Энергоэффективные передатчик и приемник сигналов в проводной линии связи с устройством переключения режимов
Владельцы патента RU 2527478:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем проектирования в микроэлектронике Российской академии наук (ИППМ РАН) (RU)
Изобретение относится к области интегральной электроники и, в частности, к передаче импульсных сигналов в цифровых микросхемах с высокой степенью интеграции. Задачей настоящего изобретения является передача импульсных сигналов в микросхеме с наименьшими затратами энергии для заданной частоты этих сигналов за счет использования универсальных блоков приемника и передатчика с переключаемыми режимами работы. Техническим результатом, позволяющим выполнить поставленную задачу, является уменьшение числа элементов в схеме, снижение потребляемой мощности и уменьшение площади блока на кристалле микросхемы. Отличительные признаки технического решения состоят в том, что передача импульсных сигналов в проводной линии связи импульсами тока или импульсами напряжения осуществляется одними и теми же усилительными узлами. А изменения параметров сигналов, выходного сопротивления передатчика и входного сопротивления приемника достигаются только за счет коммутации резисторов с использованием аналоговых ключей. 2 ил.
Область техники
Изобретение относится к области интегральной электроники и, в частности, к передаче импульсных сигналов в цифровых микросхемах с высокой степенью интеграции.
Уровень техники
Известны технические решения для передатчиков и приемников импульсных сигналов в проводных линиях связи, в которых принцип передачи информации изменяется при изменении частоты передаваемых сигналов, например, линии связи по спецификации USB 2.0 [1,2] ([1] Патент US 2007/0279096 USB 2.0 Transmitter Using Only 2.5B CMOS Devices, 31.05.2006., [2] Патент US 8166222 USB transceiver circuitry including 5 volt tolerance protection 31.03.2008 / 24.04.2012.). В известных технических решениях для энергоэффективной проводной линии связи с устройством переключения режимов (фиг.1) блок передатчика (1) объединяет формирователи импульсов тока (2) и напряжения (3), подключаемые поочередно к входу и выходу блока первым устройством переключения режимов (4); блок приемника (5) объединяет преобразователи импульсов тока (6) и напряжения (7) в типовой сигнал логических устройств, подключаемые поочередно к входу и выходу блока вторым устройством переключения режимов (8), причем передатчика (1) и вход приемника (5) соединены проводником (9).
Для низкой частоты импульсных сигналов наименьшие энергетические затраты обеспечивает передача информации импульсами напряжения при низком выходном сопротивлении передатчика и высоком входном сопротивлении приемника. Для высокой частоты наименьшее энергопотребление достигается при передаче информации импульсами тока, высоком выходном сопротивлении передатчика и низком входном сопротивлении приемника. В аппаратуре для кабелей связи используются отдельные блоки для передачи и приема информации импульсами тока и напряжения. В интегральной схемотехнике переключение режимов не используется из-за сложности технической реализации при увеличении числа элементов и площади кристалла микросхемы. В случае необходимости меняется канал связи, включая и проводники.
Задачей настоящего изобретения является передача импульсных сигналов в микросхеме с наименьшими затратами энергии для заданной частоты этих сигналов за счет использования универсальных блоков приемника и передатчика с переключаемыми режимами работы. Техническим результатом, позволяющим выполнить поставленную задачу, является уменьшение числа элементов в схеме, снижение потребляемой мощности и уменьшение площади блока на кристалле микросхемы.
Согласно изобретению этот технический результат достигается за счет того, что в энергоэффективных передатчике и приемнике сигналов в проводной линии связи с устройством переключения режимов (фиг.2) универсальные передатчик (1) и приемник (2) соединены одним проводником (3), причем в блоке передатчика (1) объединены только формирователь импульсов напряжения (4) и первое устройство переключения режимов (5), а в блоке приемника (2) объединены два инвертирующих усилителя-ограничителя (6 и 7) и второе устройство переключения режимов (8).
Первое устройство переключения режимов (5) включено между выходами формирователя импульсов напряжения (4) и передатчика (1). Это устройство включает параллельно соединенные ограничительный резистор (9) и аналоговый ключ (10). В случае если аналоговый ключ (10) замкнут, на выходе передатчика (1) формируется импульс напряжения, аналогичный импульсу на выходе формирователя (4). В случае если аналоговый ключ (10) разомкнут, резистор (9) ограничивает величину выходного тока и в проводнике (3) формируется импульс тока.
Второе устройство переключения режимов (8) включено между входом и выходом первого усилителя-ограничителя (6) и образует управляемую цепь отрицательной обратной связи. Устройство переключения режимов (8) включает последовательно соединенные резистор (11) и аналоговый ключ (12). Если ключ (12) разомкнут, то отрицательная обратная связь не влияет на параметры усилителя-ограничителя (6) и импульсы напряжения на входе усиливаются и формируются в соответствии с требованиями к приемнику импульсов напряжения. Если ключ (12) замкнут, то усилитель-ограничитель (6) превращается в трансимпедансный усилитель с низким входным сопротивлением, а перепад напряжения на его выходе определяется величиной входного тока и сопротивлением резистора (11). Формирование выходного импульса напряжения происходит на выходе второго усилителя-ограничителя (7). При правильной работе устройств переключения режимами (5 и 8) аналоговые ключи (10 и 12) должны переключаться одновременно, но в противофазе.
