專利名稱：高頻差分放大器和收發(fā)器電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有權(quán)利要求1的前序部分的特征的高頻差分放大器以及一種具有權(quán)利要求5的前序部分的特征的收發(fā)器電路。
背景技術(shù)：
載貨汽車常常借助通信系統(tǒng)(如以名稱“FlexRay”公知的總線系統(tǒng))彼此連接。在總線系統(tǒng)上的通信量、訪問和接收機(jī)制以及故障處理通過協(xié)議來調(diào)節(jié)。FlexRay是一種快速的、確定性的(deterministisch)且容錯的總線系統(tǒng)，尤其是在汽車中采用。FlexRay協(xié)議根據(jù)時分多址(TDMA，Time Division Multiple Access)的原理來工作，其中給參與者或要傳輸?shù)南⒎峙涔潭ǖ臅r隙，參與者或要傳輸?shù)南⒃谶@些固定的時隙中排他地訪問通信連接。時隙在此以固定的循環(huán)重復(fù)，使得消息通過總線傳輸?shù)臅r刻可以精確地被預(yù)報并且確定性地進(jìn)行總線訪問。為了最優(yōu)地利用用于在總線系統(tǒng)上傳輸消息的帶寬，F(xiàn)lexRay將循環(huán)劃分成靜態(tài)部分和動態(tài)部分。固定的時隙在此位于在總線循環(huán)開始的靜態(tài)部分中。在動態(tài)部分中，時隙動態(tài)地被預(yù)給定。在其中，排他的總線訪問現(xiàn)在分別只在短時間內(nèi)(在至少一個所謂的微時隙的持續(xù)時間內(nèi))能夠?qū)崿F(xiàn)。只有當(dāng)在微時隙內(nèi)進(jìn)行總線訪問時，該時隙才被延長所需的時間。由此，亦即只有當(dāng)實際也需要帶寬時才消耗該帶寬。在此，F(xiàn)lexRay通過一個或者兩個在物理上分離的線路以分別最大為lOMbit/sec的數(shù)據(jù)率來進(jìn)行通信。FlexRay也可以以較低的數(shù)據(jù)率來工作。借助這些線路所實現(xiàn)的通道在此對應(yīng)于比特傳輸層、尤其是所謂的OSI (開放式體系架構(gòu)(Open System Architecture))層模型的比特傳輸層。兩個通道的使用主要用于冗余并且由此容錯地傳輸消息，然而也可以傳輸不同的消息，由此接著使數(shù)據(jù)率翻倍。通常，消息借助差分信號來傳輸，也就是說通過連接線路傳輸?shù)男盘栍赏ㄟ^兩個線路傳輸?shù)膯蝹€信號之差來得到。在層模型中在比特傳輸層之上的層被構(gòu)造為使得該信號或者這些信號可能通過(多個)線路進(jìn)行電傳輸或者光學(xué)傳輸或者以其它方式進(jìn)行傳輸。公知的用于FlexRay的收發(fā)器電路通常具有用于接收通過線路傳輸?shù)臄?shù)字信號的接收器電路。在這種接收器電路中，通常存在用于放大數(shù)字信號的高頻放大器。這種公知的高頻放大器的增益(Verstaeriomg)(尤其是直接放大)與器件的溫度和器件的制造散布(Fertigimgsstreuimg)有關(guān)。在公知的高頻放大器的情況下，恒定的增益只能通過外部負(fù)反饋(閉環(huán)運行)來實現(xiàn)。外部負(fù)反饋在公知的放大器工作時在收發(fā)器電路中產(chǎn)生干擾性影響，因為負(fù)反饋可導(dǎo)致放大器的穩(wěn)定性問題(振蕩、爆震(Klingeln)等等)并且由于針對負(fù)反饋通常所使用的由電阻構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)造成對放大器的輸入端的干擾性反作用。除了閉環(huán)放大器之外，也公知雙極型電路，由于在那里同樣存在指數(shù)控制特性曲線。此外，作為純的CMOS放大器還使用了具有MOS 二極管的電路作為負(fù)載。這些電路僅僅對于小信號電平充分線形地運行
