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

図面中、１ｐ及び１ｎは通信線、２は通信線路、３は送受信回路、４は送信回路、６は送信部、１４は終端抵抗、１５は直列回路、１６ｐ及び１６ｎはスイッチ、１７は抵抗素子である。

Claims

差動通信を行うための正側及び負側通信線（１ｐ，１ｎ）からなる通信線路（２，５１）に接続され、
抵抗素子（１７，２３）及び接続スイッチ（１６，２４）を有し、前記接続スイッチがオンになると前記抵抗素子が前記正側及び負側通信線間に接続されるように構成された直列回路（１５，２２）と、
前記通信線路に差動信号を出力して送信する送信部（６）と、
この送信部が前記差動信号を出力しない期間に、前記接続スイッチをオンにして前記通信線路のインピーダンスを変化させる制御部とを備え、
前記通信線路が、当該線路の特性インピーダンスよりも抵抗値が大となる終端抵抗を有している際に、
前記抵抗素子の抵抗値は、前記接続スイッチをオンにした際の前記終端抵抗との合成値が、前記特性インピーダンスに等しくなるように設定されている差動通信回路。
差動通信を行うための正側及び負側通信線（１ｐ，１ｎ）からなる通信線路（２，５１）に接続され、
抵抗素子（１７，２３）及び接続スイッチ（１６，２４）を有し、前記接続スイッチがオンになると前記抵抗素子が前記正側及び負側通信線間に接続されるように構成された直列回路（１５，２２）と、
前記通信線路に差動信号を出力して送信する送信部（６）と、
この送信部が前記差動信号を出力しない期間に、前記接続スイッチをオンにして前記通信線路のインピーダンスを変化させる制御部と、
前記通信線路に出力された差動信号を受信する受信部（１３）とを備え、
前記制御部は、前記受信部が差動信号を受信する期間は接続スイッチをオフにし、
信号の送信期間において、前記送信部が前記差動信号を出力しない際に前記接続スイッチをオンにすることで、多値化した差動信号を送信する差動通信回路。
前記通信線路が、当該線路の特性インピーダンスよりも抵抗値が大となる終端抵抗を有している際に、
前記抵抗素子の抵抗値は、前記接続スイッチをオンにした際の前記終端抵抗との合成値が、前記特性インピーダンスに等しくなるように設定されている請求項２記載の差動通信回路。
前記正側及び負側通信線のそれぞれに、コモン電圧を付与するコモン電圧回路（１２）を備え、
前記直列回路（２２）は、正側抵抗素子（２３ｐ）及び正側接続スイッチ（２４ｐ）と、負側抵抗素子（２３ｎ）及び負側接続スイッチ（２４ｎ）とを直列に接続して構成され、
前記正側接続スイッチと前記負側接続スイッチとの共通接続点は、前記コモン電圧回路の給電点に接続されている請求項１から３の何れか一項に記載の差動通信回路。
前記送信部が前記差動信号の出力を開始した際の立ち上り期間に、前記差動信号の振幅をその他の期間よりも増大させる振幅補整部（３３，３４，４７）を備える請求項１から４の何れか一項に記載の差動通信回路。
前記振幅補整部（３３，３４）は、前記送信部が前記通信線路に供給する電流の値を一時的に増大させるように構成されている請求項５記載の差動通信回路。
前記送信部（４２）は、直列に接続され、両者の共通接続点が前記正側通信線に接続される電源側スイッチ（８）及びグランド側スイッチ（１１）と、
直列に接続され、両者の共通接続点が前記負側通信線に接続される電源側スイッチ（９）及びグランド側スイッチ（１０）と、
電源と、前記電源側スイッチとの間に接続される電源側抵抗素子（４３）と、
前記グランド側スイッチとグランドとの間に接続されるカレントミラー回路（４４）とを備え、
前記振幅補整部は、前記電源側抵抗素子及び前記電源側スイッチの共通接続点と、前記カレントミラー回路を構成するミラー対との間に接続されるコンデンサ（４７）で構成される請求項６記載の差動通信回路。