JP3830534B2

JP3830534B2 - 適応出力インピーダンスを有するラインドライバ

Info

Publication number: JP3830534B2
Application number: JP52922598A
Authority: JP
Inventors: ブラムナウタ
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1997-02-25
Filing date: 1998-02-02
Publication date: 2006-10-04
Anticipated expiration: 2018-02-02
Also published as: KR100563014B1; JP2000511022A; DE69834793T2; DE69834793D1; EP0917788B1; KR20000064979A; EP0917788A2

Description

本発明は、ラインドライバ、特に適応出力インピーダンスを有するラインドライバに関するものである。このようなラインドライバは、国際特許公開公報ＷＯ９５／０２９３１から既知である。ラインドライバは、伝送線路のインピーダンスに適合した出力インピーダンスを有するように設計された電子緩衝増幅器である。伝送線路は電気信号を伝送するのに広く用いられている。線路反射を最少にするには、伝送線路の電源及び負荷のインピーダンスを伝送線路の特性インピーダンスに等しくする必要がある。ビデオ分野での標準値は７５オームである。７５オームの伝送線路を駆動するように設計した緩衝増幅器は、線路反射を最少にするために７５オームの出力インピーダンスを有する必要がある。緩衝増幅器は、７５オームの負荷抵抗、すなわち整合伝送線路のインピーダンスを見る。
図１はこのような緩衝増幅器を構成する第１の既知の手段を示す。緩衝増幅器は、低インピーダンスの電圧源ＶＳに、伝送線路ＴＬの特性インピーダンスに等しい値を有する直列抵抗Ｒｓを与え、ラインドライバの正しい出力インピーダンスを構成するようにしている。この種類のラインドライバはしばしば、出力電圧をデジタル入力信号によって制御するデジタル-アナログ変換器（ＤＡＣ）に用いられている。この第１の既知の手段の構成には、電圧源ＶＳが所望の出力電圧の２倍を発生する必要があるという欠点がある。これにより、得られる電源電圧は、信号レベルが変化しないまま降下するという、例えば３Ｖの電源電圧でわずか1.５Ｖ_ppしか得られないという問題を生じる。
図２は第２の既知の手段を示す。この場合、直列抵抗を有する電圧源の代わりに並列抵抗Ｒｓを有する電流源ＣＳが用いられている。この構成では、電圧の損失はないが、電流源により生ぜしめられる電流の半分が並列抵抗Ｒｓ内で消費される。この技術は、出力電流をデジタル的に制御するＤＡＣにしばしば用いられている。
これら双方の既知の解決手段は、電圧又は電流が浪費されるために優れていないこと明らかである。従って、伝送線路のインピーダンスに整合し、出力電圧の２倍又は出力電流の２倍を必要としない特定の出力インピーダンスを有するラインドライバが望ましいことが分かる。
本発明の目的は、直列抵抗手段に固有の電圧損失又は並列抵抗手段に固有の電流損失のない特定の出力インピーダンスを有するラインドライバを提供せんとするにある。
本発明によれば、
入力信号を受けるラインドライバ入力端子と、
負荷を接続するためのラインドライバ出力端子と、
電流利得ｎを有する電流ミラーであって、この電流ミラーは、電圧電源端子と基準ノードとの間に挿入された主電流通路を有する第１トランジスタと、電圧電源端子とラインドライバ出力端子との間に挿入された第２トランジスタとを有しており、第１トランジスタと第２トランジスタとのそれぞれの制御電極はほぼ同じ制御電圧を受けるように接続されている、当該電流ミラーと、
基準ノードに結合され、負荷の特性抵抗のほぼｎ倍に等しい抵抗値を有する基準抵抗と、