На фиг.1 представлена схема известных технических решений для передатчиков и приемников импульсных сигналов в проводных линиях связи.
На фиг.2 представлена схема энергоэффективных передатчика и приемника сигналов в проводной линии связи с устройством переключения режимов, демонстрирующая суть настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
Предлагаемое техническое решение энергоэффективных передатчика и приемника сигналов в проводной линии связи с устройством переключения режимов (фиг.2) отличается тем, что в состав передатчика (1) включен только один формирователь импульсов напряжения (4) и первое устройство переключения режимов (5), в котором первый резистор (9) и аналоговый ключ (10) включены параллельно между выходами формирователя импульсов напряжения (4) и передатчика (1). При замкнутом ключе (10) на выходе передатчика (1) формируется импульс напряжения, аналогичный импульсу на выходе формирователя (4). При разомкнутом ключе (10) резистор (9) ограничивает величину выходного тока на расчетном уровне, а на выходе передатчика (1) формируется импульс тока.
А в состав приемника (2) включены два последовательно соединенных инвертирующих усилителя-ограничителя (6, 7), а также второе устройство переключения режимов (8), состоящее из последовательно соединенных второго резистора (11) и аналогового ключа (12), включенное между входом и выходом первого усилителя-ограничителя (6) и образующее цепь управляемой отрицательной обратной связи. Если ключ (12) разомкнут, то отрицательная обратная связь не влияет на параметры усилителя-ограничителя (6) и импульсы напряжения на входе усиливаются и формируются в соответствии с требованиями к приемнику импульсов напряжения. Если ключ (12) замкнут, то усилитель-ограничитель (6) превращается в трансимпедансный усилитель с низким входным сопротивлением, а перепад напряжения на его выходе определяется величиной входного тока и сопротивлением резистора (11). Формирование выходного импульса напряжения происходит на выходе второго усилителя-ограничителя (7).
В предлагаемом техническом решении переключение режима работы линии связи осуществляется за счет управления выходным сопротивлением передатчика (1) и выходным сопротивлением приемника (2) импульсных сигналов. В режиме передачи импульсов напряжения аналоговый ключ (10) замкнут, а аналоговый ключ (12) разомкнут. Передатчик (1) имеет низкое выходное сопротивление, а приемник (2) - высокое выходное сопротивление. Емкость связующего проводника перезаряжается на величину полной амплитуды логического сигнала. Энергосбережение достигается за счет отсутствия входного тока приемника (2) и низкой частоты перезарядки емкости проводника.
В режиме передачи импульсов тока аналоговый ключ (10) разомкнут, а аналоговый ключ (12) замкнут. Передатчик (1) имеет высокое выходное сопротивление, определяемое резистором (9), а приемник (2) - низкое входное сопротивление, определяемое резистором (11) и коэффициентом усиления усилителя-ограничителя (6). Логический перепад напряжения в линии связи уменьшается в 10-20 раз, соответственно уменьшается ток на перезарядку емкости проводника. Энергосбережение достигается за счет снижения тока на перезарядку емкости проводника. Частота сигнала, на которой происходит переключение режима передачи, определяется емкостью проводника.
Технический результат, представляющий собой уменьшение числа элементов в приемнике и передатчике сигналов и соответствующее уменьшение площади блоков на кристалле микросхемы, достигается за счет использования одних и тех же функциональных узлов в разных режимах работы. А изменение параметров сигналов, выходного сопротивления передатчика и входного сопротивления приемника достигается только за счет пассивных цепей в первом и втором устройствах переключения режимов.
Отличительные признаки технического решения состоят в том, что передача импульсных сигналов в проводной линии связи импульсами тока или импульсами напряжения осуществляется одними и теми же усилительными узлами. А изменения параметров сигналов, выходного сопротивления передатчика и входного сопротивления приемника достигаются только за счет коммутации резисторов с использованием аналоговых ключей.
Энергоэффективные передатчик и приемник сигналов в проводной линии связи с устройством переключения режимов, включающие блок передатчика и блок приемника, содержащий усилители-ограничители импульсов тока и напряжения, переключаемые устройством переключения режимов, причем выход передатчика и вход приемника соединены проводником, отличающиеся тем, что в состав передатчика включен только один формирователь импульсов напряжения и первое устройство переключения режимов, в котором первые резистор и аналоговый ключ включены параллельно между выходами формирователя импульсов напряжения и передатчика, а в состав приемника включены два последовательно соединенных инвертирующих усилителя-ограничителя, а также второе устройство переключения режимов, состоящее из последовательно соединенных вторых резистора и аналогового ключа, включенное между входом и выходом первого усилителя-ограничителя и образующее цепь управляемой отрицательной обратной связи.
