УСТРОЙСТВО СОПРЯЖЕНИЯ ТОКОВОГО РЕЖИМА ДЛЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ СВЯЗИ ВНЕ МИКРОСХЕМ
CURRENT MODE COUPLER FOR HIGH-SPEED COMMUNICATION OUTSIDE MICROCIRCUIT CHIPS

Данная заявка испрашивает приоритет предварительной патентной заявки США № 60/664,916, зарегистрированной 23 марта 2005 г. и озаглавленной "Устройство сопряжения токового режима для высокоскоростной связи вне микросхем".
Уровень техники
В различных применениях для осуществления связи требуются две или больше интегральные схемы (ИС) или "микросхемы". Общепринятые способы пересылки данных от микросхемы к микросхеме включают в себя ЗРЗЛ (заканчивающуюся рядом заглушек логику), ДПСНН (дифференциальную передачу сигналов низкого напряжения), ЛПЭСНН (логику с положительной эмиттерной связью низкого напряжения), ЛТР (логику токового режима) и другие дифференциальные методы. Для применений с очень высоким быстродействием и пропускной способностью схемы дифференциальной передачи сигналов с низким размахом, подобные ДПСНН, имеют преимущества по сравнению с передачей сигналов КМОП (комплементарного металло-оксидного полупроводника) с размахом, равным напряжению питания, при которой они потребляют меньше мощности, производят меньше электромагнитных помех (ЭМП) и демонстрируют хорошую помехоустойчивость благодаря их природе дифференциальной передачи сигналов.
Устройство сопряжения микросхемы с микросхемой ДПСНН использует разницу в напряжении между двумя проводами передачи, чтобы сообщать информацию. Передатчик в одной микросхеме вводит небольшой ток в один или в другой провод, в зависимости от логического уровня, который требуется посылать, например логической "1" или логического "0". Ток проходит через сопротивление на приемном конце, составляющее приблизительно 100 Ом (согласованное с волновым сопротивлением проводов передачи), затем возвращается в противоположном направлении по другому проводу. Приемник в другой микросхеме считывает полярность этого напряжения для определения логического уровня. Небольшая амплитуда сигнала и сильная связь по электрическому полю и магнитному полю между этими двумя проводами снижает величину излучаемого электромагнитного шума.
ДПСНН и другие упомянутые выше дифференциальные методы представляют собой методы режима напряжения, в которых передаваемый ток преобразуется в напряжение на конце приемника, чтобы устанавливать различия между логической "1" и логическим "0". Шум в среде микросхем представляет собой, главным образом, шум напряжения, и следовательно, эти преобразованные сигналы напряжения имеют склонность к шумовой связи. Также высокая частота приводит к ослаблению уровней напряжения на конце приемника, представляя нижнюю линию для минимального требуемого размаха напряжения. Кроме того, точка, в которой выполняется преобразование тока в напряжение, испытывает значительное емкостное сопротивление, вносимое нагрузкой кабелей, емкостью штырьков, контактными площадками, диодами на электростатическом разряде (ЭСР) и т.д. Следовательно, скорость нарастания выходного напряжения (I/C) (индуктивность/емкость) высокоскоростной передачи сигналов может поддерживаться только посредством увеличения тока, что увеличивает потребляемую мощность.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - блок-схема устройства сопряжения приемопередатчика токового режима в соответствии с вариантом осуществления.
Фиг.2 - принципиальная схема одной реализации устройства сопряжения приемопередатчика токового режима фиг.1.
Фиг.3A-3C - графики, показывающие результаты моделирований, выполняемых с использованием устройства сопряжения приемопередатчика токового режима фиг.2.
Фиг.4 изображает мобильный телефон, включающий в себя устройство сопряжения приемопередатчика токового режима в соответствии с вариантом осуществления.
Подробное описание
Фиг.1 изображает устройство 100 сопряжения приемопередатчика токового режима в соответствии с вариантом осуществления. Устройство сопряжения включает в себя запускающее устройство 102, включенное в передающую микросхему, приемный блок 104, включенный в приемную микросхему, и двойные линии 105, 106 передачи. Каждая микросхема может включать в себя и запускающее устройство, и блок приемника для двунаправленной передачи данных между микросхемами. Также для пересылки данных параллельно между микросхемами могут использоваться множество устройств сопряжения.