ラインドライバ入力端子及び基準ノードに結合された差動入力端子と、第１トランジスタ及び第２トランジスタのそれぞれの制御電極に結合された出力端子とを有する第１増幅器と、
差動入力端子を有する第２相互コンダクタンス増幅器であって、これら差動入力端子のうちの一方がラインドライバ入力端子における入力信号にほぼ等しい信号に応答し、これら差動入力端子のうちの他方がラインドライバ出力端子に結合され、第２演算相互コンダクタンス増幅器が、基準ノードに結合された出力端子と、基準抵抗の抵抗値の逆数値にほぼ等しい相互コンダクタンスとを有している当該第２演算相互コンダクタンス増幅器と
を有することを特徴とするラインドライバを提供する。
第１増幅器の利得のために、基準ノードにおける電圧は入力電圧にほぼ等しくなる。入力信号は基準抵抗を流れる電流に変換される。負荷には、ｎ倍に増幅された電流が流れる。基準抵抗の抵抗値は負荷の抵抗値のｎ倍である為、負荷の両端間の電圧は入力電圧に等しくなる。従って、信号電圧は浪費されない。電源電圧は低くでき、第２トランジスタの両端間に適切な電圧降下をもたらす必要があるだけである。更に、第１トランジスタ及び基準抵抗を流れる比較的小さい電流を除いて、いかなる信号電流も殆ど浪費されない。電流ミラーの電流利得ｎを充分高くする、例えばｎ＝１０〜ｎ＝４０にすることにより、電流の浪費を無視しうる。
第２相互コンダクタンス増幅器はラインドライバ出力端子におけるいかなる不所望な反射電圧をも検出し、これらの反射電圧を出力電流に変換し、この電流が第２相互コンダクタンス増幅器の出力端子から第１トランジスタに流れる。第２相互コンダクタンス増幅器の出力電流が電流ミラーにおいて複写されて増倍される。従って、ラインドライバ出力端子における反射が相殺され、ラインドライバは、負荷インピーダンスに等しい出力インピーダンスを有する電源のようにふるまう。
第２相互コンダクタンス増幅器は、ラインドライバ出力端子における出力電圧とラインドライバ入力端子における入力電圧とを比較することにより不所望な反射電圧を検出する。この目的のために、本発明によるラインドライバの例では、第２相互コンダクタンス増幅器の差動入力端子のうちの前記一方をラインドライバ入力端子に結合する。
これと同じ目的のために、本発明によるラインドライバの他の例では、第２相互コンダクタンス増幅器の差動入力端子のうちの前記一方を基準端子に結合する。第１増幅器の利得のために、基準ノードにおける電圧は入力電圧にほぼ等しくなる。従って、基準抵抗の両端間の電圧を検出することは、入力電圧を検出することとほぼ同じ効果を有する。
ラインドライバが更に、基準ノードに結合されて第１バイアス電流を生じる第１バイアス電流源と、ラインドライバ出力端子に結合されて第１バイアス電流の値のほぼｎ倍に等しい値の第２バイアス電流を生じる第２バイアス電流源とを有している例では、ラインドライバの直線性を高めることができる。
基準抵抗の抵抗値の精度は、ある集積化の目的では不充分となるおそれがある。この精度の欠乏が問題となる場合には、ラインドライバが更に、ラインドライバ出力端子と、ラインドライバ入力端子及び基準ノードのうちの選択した１つとの間の低周波電圧差に応答して基準抵抗の抵抗値を調整する調整手段か、或いは、ラインドライバ出力端子と、ラインドライバ入力端子及び基準ノードのうちの選択した１つとの間に低周波電圧差に応答して電流ミラーの電流利得ｎを調整する手段を有するか、或いは、ラインドライバ出力端子と、ラインドライバ入力端子及び基準ノードのうちの選択した１つとの間の低周波電圧差に応答して第２相互コンダクタンス増幅器の相互コンダクタンスを調整する手段を有するようにすることができる。
本発明の上述した及びその他の特徴を、添付図面を参照して詳細に例示説明する。図中、
図１は、電圧源及び直列抵抗を有する通常のラインドライバの回路線図を示し、
図２は、電流源及び並列抵抗を有する通常のラインドライバの回路線図を示し、
図３は、本発明によるラインドライバの第１実施例の回路線図を示し、
図４は、本発明によるラインドライバの第２実施例の回路線図を示し、
