開關電流線路驅動器中的功率減小的制作方法

專利名稱：開關電流線路驅動器中的功率減小的制作方法
技術領域：
本發明涉及例如用于驅動串行信號下行傳輸線的線路驅動器，以使能電子設備不同部分之間的通信。
背景技術：
用于高速串行接口的線路驅動器需要驅動特征線路阻抗，從而傾向于在系統中消耗大量的功率。盡管有時在研究電壓開關，但是通常使用差分對平衡電流驅動級，以滿足速度、阻抗連續性和/或AC共模信號的需求。具體地，結合驅動器信號預加重的需求來看，差分對電流驅動技術比電壓開關技術相比更實用，因為對于電流驅動方案來講，可以非常容易地將電流相加和相減以實現預加重。預加重是有限脈沖響應濾波技術，以提供發送端均衡。發送端均衡被用于補償頻率依賴的傳輸損耗，導致接收端的碼間干擾的顯著減少。濾波器可以具有若干抽頭。預加重的一種簡單情形是2抽頭濾波器以增強信號轉換，這將導致與信號的低頻分量相比增加的高頻信號分量。典型地，當限制驅動器的最大輸出擺動時，可以衰減低頻成分來替代增強高頻成分。因此，有時將這種情況表示為去加重，但是本質上具有相同的功能。圖1中示出了不同的驅動器概念。典型地，在驅動器和負載之間典型地存在具有特定特征阻抗的傳輸線路。電路10示出了開關電壓驅動器，其中，開關裝置使電壓源與負載電阻器耦合，其中，極性取決于開關配置。通過串行數據流控制開關，使得二進制比特流控制施加到負載 2Ro上的電壓極性。電壓驅動器包括共模電壓源Vcom和兩個差分電壓源Vdif/2，使得負載上的輸出電壓(忽略開關損耗)是Vdif，其以Vcom為中心。電路10是DC耦合的實現方法，而電路10’是在負載的每端具有大外部電容器Cac的AC耦合的實現方法。電路12示出了互補式開關電流驅動器。該裝置中的開關裝置控制(再次由輸入串行數據流來控制)驅動來自一對電流源的電流通過負載的方向。電壓源將負載偏置到共模電壓，并且在共模電壓的每端存在兩個平衡電流源。共模電壓連接至與輸出負載并聯的電路支路的中點，以提供期望的驅動器輸出阻抗，并且限定了輸出信號的共模電平。對于雙終端傳輸線路，試圖將發射機輸出阻抗與接收機負載阻抗相匹配。共模電壓被鏡像到輸出負載的中點(使相等的電流通過兩條支路)。因此，可以在不用影響共模電壓的情況下適配被驅動流過負載的電流，原因在于在共模電壓每端平衡了電流源。這種互補式驅動器的源電流與匯電流是相等的，并且被驅動流向差分輸出的相反引腳，因此只有差分電流流過終端。圖12是DC耦合的實現方法，以及圖12’是在負載的每端具有電容器Cac的AC耦合的實現方法。電路14示出了匯開關電流驅動器。開關裝置控制(再次由輸入串行數據流控制) 電流流過輸出負載的方向，并且確定通過終端電壓源Vterm與電流源之間的終端的電流。電流源從電壓源匯入電流通過終端。電路14是DC耦合的實現方法，并且電路14’是在負載的每端具有電容器Cac的AC耦合的實現方法。電路16示出了源開關電流驅動器。開關裝置控制(再次由輸入串行數據流控制) 電流流過輸出負載的方向，并且確定通過電流源與終端電壓源Vterm之間的終端的電流。 電流源向電壓源發出通過終端的電流。電路16是DC耦合的實現方法，并且電路16’在負載的每端具有電容器Cac的AC耦合的實現方法。本發明涉及電流驅動技術。電流驅動技術的缺陷在于增加功耗。此外，隨著電源電壓的降低，互補式電流驅動變得不可能了，使得必須使用圖1中的匯電流裝置或源電流裝置。這意味著從一端驅動電流(電流不是雙向的)，而終端電壓接近于或等于相反供應軌道的電壓。這雖然提供了最大的電壓變化范圍，但是也增加了功耗。