Запускающее устройство 102 принимает конфигурацию 108 входных данных для передачи. Используется дифференциальная передача сигналов токового режима через две линии 105, 106 передачи. Основываясь на уровне напряжения входных данных 108, например на сигнале 150 ВЫСОКОГО напряжения (соответствующем логической "1") или сигнале НИЗКОГО напряжения (соответствующем логическому "0"), по одной из линий передачи посылается импульс тока, обеспечиваемый источником 110 тока. Переключатели 111, 112 управляют тем, через которую линию передачи, 105 или 106 соответственно, посылается импульс тока. В варианте осуществления каждый переключатель 111, 112 может быть закрыт в ответ на сигнал НИЗКОГО напряжения и открыт для сигнала ВЫСОКОГО напряжения с входным сигналом для переключателя 111, инвертируемым инвертором 114. Таким образом, для сигнала 150 ВЫСОКОГО напряжения (логическая "1") во входных данных 108 переключатель 111 закрыт, а переключатель 112 открыт, позволяя импульсу тока проходить через линию 105 передачи, а для сигнала 151 НИЗКОГО напряжения (логический "0") в конфигурацию 108 входных данных переключатель 112 закрыт, а переключатель 111 открыт, передавая импульс тока через линию 106 передачи.
Каждая из линий 105, 106 передачи может иметь волновое сопротивление 50 Ом, которое является общей величиной полного сопротивления для большинства дешевых средств связи. Обе линии передачи заканчиваются резистором 116 на приемном конце. Резистор 116 имеет величину, например, 100 Ом, выбираемую так, чтобы обеспечивать соответствующую согласованную нагрузку конца приемника. Этот резистор 116 и устройства 120, 121 токового зеркала определяют полное сопротивление приемного конца.
этал
сигнал
этал
В приемном блоке 104 компараторы 118, 119 токов могут использоваться для определения, через которую линию передачи был послан ток. Каждый компаратор 118, 119 токов может включать в себя токовое зеркало 120, 121 и источник 122, 123 эталонного тока I, который может составлять меньше чем 1 мА. В этом типе компаратора токов, когда входной ток I во входном узле 126 или 127 больше, чем эталонный ток I, напряжение в выходных узлах 128, 129 соответственно снизится до НИЗКОГО. В противном случае узел остается на ВЫСОКОМ уровне.
сигналA
сигналB
Когда импульс тока посылается через одну из линий 105 или 106 передачи, два токовых зеркала 120, 121 будут иметь в них разные токи, I 130 и I 131 соответственно. Эти дифференциальные токи отражаются с некоторым коэффициентом усиления K (в случае необходимости), и эти отраженные токи,
сигналA
сигналB
этал
K*I и K*I сравниваются с эталонным током I 124, обеспечиваемым через соответствующий источник 122, 123 тока. Это производит дифференциальное напряжение, ДАННЫЕ+ и ДАННЫЕ-, в выходных узлах 128, 129 компараторов 118, 119 токов. Затем приемник 130 каскадного операционного усилителя считывает дифференциальное напряжение и производит окончательное выходное напряжение сигнала с размахом, равным напряжению питания, ВЫХОДНЫЕ ДАННЫЕ 132.
сигналА
сигналB
Фиг.2 представляет собой принципиальную схему примерного варианта осуществления устройства 100 сопряжения, в котором переключатели 111, 112 являются МОП (металл-оксид-полупроводник) транзисторами с каналом p-типа, токовые зеркала 120, 121 представляют собой сконфигурированные в виде диодов токовые зеркала МОП-структур с каналом n-типа, а источники 110, 122, 123 эталонного тока получены из схемы генератора напряжения смещения. Для того чтобы проиллюстрировать работу устройства 100 сопряжения, показанного на фиг.2, будет описана примерная передача данных. Когда входные данные 108 на запускающем устройстве переходят на ВЫСОКОЕ 150 значение, сигнал ВЫСОКОГО напряжения заставляет переключатель 112 открыться, а сигнал, инвертируемый к сигналу НИЗКОГО напряжения инвертором 114, заставляет МОП переключатель 111 закрыться. Импульс тока от источника 110 тока будет передаваться через линию 105 передачи. Большая часть переданного тока будет вводиться в токовое зеркало 120, как I 130. Небольшое количество тока будет проходить через резистор 116 и входить в другое токовое зеркало 121, как I 131. Однако открытый переключатель 112 в запускающем устройстве будет предотвращать любое прохождение тока, проходящего через резистор 116, через другую линию 106 передачи. Это отличается от других дифференциальных способов, таких как ДПСНН, которые включают в себя тракт обратного тока, то есть, ток возвращается через непередающую линию.