図５は、本発明によるラインドライバの第３実施例の回路線図を示し、
図６は、本発明によるラインドライバの第４実施例の回路線図を示す。
これらの図においては、対応する素子に同じ符号を付してある。
図３は、本発明によるラインドライバの一実施例の回路線図を示す。このラインドライバは、入力信号Ｖinを受けるラインドライバ入力端子２を有する。この入力信号Ｖinは、適切な直流バイアスが与えられたビデオ信号、オーディオ信号、電話信号、デジタルデータ信号等とすることができる。ラインドライバは更に、伝送線路ＴＬを介して負荷６を接続するラインドライバ出力端子４を有する。しかし、伝送線路は任意的なものであって、所望に応じて省略することができる。負荷６の抵抗値ＲＬは伝送線路ＴＬの特性インピーダンス、例えば７５オームに等しい。伝送線路の分野で既知のように、ラインドライバ出力端子４で見たインピーダンスは伝送線路ＴＬの特性インピーダンスＲＬに等しい。ラインドライバは更に、基準抵抗１０が接続されている基準ノーど８を有する。基準抵抗１０は負荷６の抵抗値ＲＬのｎ倍に等しい抵抗値Ｒ１、すなわちＲ１＝ｎ・ＲＬ（ここに、ｎは正の数である）を有する。
基準ノード８と正の電源端子１２との間に第１のＰＭＯＳトランジスタＭ１の主電流通路が挿入されており、ラインドライバ出力端子４と正の電源端子１２との間には第２のＰＭＯＳトランジスタＭ２が挿入されている。これらトランジスタＭ１及びＭ２の制御電極すなわちゲートは相互接続されており、同じ制御電圧を受ける。従って、これらトランジスタＭ１及びＭ２は、電流ミラー又は電流増幅器を構成する、すなわち第１トランジスタＭ１を流れる電流と第２トランジスタＭ２を流れる電流との比（電流利得）が一定となる。設計を適切にすることにより、例えば第１及び第２トランジスタＭ１及びＭ２の大きさを１：ｎとすることにより、電流比を、基準抵抗１０及び負荷６の抵抗値に関して前述したのと同じ数に固定させることができる。電流利得ｎに対する代表的な値は１０〜４０の範囲である。
通常の演算増幅器又は演算相互コンダクタンス増幅器（ＯＴＡ）Ａ１とすることのできる第１増幅器は、基準ノード８に結合された非反転入力端子１４とラインドライバ入力端子２に結合された反転入力端子１６とを有する。第１ＯＴＡＡ１の出力端子１８は、トランジスタＭ１及びＭ２の相互接続制御電極を駆動する。増幅器Ａ１及びトランジスタＭ１のシステムに充分な利得があるものとすると、基準ノード８における信号電圧はラインドライバ入力端子２における入力電圧Ｖinにほぼ等しくなる。従って、この入力電圧Ｖinにより電流i１＝Ｖin／Ｒ１を基準抵抗１０に流す。Ｒ１＝ｎ・ＲＬである為、この電流は、i₁＝Ｖin／（ｎ・ＲＬ）にも等しい。電流増幅率ｎのために、トランジスタＭ２を流れる電流i₂は、トランジスタＭ１を流れる電流のｎ倍、すなわちi₂＝ｎ・i₁＝Ｖin／ＲＬとなる。このことは、ラインドライバ出力端子４における出力電圧ＶoutもＶinに等しいことを意味する。ラインドライバ入力端子２における入力電圧Ｖinとラインドライバ出力端子４における出力電圧Ｖoutとの間で信号電圧は消費されない。正の電源端子１２における正の電源電圧は、適正な電圧降下をトランジスタＭ１及びＭ２の両端間に生じめるのに充分高くする必要がある。７５オームの負荷を1.５Ｖ_ppで駆動するには３Ｖ程度の低い電源電圧で充分である。
第２トランジスタＭ２の出力インピーダンスは高く、整合伝送線路ＴＬの特性インピーダンスＲＬと整合しなくなるおそれがある。ラインドライバ出力端子４に正しい出力インピーダンスＲＬをうるために、第２相互コンダクタンス増幅器Ａ２を加える。この第２相互コンダクタンス増幅器Ａ２は、基準抵抗１０の抵抗値Ｒ１の逆数に等しい相互コンダクタンスgm、すなわちgm＝１／Ｒ１を有するようにするのが好ましい。第２相互コンダクタンス増幅器Ａ２は、ラインドライバ入力端子２に結合された反転入力端子２０と、ラインドライバ出力端子４に結合された非反転入力端子２２とを有している。第２相互コンダクタンス増幅器Ａ２の出力端子２４は基準端子８に結合されている。第２相互コンダクタンス増幅器Ａ２は相互コンダクタンスgmを有しており、このことは、出力端子２４に生じる電流が非反転入力端子２２と反転入力端子２０との間の電圧差のgm倍に等しいということを意味する。