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)是提供一種高頻放大器，該高頻放大器的增益在很大程度上與放大器的器件的溫度和散布無關(guān)，使得該放大器也可以在沒有外部負(fù)反饋的情況下被應(yīng)用于放大(尤其是用于FlexRay通信系統(tǒng)的)接收器電路的輸入信號。該任務(wù)通過一種具有權(quán)利要求1的特征的放大器以及通過一種具有權(quán)利要求5的特征的收發(fā)器電路來解決。根據(jù)本發(fā)明的放大器的有利的改進(jìn)方案在從屬權(quán)利要求中予以說明?？傮w上，本發(fā)明提供了一種增益與溫度無關(guān)的放大器，尤其是提供了具有與溫度無關(guān)的直接放大的放大器。優(yōu)選地，根據(jù)權(quán)利要求3，電流源的一個或多個晶體管、優(yōu)選地多個并聯(lián)連接的晶體管在弱反型的情況下運行，使得借助這些晶體管可以實現(xiàn)電流源的對于進(jìn)行放大的晶體管級的溫度補(bǔ)償?shù)倪\行所需的溫度相關(guān)性。這些晶體管作為電流源的溫度傳感器工作。放大器可以借助任意的半導(dǎo)體技術(shù)、然而優(yōu)選地借助CMOS半導(dǎo)體技術(shù)來實現(xiàn)。由于恒定的增益，所以可以取消在公知的放大器中所需的負(fù)反饋支路。由此，可以避免對輸入信號的反作用。此外，根據(jù)本發(fā)明的放大器特別穩(wěn)定地工作并且特征在于對振蕩的傾向低。此外，根據(jù)本發(fā)明的放大器需要半導(dǎo)體芯片上的比較小的面積。因為可用于制造放大器的現(xiàn)代CMOS技術(shù)允許比例如利用雙極型技術(shù)所能夠?qū)崿F(xiàn)的晶體管更小的晶體管。


本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點由以下描述得到，其中參照附圖進(jìn)一步闡述了本發(fā)明的示例性實施形式。在此，
圖1示出了帶有分別具有帶有接收器電路的收發(fā)器電路的節(jié)點的總線系統(tǒng)； 圖2示出了用于放大在圖1中的接收器電路上的輸入信號的放大器； 圖2示出了絕緣層場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的示意圖；以及圖4示出了具有負(fù)反饋支路的公知的放大器。
具體實施例方式圖1示出了總線系統(tǒng)11，多個節(jié)點13被連接到該總線系統(tǒng)11上?？偩€系統(tǒng)11可以是FlexRay通信系統(tǒng)，并且因此該總線系統(tǒng)11可以根據(jù)FlexRay協(xié)會的規(guī)范來構(gòu)造。各個節(jié)點13通過總線線路15直接地或者間接地經(jīng)由星形耦合器17彼此連接。每個總線線路15都被構(gòu)造為具有至少一個芯線對的線纜，所述至少一個芯線對包括分別形成電導(dǎo)體的兩個芯線19。總線系統(tǒng)11因此具有用于傳輸數(shù)據(jù)的通道，所述用于傳輸數(shù)據(jù)的通道通過芯線對的芯線19來形成。在未示出的實施形式中，總線系統(tǒng)11可以具有多個通道、優(yōu)選地兩個通道，所述通道通過兩個彼此分離的芯線對來實施(未示出)。通過使用兩個通道可以通過在這兩個通道上傳輸不同的數(shù)據(jù)來提高節(jié)點13之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠杏脭?shù)據(jù)率。由于總線系統(tǒng)在兩個芯線對之一有故障時可以繼續(xù)工作，所以得到了總線系統(tǒng)11的更高的故障安全性。每個節(jié)點13都具有收發(fā)器電路21，該收發(fā)器電路21優(yōu)選地被構(gòu)造為集成電路。 收發(fā)器電路21的第一總線端子BP和第二總線端子BM分別與總線線路15之一的芯線19 之一相連接。
收發(fā)器電路21具有用于通過總線線路15接收數(shù)據(jù)的接收器電路23以及用于通過節(jié)點13連接到的那個總線線路15發(fā)送數(shù)據(jù)的發(fā)送器電路25。不僅接收器電路23而且發(fā)送器電路25都在收發(fā)器電路21之內(nèi)與兩個總線端子BP和BM相連接。不僅接收器電路 23而且發(fā)送器電路25都被設(shè)立用于通過連接到相對應(yīng)的收發(fā)器電路21上的總線線路15 的芯線對來傳輸差分?jǐn)?shù)字信號。收發(fā)器電路21此外還具有邏輯單元27，該邏輯單元27與接收器電路23并且與發(fā)送器電路25相耦合。邏輯單元27具有用于將收發(fā)器電路21連接到例如由微控制器31或者微型計算機(jī)形成的控制電路上的端子。