CMOS工艺实现的LVPECL信号驱动电路的制作方法

本发明涉及集成电路，特别是一种cmos工艺实现的lvpecl信号驱动电路。

背景技术：

1、lvpecl(low-voltage positive emitter-coupled logic)是一种高性能的差分信号传输技术，在高速数字电路和通信系统中应用广泛。它结合了ecl(emitter-coupledlogic)和低电压操作的优点，提供了高速度和低功耗的解决方案。ecl(发射极耦合逻辑)作为一种高速逻辑电路技术，最早在20世纪60年代由ibm开发。ecl通过发射极耦合的晶体管对实现逻辑运算，其主要优势在于速度快，切换时间短，适合高频应用。然而，ecl的缺点也很明显：功耗大，对电源噪声敏感，且需要负电源供电。为了克服这些缺点，lvpecl应运而生。lvpecl通过降低电源电压(通常为2.5v或3.3v)，不仅保留了ecl的高速特性，还显著降低了功耗，同时简化了电源管理。lvpecl采用差分信号传输方式，这意味着信号通过两条导线传输：一条导线上传输原始信号，另一条导线上传输其反相信号。接收端通过比较两条导线上的电压差来恢复原始信号。差分信号传输具有许多优点，包括抗噪声能力强、信号完整性高和电磁干扰(emi)小。在高速信号传输中，这些优点尤为重要，因为它们能够显著减少信号在传输过程中的失真和干扰。lvpecl的电流模式操作使其能够在数百兆赫兹至数吉赫兹的频率范围内工作，非常适合高速数据传输。例如，在sonet/sdh、以太网、光纤通道等高速网络中，lvpecl用于数据链路和时钟信号的传输。在模数转换器(adc)和数模转换器(dac)中，lvpecl用于高速时钟和数据接口。在服务器和数据中心的高速背板和存储系统中，lvpecl用于高速数据总线和互连。此外，lvpecl还广泛应用于射频(rf)和微波通信系统中，提供高频信号的生成和处理。在实际应用中，lvpecl技术被广泛应用于各种高性能电子设备中。例如，在光纤通信系统中，lvpecl用于激光器驱动电路和光接收器电路，提供高速的数据传输和处理能力。在无线通信系统中，lvpecl用于射频信号的生成和处理，提供高频信号的稳定传输。在计算机系统中，lvpecl用于处理器和存储器之间的高速数据传输，提供高效的计算能力和存储性能。

2、传统的lvpecl(low voltage positive emitter-coupled logic)是发射极耦合逻辑(ecl)的低电压正电源版本(如图1所示)。lvpecl通常使用3.3v或2.5v电源供电，相比传统的ecl(发射极耦合逻辑)电路，功耗更低。由于电路中的晶体管工作在非饱和状态，逻辑翻转速度快。lvpecl采用差分信号传输，具有较强的抗干扰能力和高信噪比，适合长距离、高速数据传输。lvpecl的输出阻抗极小，输入阻抗极大，驱动能力强，能够有效驱动长线和高负载。

3、这种结构在工艺设计选择中存在较大问题，目前国内3.3v的电源电压下，支持bipolar工艺的工艺厂较少，多为cmos和寄生bipolar的混合工艺，cmos工艺中提供的三极管是基于寄生方法制造的npn，其β值仅为5-10且版图面积较大，不能满足输出驱动级的性能要求。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提出一种基于cmos工艺的lvpecl信号驱动电路，产生满足lvpecl输出驱动幅度的输出，解决不同工艺之间的兼容性问题。

2、为实现上述目的，本发明提出一种使用cmos工艺实现的lvpecl电路，包含多级预驱动电路和输出驱动电路，其中预驱动电路采用cml(current mode logic)结构，多级预驱动电路的目的是提高电路的驱动能力，产生符合lvpecl幅度的输出。由于输出负载很大，需要根据具体需要增加预驱动电路级数。

3、本发明提出的一种cmos工艺实现的lvpecl信号驱动电路结构如图2所示。前两级为预驱动电路，根据具体情况可以采用2级、3级、4级、5级预驱动电路。由于采用差分信号，可以有效抵消外部电磁干扰，抑制共模噪声，从而提高信号的完整性。预驱动电路通过输入信号的控制实现开关，通过负载电阻对下一级电路的栅电容进行充放电，为实现较强的驱动能力，应该合理选择负载电阻的大小和mos管的尺寸。采用cmos工艺的多级cml(currentmode logic)预驱动电路级连来产生符合lvpecl幅度要求的输出，可解决多类型不同驱动电路的工艺兼容性和延续性问题。尾部电流源加入power down结构，通过数字信号关断偏置，这样耗电少、速度快，实现电路的开启与关断。最后一级是lvpecl驱动电路的主要结构，尾电流源仍然采用一个nmos开关控制电路的开启与关断。

4、如图三所示是本发明lvpecl驱动电路的原理图，输入nmos管n1栅压为高，nmos管n2栅压为低时，nmos管n1导通，nmos管n2截止，此时vop输出的高电平voh相当于电阻r2与外部50ω负载对电源vdd到电源vdd-2v进行分压；为满足摆幅v_swing＝0.8v的指标要求，von输出的低电平vol应为voh-0.8v，尾电流ibias的设计由以下公式决定：

5、

6、r1＝r2#(2)

7、

技术特征：

1.一种cmos工艺实现的lvpecl信号驱动电路，其特征在于：所述驱动电路包括多级预驱动电路和输出驱动电路，所述多级预驱动电路接入输出驱动电路。

2.根据权利要求1所述的cmos工艺实现的lvpecl信号驱动电路，其特征在于：所述多级预驱动电路为2级、3级、4级或5级预驱动电路。

3.根据权利要求2所述的cmos工艺实现的lvpecl信号驱动电路，其特征在于：所述2级驱动电路由nmos管n1、nmos管n2、nmos管n3、nmos管n4，电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4组成。两个nmos差分输入，漏极与负载电阻相连，源极与电流源相连，电流源采用一个nmos受oe控制实现开启和关断。所述2级驱动电路电源vdd1经r1、r2、r3、r4分别与n1、n2、n3、n4的漏极相连。nmos管n1、nmos管n2的源极相连，经电流源接地。nmos管n3、nmos管n4的源极相连，经电流源接地。nmos管n1的漏极与nmos管n3的栅极相连，nmos管n2的漏极与nmos管n4的栅极相连，nmos管n1和nmos管n2的栅极作为预驱动的输入，nmos管n3和nmos管n4的漏极作为预驱动的输出。

4.根据权利要求2所述的cmos工艺实现的lvpecl信号驱动电路，其特征在于：lvpecl驱动电路由nmos管n5、nmos管n6、电阻r5、电阻r6组成。所述lvpecl驱动电路电源vdd2经电阻r5与nmos管n5的漏极相连、经电阻r6与nmos管n6的漏极相连。nmos管n5的源极和nmos管n6的源极相连，经电流源与地相连。nmos管n5和nmos管n6的栅极作为lvpecl驱动电路的输入。nmos管n5和nmos管n6的漏极作为lvpecl驱动电路的输出与外部负载相连。

技术总结
本发明涉及一种CMOS工艺实现的LVPECL信号驱动电路。本发明包括多级预驱动电路和输出驱动电路，多级预驱动电路接入输出驱动电路，多级预驱动电路为2级、3级、4级或5级预驱动电路。本发明能够产生符合LVPECL幅度要求的输出，可解决多类型不同驱动电路的工艺兼容性问题。

技术研发人员：袁永斌
受保护的技术使用者：上海源斌电子科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5