此外，這會因為共模電流將流過終端而使得共模電平取決于驅動電流，從而引起相對于終端電壓Vterm的電平移動，其中終端電壓取決于驅動強度。對于若干串行接口標準來說，線路驅動器必須支持多個驅動電平和/或多個預加重電平，其中在訓練階段期間確定最佳設置。該訓練階段被用于確定傳輸線路的性能，因為這進而指示預加重所需的電平，以補償高頻傳輸損耗。當傳輸線路與大外部電容器AC耦合時，不期望的是在改變驅動電平和/或預加重電平時，共模電平跳變。例如DisplayPort之類的一些標準就非常清楚地排除了這種情況。 這意味著在沒有進一步測量的情況下，線路驅動器的功耗總是與所支持的最大驅動電平的功耗一樣高，而這是不希望的。

發明內容
根據本發明，提供了一種通過去除對所需差分輸出信號沒有貢獻的輸出電流來減小差分開關電流線路驅動器功耗的方法。本發明基于以下認識可以(利用減小共模電壓的效果來)減小開關電流線路驅動器的電流輸出，使得對于所需的差分電流操作僅要求驅動電流。優選地，在確定所需差分電流的訓練階段之后進行這種減小。因此，優選地，該方法包括執行訓練過程，以確定針對所需的差分驅動所需輸出電流，并且在訓練過程期間保持恒定輸出電流；以及通過減少總電流但保持差分電流相同來去除對所需差分輸出電流沒有貢獻的輸出電流。這樣，訓練過程保持可靠。在線路驅動器電平訓練期間避免了共模變化，并且在訓練之后，將這種情況與冗余共模電流的逐漸去除進行組合，而不會干擾差分電平和/或鏈路的操作。這允許將針對所選擇的驅動(和預加重)電平的功耗減小到所需的最小量。可以使用包括多個單元的差分開關電流驅動器來產生輸出電流，其中，每個單元可控為處于至少四個狀態中的任一狀態，以及所述方法包括控制每個單元處于所述四個狀態之一，所述狀態包括a)將單元電流引導至第一輸出；b)將單元電流(Icell)引導至第二輸出；
c)將單元電流相等地劃分到第一輸出和第二輸出；d)禁用單元電流，所以沒有電流引導至第一輸出和第二輸出。這種分段電流驅動器使得與差分驅動電流的量獨立地來控制總輸出電流。應該注意的是替代劃分單個單元電流(以上的狀態C))，可以將單元配對，使得一個單元可以被看作是具有兩個子單元。可以通過使一對中的一個子單元將電流引導至第一輸出而一對中的另一個子單元將電流引導至另一輸出，來相等地劃分一對子單元的兩個電流之和。可以通過使單元輸出級的差分輸入電壓為零來完成針對單個單元(而不是一對子單元)的劃分單元電流狀態。在訓練過程期間，將單元從將單元電流引導至第一或第二輸出的狀態切換到劃分單元電流的狀態。這保持了電流的恒定。在去除過程期間，將單元從劃分單元電流的狀態切換到禁用狀態。這減少了總電流，但保持了差分電流。在訓練過程中，在將所有的單元或滿足最大可能差分電流要求的已知多個單元保持在引導至或者劃分狀態，從而保持來自單元的總電流恒定。該總電流對于訓練過程而言足夠大。這些措施意味著在訓練期間，在保持總輸出電流的同時適配差分驅動電流的量。 這確保了恒定的共模電平。在訓練之后，保持差分驅動電流恒定，同時將總輸出電流緩慢地減小到差分信號電平所需的最小值。本發明還提供一種包括多個單元的差分開關電流驅動器，其中每個單元支持至少以下四種狀態a)將單元電流引導至第一輸出；b)將單元電流(Icell)引導至第二輸出；c)將單元電流相等地劃分到第一輸出和第二輸出；d)禁用單元電流，所以沒有電流引導至第一輸出和第二輸出。再次，單元可以包括兩個子單元，其中，可以通過使一對中的一個子單元將電流弓I 導至第一輸出而一對中的另一個子單元將電流引導至另一個輸出來實現狀態C)。這種驅動器設計能夠執行上述方法。總之，每個單元包括差分輸出級，該差分輸出級被邏輯電路控制以實現單元狀態。可以提供模擬濾波器，用于當禁用單元電流時平滑輸出電流。每個單元可以包括兩個比特控制命令來控制單元狀態，并且包括數據使能命令和電流使能命令。這意味著可以使用簡單的控制字來控制單元狀態。驅動器可以包括產生基準單元電流的基準電流源，以及每個單元包括用于鏡像基準單元電流的電流鏡像電路。這確保了來自單元的一致的單元電流。