這些端子或連接到其上的線路形成了在收發(fā)器電路21和控制電路或微控制器31之間的接口四。微控制器31具有用于控制在節(jié)點13之間通過總線線路15進(jìn)行的通信過程的通信控制器33。通信控制器33被設(shè)立用于根據(jù)總線系統(tǒng)11的協(xié)議控制通信過程，尤其是用于實施總線系統(tǒng)11的介質(zhì)訪問方法。通信控制器33此外還可以被設(shè)立用于例如根據(jù)CRC 方法來計算要通過總線線路15傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀的校驗和，和/或被設(shè)立用于檢驗接收到的數(shù)據(jù)幀的校驗和。作為接口線路尤其是設(shè)置有線路RxD，用于將收發(fā)器電路21通過總線線路15已接收到的數(shù)據(jù)從收發(fā)器電路21傳輸?shù)酵ㄐ趴刂破?3 ；以及線路TxD，用于將收發(fā)器電路21 應(yīng)通過總線線路15發(fā)送的數(shù)據(jù)從通信控制器33傳輸?shù)绞瞻l(fā)器電路21。接口四除了包括兩個線路RxD和TxD之外還包括以下另外的線路34 這些另外的線路34例如用于在通信控制器33與收發(fā)器電路21之間交換控制信息。微控制器31具有計算核35、存儲器37 (工作存儲器和/或只讀存儲器)以及輸入和輸出裝置39。微控制器31可以被設(shè)立用于實施另外的協(xié)議軟件和/或應(yīng)用程序。在所示的實施形式中，通信控制器33被集成到微控制器31中。與此不同地，在未示出的實施形式中，通信控制器33被構(gòu)造為與微控制器31分離的電路，優(yōu)選地被構(gòu)造為集成電路。在圖2中示出了接收器電路23的高頻放大器61。高頻放大器61可以用于放大在兩個總線端子BP和BM上的數(shù)字信號。然而也可以設(shè)想的是，將放大器61置入其它電路、 尤其是收發(fā)器電路21中。放大器61總體被構(gòu)造為差分放大器。該放大器61具有第一晶體管級63，該第一晶體管級63與第二晶體管級65并聯(lián)連接。兩個晶體管級63和65的并聯(lián)電路與由晶體管 M3的漏極-源極路徑形成的共同的支路67串聯(lián)連接。在這種情況下，共同的支路67的晶體管M3的漏極端子與第一晶體管級63的晶體管Ml的源極端子以及與第二晶體管級65的晶體管M2的源極端子相連。晶體管M3的源極端子與放大器61的接地線路69相連。晶體管Ml的漏極端子形成放大器61的反相輸出端0UT_MINUS。晶體管Ml的漏極端子此外還通過電阻Ml與放大器61的供電電壓線路71相連。以相對應(yīng)的方式，晶體管M2的漏極端子與放大器61的非反相輸出端0UT_PLUS相連以及通過電阻R2與供電電壓線路71相連。晶體管Ml、M2和M3被構(gòu)建為η溝道絕緣層場效應(yīng)晶體管(η溝道M0SFET)。晶體管Μ3與η溝道MOSFET Μ4共同形成電流鏡73。晶體管Μ3的柵極端子與晶體管Μ4的柵極端子和漏極端子相連。晶體管Μ4的源極端子與放大器61的接地線路69相連。ρ溝道MOSFET Μ5的漏極-源極路徑被布置在供電電壓線路71與晶體管Μ4的漏極端子之間。放大器61具有環(huán)形電流源(Ringstromquelle) 75，該環(huán)形電流源75通過ρ溝道 MOSFET Μ6和Μ7以及通過η溝道MOSFET Μ8、Μ9、MlO和Mll來形成。晶體管Μ6的漏極端子與并聯(lián)連接的晶體管Μ9、Μ10和Mll的漏極端子相連。三個晶體管Μ9、Μ10和Mll的源極端子通過電阻R3與接地線路69相連。這三個晶體管Μ9、MlO和Mll的柵極端子與晶體管 Μ8的柵極端子相連。晶體管Μ8的源極端子與接地線路69相連，并且晶體管Μ8的漏極端子被連接到晶體管Μ7的漏極端子上。晶體管Μ7的源極端子與供電電壓線路71相連。晶體管Μ7的柵極端子被連接到晶體管Μ6的柵極端子上和漏極端子上。在放大器61工作時，環(huán)形電流源75產(chǎn)生與溫度有關(guān)的電流。在這種情況下，并聯(lián)連接的晶體管Μ9、Μ10和Mll充當(dāng)溫度傳感器。由環(huán)形電流源75產(chǎn)生的電流借助晶體管Μ5 和電流鏡73被轉(zhuǎn)移到放大器61的共同的支路67上。環(huán)形電流源75的電流變換比可以任意選擇；該電流變換比優(yōu)選為1。放大器61優(yōu)選地被構(gòu)造為使得各個晶體管Ml-Mll彼此在熱學(xué)上相互耦合。