ラインドライバ出力端子４に反射が生じない場合、すなわちＶout＝Ｖinである場合には、第２相互コンダクタンス増幅器Ａ２に対する差入力電圧は零であり、この第２相互コンダクタンス増幅器Ａ２は何の効果も及ぼさない。しかし、反射がある場合、この第２相互コンダクタンス増幅器Ａ２が作用を及ぼす。反射電圧がｄＶoutに等しいものとすると、出力電圧はＶout＋ｄＶoutとなり、第２相互コンダクタンス増幅器Ａ２は，その入力端子２０及び２２において差電圧ｄＶoutを受ける。この電圧差に応答して、第２相互コンダクタンス増幅器Ａ２が出力電流gm・ｄＶoutを生じる。この出力電流がトランジスタＭ１に流れ、ｎ倍になってトランジスタＭ２に複写される。その結果、出力電流i₂はｄＶout・gm・ｎ分の１に減少し、この減少分は出力電流i₂における増分ｄＶout・ＲＬに等しくする必要がある。相互コンダクタンスgmが条件：gm＝１／（ｎ・ＲＬ）＝１／（Ｒ１）を満足する場合には、ラインドライバは特性インピーダンスＲＬに等しい出力インピーダンスを有する。
図４は図３の回路線図の変形例を示す。図４においては、第２相互コンダクタンス増幅器Ａ２の入力端子２０はラインドライバ入力端子２の代わりに、基準端子８に接続されている。増幅器Ａ１の利得は高い為、増幅器Ａ１の入力端子１４及び１６間の電圧差は小さく、無視しうる。従って、基準端子８における信号はラインドライバ入力端子２における入力電圧Ｖinにほぼ等しくなる。従って、第２相互コンダクタンス増幅器Ａ２の入力端子２０を基準端子８に接続することは、入力端子２に接続することとほぼ同じ効果を有する。この変形は図５及び図６に関連して以下に説明する実施例にも適応しうる。
図３に戻るに、この図３は更に、基準ノード８に接続された随意の第１バイアス電流源２６をも示しており、このバイアス電流源がバイアス電流Ｉdcを第１トランジスタＭ１に流す。同様に、第２バイアス電流源２８がラインドライバ出力端子４に接続され、バイアス電流ｎ・Ｉdcを第２トランジスタＭ２に流す。これらの２つのバイアス電流源を加えることにより、ほんのわずかに電力が消費されるだけで、ラインドライバの直線性を高める。
図５は、基準抵抗を、その抵抗値を変えるための抵抗値制御端子３０を有する電気的に可変の抵抗ＲＶとした実施例を示す。抵抗値制御端子３０は差動増幅器Ａ３の出力端３２により駆動され、この差動増幅器は入力電圧Ｖinを受けるように接続された一方の入力端、例えば非反転入力端３４と、出力電圧Ｖoutを受けるように接続された他方の入力端、例えば反転入力端３６とを有する。差動増幅器Ａ３は小さな帯域幅を有し、可変抵抗ＲＶの直流抵抗値Ｒ１を所望値ｎ・ＲＬに調整するようにするのが好ましい。この調整は、基準抵抗１０の精度が処理上の変動のために問題となるか、或いは異なる抵抗値を有する負荷が接続されている場合に有効となる。増幅器Ａ３の非反転入力端３４はラインドライバ入力端子２に接続する代わりに、図５に破線で示すように基準ノード８における電圧を受けるように接続することもできる。
基準抵抗１０を調整することに加えて、相互コンダクタンスgmの常規の値の不正確を補正するために、第２相互コンダクタンス増幅器Ａ２の相互コンダクタンスgmの値を調整しうるようにする。この目的のために、第２相互コンダクタンス増幅器Ａ２は、その制御端子３８における適切な制御信号により制御しうる可変相互コンダクタンスを有する。増幅器Ａ３の出力端３２は制御信号を制御端子３８に供給し、相互コンダクタンスgmを所望値１／（Ｒ１）に調整する。