現在將參考附圖描述本發明的示例，其中圖1概念性地示出了各種線路驅動器類型電壓開關和電流開關、dc耦合和ac耦合；
圖2示出了本發明的分段開關電流線路驅動器技術；圖3示出了用于圖2電路的驅動器單元電路技術的示例；圖4示出了針對具有常數共模的差分電平訓練以及針對在非最大差分驅動電平的情況下訓練之后的節約功率步驟的共模電平和差分電平的行為示例；圖5示出了本發明的功耗減小過程。
具體實施例方式本發明提供一種通過去除對所需差分輸出信號沒有貢獻的輸出電流來減小差分開關電流線路驅動器功率消耗的方法。本發明還提供線路驅動器本身。例如可以在訓練階段期間保持該輸出電流恒定，并且可以在完成訓練階段之后進行電流去除。在根據本發明的線路驅動器中，可以與差分驅動電流的量獨立地控制總輸出電流。優選地，在訓練期間，適配差分驅動電流的量，同時保持總輸出電流恒定。這確保了恒定的共模電平。在訓練之后，保持差分驅動電流恒定，同時將總輸出電流緩慢地減小到差分信號電平所需的最小值。在圖2中示出了本發明的分段式電流線路驅動器。分段式電流線路驅動器包括N 個電流驅動單元20，每個電流驅動單元20接收差分數據輸入對dp_in和dn_in形式的數據輸入信號，但是由每個單元中的數據使能(DE)比特和驅動器單元電流使能(IE)比特來附加地控制電流驅動單元20。數目N限定了步長大小或分辨率。此外，在預加重的情況下，期望的是實現抽頭系數之間的特定比率。可以基于期望的驅動強度分辨率、預加重設置、精度和最小步長大小來確定所需的單元數目。在一個示例中，24個單元使得能夠對于驅動強度和加重來實現 3. 5/6/9. 5dB 的設置。通常，可以存在16個或更多的單元，例如，24、32、64、1 或256個單元。甚至可以存在更多的單元。單元的數目越大，所需的電路越多，但是獨立地控制差分電流和總電流越強。所有單元與公共輸出dn_out和dp_out相連，公共輸出dn_out和dp_out與輸出負載的相反側相連。圖2示出了匯裝置，其中終端電壓Vterm通過電阻器M給電流單元供電。再次，電阻器具有輸出電阻一半的阻抗。“IE”比特[1]使能每個單元的單元電流“Icell”或“IE”比特
禁用每個單元的單元電流“Icell”或“IE”。“DE”比特[1]確定單元驅動由數據輸入的極性確定的差分輸出電流(即，單元從兩個輸出之一匯入所有電流)或者“DE”比特
確定將電流50/50 劃分(均衡驅動)到兩個輸出引腳上。因此，電流單元一起控制如何從兩個輸出dn_out和dp_out匯入多少電流。電流差是驅動通過負載的電流，但是電流差是確定共模電壓的總電流。例如，可以假設電流h是從輸出節點dn_0ut匯入的，電流Ip是從輸出節點dp_ out匯入的，并且驅動器終端電阻器值是Ro，差分輸出負載是2Ro (沒有繪出)。差分電流是 In-Ip0共模電壓在輸出端子dn_out和dp_out之間的中點Vdif = (In-Ip) *Ro/2