этал
сигнал
сигнал
сигнал
этал
сигнал
этал
Эталонный ток I 124 от источников 122 и 123 эталонного тока выбирается так, чтобы он был ниже K*I передающей линии (в этом случае линии 105 передачи) и выше K*I непередающей линии (в этом случае линии 106 передачи). В компараторе 118 токов, K*I > I, заставляет узел 128 (ДАННЫЕ+) понизиться до НИЗКОГО уровня. В компараторе 119 токов, K*I < I, заставляет узел 129 (ДАННЫЕ-) перейти к ВЫСОКОМУ уровню. Приемник 130 каскадного операционного усилителя воспринимает разницу между этими двумя напряжениями и выводит сигнал НИЗКОГО напряжения, отражая НИЗКОЕ значение во входных данных 108.
этал
Фиг.3A-3C представляют собой графики, показывающие результаты моделирования работы устройства сопряжения приемопередатчика токового режима в соответствии с вариантом осуществления. Фиг.3A показывает конфигурацию 300 входных данных в запускающем устройстве, которая точно воспроизводится выходными данными 302 в приемном блоке, как показано на фиг.3B. Фиг.3C показывает соответствующие напряжения 304, 306 в выходных узлах (ДАННЫЕ+ 128, ДАННЫЕ- 129) компараторов токов в приемном блоке. В этом моделировании дифференциальный размах между ДАННЫМИ+ 128, ДАННЫМИ- 129 составляет 21 мВ. Однако этот размах может быть сделан выше посредством выбора более высокого значения для I. Дифференциальный размах в узлах 126 и 127 может быть сделан низким, например 10-15 мВ, что значительно ниже, чем в обычных методах режима напряжения (например, ~200 мВ). Также полное сопротивление оконечной нагрузки дальнего конца может быть свободно определено, и оконечная нагрузка источника в запускающем устройстве может использоваться для надлежащей оконечной нагрузки линии передачи.
Поскольку устройство 100 сопряжения использует передачу сигналов действительно токового режима, оно имеет очень высокую помехоустойчивость (обычно большую часть шума в микросхеме представляет режим напряжения). Также точка, в которой преобразование тока в напряжение выполняется в приемном блоке 104, то есть узлы 128 и 129, имеет очень низкую емкость (главным образом, емкость управляющего электрода), что помогает в улучшении скорости нарастания выходного напряжения (I/C) с тем же самым низким током. В варианте осуществления устройство сопряжения может достигать высокой пропускной способности с потребляемым током меньше чем 1 мА, который является значительно ниже обычного тока 3,5 мА, используемого в общепринятых методах ДПСНН. Другие преимущества включают в себя порядок величины экономии в мощности по сравнению с методами режима напряжения, высокий запас помехоустойчивости, облегчающий надежное проектирование, и сниженное внесение ЭМП.
Приемопередатчик устройства сопряжения токового режима может использоваться в ряде применений. Например, фиг.4 изображает мобильный телефон 400, включающий в себя устройство сопряжения приемопередатчика токового режима для пересылки данных между процессором 402 и контроллером 404 дисплея для жидкокристаллического дисплея (ЖКД) 406 (внутренние элементы показаны пунктирными линиями). Запускающее устройство 408 в процессоре 402 передает данные в приемный блок 410 в контроллере 404 дисплея через передающие линии 412. Как описано выше, каждая микросхема может включать в себя и запускающее устройство, и блок приемника для двунаправленной передачи данных, и могут использоваться множество устройств сопряжения для параллельного переноса данных между микросхемами.
Было описано некоторое количество вариантов осуществления. Однако должно быть понятно, что могут быть сделаны различные модификации, не выходя при этом за рамки сущности и объема данного изобретения. Соответственно, другие варианты осуществления находятся в пределах объема, определенного последующей формулой изобретения.