例如， 放大器61可以被布置在集成電路的同一芯片上，使得在放大器61的各個構(gòu)件之間得到良好的熱耦合。放大器61被設(shè)計為使得至少晶體管Ml和Μ2 (優(yōu)選地晶體管Ml、M2、M8、M9、MlO 和Mil)在弱反型(英語為weak inversion)的工作范圍中工作。在弱反型的情況下的工作可以通過適當(dāng)選擇晶體管Ml、M2、M8、M9、MlO、Ml 1的工作點來實現(xiàn)。在這種情況下，工作點例如可以被選擇為使得在晶體管M1、M2、M8、M9、M10、M11的柵極-源極電壓Vgs與閾值電壓 Vth之間的差小于或等于100mV。也就是說，Vgs-Vth < = 100mV。當(dāng)晶體管Ml和M2在弱反型的情況下工作時，MOS晶體管的增益接著在很大程度上與至少借助來制造晶體管的技術(shù)的這種參數(shù)無關(guān)，這些參數(shù)帶有用于制造放大器61的制造工藝的比較大的制造公差。對于增益gm適用
gm = Id*e/ (n*k*T),
其中
e代表元電荷1. 602*1(T19As， k代表玻爾茲曼常數(shù)1. 38*10_23VaS/K，以及
T代表放大器61的以開為單位測量的溫度。參數(shù)e、k、T與技術(shù)無關(guān)。參數(shù)η描述了 MOS晶體管的輸入信號通過在柵極和溝道之間的第一電容Cgch和在溝道和本體(Bulk)之間的第二電容Cchsub的電容性分配(kapazitive Teilung)(參見圖3)。參數(shù)η被計算為
n= (Cgch+Cchsub) /Cgch
第一電容Cgch通過MOS晶體管的柵極氧化物的氧化物厚度來確定。這是每個CMOS工藝的核心參數(shù)并且遭受最精確的可能控制以及因此必要時遭受小的制造公差。第二電容Cchsub與在溝道和本體之間的空間電荷區(qū)的寬度有關(guān)。該寬度遵循體電壓(Bulkspanrumg)的方根并且遵循本體摻雜的方根的倒數(shù)。這意味著誤差增大與摻雜的改變或者體電壓不成比例(unterproportional)(例如參見R. Mueller ^"BaueIemente der Halbleiter Elektronik”(施普林格出版社，1987 年)以及 Willy Μ. C. Sansen 的 "Analog Design Essentials”(施普林格出版社，2006年))。在實踐中，參數(shù)η大多在1. 2到1.6之間的范圍中變動。放大器61的增益gain、即級Ml、M2、Rl、R2被計算為 gain=Rl*Ibias*e/ (n*k*T)。只要Ml和M2在弱反型的情況下工作，則該等式適用。值Ibias代表通過晶體管M3 的漏極-源極路徑的電流。增益gain通過產(chǎn)生與溫度成比例的電流而與溫度無關(guān)。該電流通過環(huán)形電流源75、即通過晶體管M6-M11以及通過電阻R3產(chǎn)生。晶體管M8至Mll同樣在弱反型的情況下工作。對于通過晶體管M3的漏極-源極路徑的電流，得到
Ibias=In (m)*n*k*T/ (R3*e)，
其中參數(shù)m=W/L代表在晶體管M9-M11和M8的溝道寬度與溝道長度之間的比例。在所示的實施形式中，m=3。通過將最后的等式代入倒數(shù)第二個等式得到 gain=Rl*In (m)/R3。比例R1/R3通過電阻的幾何形狀來確定并且與工藝無關(guān)。參數(shù)m同樣是純的幾何比例。因此，增益與工藝參數(shù)和溫度無關(guān)。優(yōu)選的是，所使用的器件可以良好配對地實現(xiàn)。在公知的放大器中，通常MOSFET在強(qiáng)反型的工作范圍中工作。但是，此處其它等式也適用于各個晶體管的增益gm
gm強(qiáng)反型=2 ' * (Vgs-Vth)
K'包含不僅與工藝、與半導(dǎo)體材料而且與溫度有關(guān)的參數(shù)。與項Vgs-Vth有關(guān)的是電流的方根。Vgs-Vth= (L*Ibias/ (ff*K' 1/2
由于這些相互關(guān)系，在強(qiáng)反型的情況下不可能構(gòu)建在開環(huán)運行中工作的與溫度和工藝參數(shù)無關(guān)的放大器。圖4示出了公知的放大器77。為了實現(xiàn)穩(wěn)定的放大，公知的放大器77在閉環(huán)運行中被采用。此處所示的閉環(huán)電路77具有通過電阻R' UR' 2、R' 3和R' 4形成的外部負(fù)反饋并且因此對輸入端IN_PLUS和IN_MINUS有反作用，而且常常也忍受穩(wěn)定性問題之苦。也就是說，根據(jù)負(fù)載和通過電阻R' UR' 2、R' 3和R' 4調(diào)整的增益，公知的閉環(huán)放大器77易于爆震或者易于振蕩。