Vcom = Vterm-(In+Ip)*Ro/2Vdnout = Vcom-Vdif/2Vdpout = Vcom+Vdif/2本發明提供獨立可控的電流源段，使得可以將差分電壓和總電流作為單獨的參數來控制。將在輸出節點dn_out和dp_out的單元電流輸出相加。圖3示出了可能的驅動器單元技術的示例。驅動器具有提供單元電流Icell的基準電流源30。每個單元具有用于復制基準電流Icell的電流鏡像晶體管32。輸出dp_out和dn_out通過相應的輸出晶體管34和36與電流鏡像晶體管32相連。電路的剩余部分簡單地控制這兩個輸出晶體管的導通/截止狀態。在所示出的示例中，晶體管34、36是η型的，因此通過高柵極電壓導通。控制電路接收獨立的數據使能(DE)信號、電流使能(IE)信號和要被發送的數據 dp_in和dn_in作為輸入。向NOR門38提供數據使能(DE)信號和電流使能(IE)信號，使得只有數據使能 (DE)信號和電流使能(IE)信號均為低時才提供輸出1。NOR輸出控制ρ型輸入晶體管40。 只有當數據使能(DE)信號和電流使能(IE)信號均為低時，才截止該ρ型輸入晶體管40。 這對截止晶體管34、36有影響(因為高壓軌道不再饋送控制電路)，并且有效地關閉了單兀。向兩個AND門的邏輯電路提供輸入dp_in和dn_in，其中每個輸入與相應AND門中的數據使能DE信號組合。這些驅動控制晶體管42、44可以獨立地下拉(并且從而截止) 輸出晶體管34、36。如果數據使能信號是低，那么兩個控制晶體管都截止，并且獨立控制是不可能的。代替地，如果輸入晶體管40是導通的，那么將兩個控制晶體管都導通；或者如果輸入晶體管是截至的，那么將兩個控制晶體管都截止。當數據使能信號是1時，輸入獨立地控制控制晶體管，使得通過晶體管40抽取的電流來拉高(即，導通)輸出晶體管之一。預驅動器偏置電流源46被用于拉電流通過控制電路。當控制晶體管42、44被導通時，預驅動器偏置電流源通過控制晶體管42、44抽取電流。存在四種相關的信號組合1. ΓΡΕ = 1，IE = 1，dp in, dn in = 0，Il從“dp_out”拉電流‘Icell’，幾乎沒有來自“dn_0ut”的電流(因為晶體管36截止)2. ΓΡΕ = 1, IE = 1，dp in, dn in = 0，Il從“dn_0ut”拉電流‘Icell’，幾乎沒有來自“dp_out”的電流(因為晶體管；34截止)3. ΓΡΕ = 0，IE = 1，dp in, dn in =不在乎其倌 1預驅動器偏置46被夾斷，輸出晶體管對34、36的輸入變為相等，所以從“dn_0ut” 和“ dp_out ”抽取電流“ Icel 1/2 ”。這將被表示為均衡驅動。4. ΓΡΕ = 0, IE = 0, dp in, dn in =不在乎其倌
預驅動器46和輸出偏置電流32被夾斷，沒有從“ dn_out，，和“ dp_out，，抽取的電流。這些不同的信號組合使得能夠單獨地控制差分電流和總電流。圖3的電路僅是可能電路實現的一個示例。重要的電路功能是可以控制單元1.不向任何輸出端輸出電流2.向兩個輸出端輸出相等的電流3.向輸出端輸出差分電流(即，只從差分輸出之一抽取(或向其供應)電流)。替換(通過如以上示例一樣使輸出級的輸入相等來平衡一個差分對內的電流)驅動器單元，差分對的輸出級還可以被劃分為分別具有一半電流的兩個子對，在數據驅動狀態將兩個子對差分地相加，而對于DE = 0則將其差分地相減(=電流均衡)如果DE = 0 并且IE = 1，那么一個子對從“dp_out”拉電流Icell/2，而另一個子對從“dn_out”拉電流 Icell/2。可以通過針對兩個子對之一交換輸入或輸出來實現差分相加或差分相減。通過DE和IE控制，可以獨立地控制差分驅動電平和共模電流。可以在訓練模式期間建立期望的控制設置。在訓練期間，所有IE比特被設置為1，或者至少與可能發生的最大可能驅動強度所需的值一樣大。