權(quán)利要求
1.一種用于總線系統(tǒng)(11)的收發(fā)器電路(21)的高頻差分放大器(61)，其具有帶有絕緣層場效應(yīng)晶體管(Ml，M2)的兩個晶體管級(63，65)和連接到所述兩個晶體管級(63，65) 上的共同的支路(67)，用于使晶體管級(63，65)彼此耦合，其中與共同的支路(67)相關(guān)有高頻差分放大器(61)的用于產(chǎn)生穿過共同的支路(67)流動的工作電流(Ibias)的電流源 (75)，其特征在于，晶體管級(63，65)被設(shè)立用于在弱反型的情況下驅(qū)動絕緣層場效應(yīng)晶體管(Ml，M2)，以及電流源(75)被構(gòu)造用于補(bǔ)償至少一個絕緣層場效應(yīng)晶體管(Ml，M2)的增益的溫度相關(guān)性，使得工作電流(Ibias)與高頻差分放大器(61)的溫度(T)有關(guān)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器(61)，其特征在于，由電流源(75)產(chǎn)生的工作電流 (Ibias)至少基本上與高頻放大器(61)的溫度(T )成比例。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的放大器(61)，其特征在于，電流源(75)包括另外的絕緣層場效應(yīng)晶體管(M6，M7，M8，M9，MlO，Ml 1)，并且電流源(75 )被設(shè)立用于在弱反型的情況下驅(qū)動絕緣層場效應(yīng)晶體管中的至少一個(M9，M10, Mil)。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的放大器(61)，其特征在于，電流源是用于產(chǎn)生工作電流(Ibias)的環(huán)形電流源(75)，并且放大器(61)具有用于將工作電流(Ibias)注入共同的支路 (67)中的電流鏡(73)。
5.一種用于總線系統(tǒng)的收發(fā)器電路(21)，其具有高頻差分放大器(61)，所述高頻差分放大器(61)具有帶有絕緣層場效應(yīng)晶體管(M1，M2)的兩個晶體管級(63，65)和連接到所述兩個晶體管級(63，65)上的共同的支路(67)，用于使晶體管級(63，65)彼此耦合，其中與共同的支路(67)相關(guān)有高頻差分放大器(61)的用于產(chǎn)生穿過共同的支路(67)流動的工作電流(Ibias)的電流源(75)，其特征在于，高頻差分放大器(61)根據(jù)上述權(quán)利要求之一來構(gòu)造。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于總線系統(tǒng)(11)的收發(fā)器電路(21)的高頻差分放大器(61)，其具有帶有絕緣層場效應(yīng)晶體管(M1，M2)的兩個晶體管級(63，65)和連接到這兩個晶體管級(63，65)上的共同的支路(67)，用于使晶體管級(63，65)彼此耦合，其中與共同的支路(67)相關(guān)有高頻差分放大器(61)的用于產(chǎn)生穿過共同的支路(67)流動的工作電流(Ibias)的電流源(75)。為了提供一種增益在很大程度上與高頻放大器(61)的器件的溫度(T)和散布無關(guān)的高頻放大器(61)而建議晶體管級(63，65)被設(shè)立用于在弱反型的情況下驅(qū)動絕緣層場效應(yīng)晶體管(M1，M2)，以及電流源(75)被構(gòu)造用于補(bǔ)償至少一個絕緣層場效應(yīng)晶體管(M1，M2)的增益的溫度相關(guān)性，使得工作電流(Ibias)與高頻差分放大器(61)的溫度(T)有關(guān)。
文檔編號H03F1/30GK102210097SQ200980144424
公開日2011年10月5日 申請日期2009年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月10日
發(fā)明者A·溫茨勒, M·諾伊舍勒, R·?？颂?申請人:羅伯特·博世有限公司