這意味著每個單元將遞送電流Icell，并且這設置了共模電壓。在訓練期間，為每個單元確定DE比特，以完成期望的差分驅動強度。這可以是單元的子集，使得一些單元保持向輸出遞送相等的電流，以保持恒定的共模電壓。在訓練期間，IE比特不改變，所以共模輸出電平也不改變。如果在訓練之后，所選擇的差分驅動電平不等于最大驅動電平，那么存在DE = 0而IE = 1的單元。這些單元對差分信號電平沒有貢獻，但是的確引起共模移動并消耗功率。在圖4中示出了一些示例。如示意圖50所示，對于最大驅動強度，當所有單元都對差分驅動有貢獻時，不存在要去除的公共電流。然而，對于較低的差分幅度，實質的電流量是共模而沒有差分影響的，因此可以被去除。示意圖52、54、56示出了當差分電流較低時共模電壓Vcom的遞減。示意圖58、60、60、62、64、66示出了當差分電流更低時共模電壓Vcom的遞減。共模電壓的每次減少均與功耗的減小相對應。如所示，去除功率將改變共模電平。然而，如果按照微小的步長平滑地去除功率， 并且在較長時間將其展開(spread out)，使得鏈路可以在每個小階之間穩定(settle)，那么這將對功能性操作沒有影響。典型地，如果在鏈路中應用具備較長穩定時間的AC耦合的電容器，那么這種操作尤其有用。圖5示出了用于去除冗余共模電流的流程圖。步驟70是包括任何所需預加重的訓練序列，通過該訓練序列獲取所需的差分電流。在暫停步驟72中完成這種訓練。在訓練電平和預加重之后(如果需要)，按照共模電平漸進變化進行功率減小過程74。該過程搜索DE = 0且IE = 1的驅動器單元。針對這些單元之一，每次都將IE設置為 0，從而針對每個輸出引腳去除電流Icell/2，并且使得共模電平改變Icell/2*R0Ut[DC]。如果單元‘N’的數目足夠大，那么Icell電流變小，并且產生的共模步長也較小。繼續這個過程，直到對于所有的單元IE = 0且DE = 0為止。此刻，所有剩余的驅動電流被用于驅動差分信號。這是最小功率狀態76。優選地，單元數目足以獲得在接口規范的共模容限之內的電平步長。按照這種方式，電流減小過程具有共模電平變化率，該共模電平變化率小于接口共模電平穩定的時間常數。應該注意的是可以通過濾波器緩慢地切斷單元電流來平滑地切斷一個單元電流。 在圖3的單元電路技術示例中，通過使用極弱的晶體管和較大的去耦電容器41緩慢地切斷預驅動器級的電源來完成這種切斷，這導致慢慢地夾斷了電流源。在分段式線路驅動器技術的所示示例中，所有單元與僅允許驅動電平縮放比例的單個數據輸入對相連。應該注意的是如果獨立單元接收不同的輸入信號(例如，一些單元可以獲得延遲的輸入信號，以產生預加重)，那么可以應用相同的功率減小概念。典型地，盡管在電平訓練之后將發生功率減小過程，但是只要可用驅動強度(所有單元的IE = 1)超過或等于差分驅動強度所需的可能最大值，那么功率減小過程就可以在確定差分擺動不再需要所有可用驅動功率時啟動。盡管使用差分對(來自與諸如vdd之類的“高”電壓相連的終端電阻器的匯電流) 描述了本發明，但是還可以將本發明應用到具備差分對(流入與諸如VSS/地之類的“低”電平相連的終端電阻器的源電流)的互補方案中。本發明不限于MOS技術，而可以被應用到諸如M0S、雙極器件或JFET器件之類的能夠實現差分對的任何技術中。不同的其它修改對于本領域技術人員來說是顯而易見的。
權利要求
1.一種減小差分開關電流線路驅動器的功耗的方法，所述方法通過去除對所需差分輸出信號沒有貢獻的輸出電流來減小差分開關電流線路驅動器的功耗。
2.如權利要求1所述的方法，包括執行訓練過程(70)，以確定針對期望的差分驅動的所需輸出電流，并且在訓練過程期間保持恒定輸出電流；以及通過減少總電流但保持差分電流相同來去除對所需差分輸出電流沒有貢獻的輸出電流(74)。
3.如權利要求1或2所述的方法，包括使用包括多個單元00)的差分開關電流驅動器來產生輸出電流，其中，每個單元可控為處于至少四個狀態中的任一狀態，以及所述方法包括控制每個單元處于四個狀態之一，所述狀態包括a)將單元電流(Icell)引導至第一輸出(dn_out)；b)將單元電流(Icell)引導至第二輸出(dp_out)；c)將單元電流(Icell)相等地劃分給第一輸出和第二輸出；d)禁用單元電流(Icell)，所以沒有電流引導至第一輸出和第二輸出。
4.如權利要求3所述的方法，其中通過使單元的輸出級(34，36)的差分輸入電壓為零來實現劃分單元電流狀態。
5.如權利要求2或3所述的方法，其中在訓練過程(70)期間，將單元從將單元電流引導至第一輸出或第二輸出的狀態切換到劃分單元電流的狀態。
6.如權利要求2或3所述的方法，其中在去除過程期間，將單元從劃分單元電流的狀態切換到禁用狀態。
7.如權利要求2或3所述的方法，其中在訓練過程(70)中，將所有單元或已知的滿足最大可能差分電流要求的多個單元保持在引導狀態或者劃分狀態，從而保持來自單元的總電流恒定。
8.一種包括多個單元00)的差分開關電流驅動器，其中每個單元支持至少以下四種狀態a)將單元電流(Icell)引導至第一輸出(dn_out)；b)將單元電流(Icell)引導至第二輸出(dp_out)；c)將單元電流(Icell)相等地劃分給第一輸出和第二輸出；d)禁用單元電流(Icell)；所以沒有電流引導至第一輸出和第二輸出。
9.如權利要求8所述的驅動器，其中每個單元包括差分輸出級，該差分輸出級被邏輯電路控制以實現單元狀態。
10.如權利要求9所述的驅動器，其中每個單元包括具有差分輸入的輸出級(34，36)， 以及通過使得輸出級的差分輸入電壓為零來實現劃分單元電流狀態。
11.如權利要求9所述的驅動器，其中每個單元包括具有兩個子差分對的輸出級，每個子差分對具有一半的單元電流，所述兩個子差分對被相同的輸入信號驅動；將該兩個子差分對的輸出電流直接地或交叉地相加，以分別獲得單元電流引導狀態或劃分電流狀態。
12.如權利要求9所述的驅動器，其中每個單元包括具有兩個子差分對的輸出級，每個子差分對具有一半的單元電流；所述兩個子差分對由相同或相反的差分輸入電壓驅動，并將所述兩個子差分對的輸出電流相加，以分別獲得單元電流引導狀態或劃分電流狀態。
13.如權利要求8至12中任一項所述的驅動器，包括模擬濾波器，所述模擬濾波器用于當禁用單元電流時平滑輸出電流。
14.如權利要求8至13中任一項所述的驅動器，其中每個單元包括兩比特控制命令 (DE，IE)，該兩比特控制命令用于控制單元狀態，并且包括數據使能(DE)命令和電流使能 (IE)命令。
15.如權利要求8至14中任一項所述的驅動器，其中所述驅動器包括產生基準單元電流的基準電流源(30)，并且每個單元包括用于鏡像基準單元電流的電流鏡像電路(32)。
全文摘要
公開了一種開關電流線路驅動器中的功率減小。差分開關電流線路驅動器通過去除對所需差分輸出信號沒有貢獻的輸出電流來實現了減小功耗的方法。例如，在訓練階段期間使用該輸出電流，以及可以在訓練階段完成之后發生電流去除。
文檔編號H04L25/02GK102469052SQ201110361218
公開日2012年5月23日 申請日期2011年11月15日 優先權日2010年11月16日
發明者赫里特·登貝斯特 申請人:Nxp股份有限公司