基準抵抗１０の抵抗値の調整及び／又は第２相互コンダクタンス増幅器Ａ２の相互コンダクタンスの調整の代わりに、或いはこれに加えて、電流ミラーＭ１／Ｍ２の電流利得を可変とすることにより、電流利得ｎを調整しうるようにする。図６は、電流利得ｎを可変にする可能な解決策を示す。トランジスタＭ１のソースと直列に可変抵抗ＲＶ２が接続されている。可変抵抗ＲＶ２の制御端子４０は差動増幅器Ａ３の出力端３２に接続されている。差動増幅器Ａ３の入力端３４及び３６は図５に示すように接続されている。本例の場合も、基準端子８への他の接続を破線で示している。対称性の理由で、トランジスタのソースと直列に他の抵抗４２を接続することができる。
本発明は図示の実施例に限定されるものではない。ユニポーラＭＯＳトランジスタの代わりに、バイポーラトランジスタを用いることができ、この場合ユニポーラトランジスタのゲート、ソース及びドレインがバイポーラトランジスタのベース、エミッタ及びコレクタとなる。
電流ミラー構造は、より一層複雑なものとすることができる。トランジスタＭ１及びＭ２のドレイン等と直列にカスコードトランジスタを挿入することができる。原理的には、この目的のために、電流利得ｎを有するいかなる電流ミラー構造をも用いることができるも、複雑な構造の電流ミラーでは、適切に動作させるのに、より多くの電源電圧を必要とすることに注意すべきである。
一般的に、第１トランジスタＭ１と、第１増幅器Ａ１と、入力電圧Ｖinを、第１トランジスタＭ１を流れる第１電流i₁に変換する基準抵抗１０とを有するラインドライバを開示する。第２電流i₂＝ｎ・i₁は、第１トランジスタＭ１とで１：ｎの電流ミラーを構成する第２トランジスタＭ２を流れる。電流i₂は伝送線路ＴＬを経て負荷６に流れる。しかし、伝送線路ＴＬは任意的なものである。負荷６のインピーダンスは伝送線路ＴＬの特性インピーダンスＲＬに等しい。従って、ラインドライバより見たインピーダンスはＲＬに等しい。第２相互コンダクタンス増幅器Ａ２は、電流ミラーＭ１，Ｍ２の出力インピーダンスとラインドライバより見たインピーダンスとの間の不整合により生じる出力信号Ｖout中の反射信号ｄＶを相殺する。

Claims

ラインドライバにおいて、このラインドライバが、
入力信号を受けるラインドライバ入力端子と、
負荷を接続するためのラインドライバ出力端子と、
電流利得ｎを有する電流ミラーであって、この電流ミラーは、電圧電源端子と基準ノードとの間に挿入された主電流通路を有する第１トランジスタと、電圧電源端子とラインドライバ出力端子との間に挿入された第２トランジスタとを有しており、第１トランジスタと第２トランジスタとのそれぞれの制御電極はほぼ同じ制御電圧を受けるように接続されている、当該電流ミラーと、
基準ノードに結合され、負荷の特性抵抗のほぼｎ倍に等しい抵抗値を有する基準抵抗と、
ラインドライバ入力端子及び基準ノードに結合された差動入力端子と、第１トランジスタ及び第２トランジスタのそれぞれの制御電極に結合された出力端子とを有する第１増幅器と、
差動入力端子を有する第２相互コンダクタンス増幅器であって、これら差動入力端子のうちの一方がラインドライバ入力端子における入力信号にほぼ等しい信号に応答し、これら差動入力端子のうちの他方がラインドライバ出力端子に結合され、第２演算相互コンダクタンス増幅器が、基準ノードに結合された出力端子と、基準抵抗の抵抗値の逆数値にほぼ等しい相互コンダクタンスとを有している当該第２演算相互コンダクタンス増幅器と
を有することを特徴とするラインドライバ。
請求の範囲１に記載のラインドライバにおいて、第２相互コンダクタンス増幅器の差動入力端子のうちの前記一方がラインドライバ入力端子に結合されていることを特徴とするラインドライバ。
請求の範囲１に記載のラインドライバにおいて、第２相互コンダクタンス増幅器の差動入力端子のうちの前記一方が基準端子に結合されていることを特徴とするラインドライバ。
請求の範囲１〜３のいずれか一項に記載のラインドライバにおいて、このラインドライバが更に、基準ノードに結合されて第１バイアス電流を生じる第１バイアス電流源と、ラインドライバ出力端子に結合されて第１バイアス電流の値のほぼｎ倍に等しい値の第２バイアス電流を生じる第２バイアス電流源とを有していることを特徴とするラインドライバ。
請求の範囲１〜４のいずれか一項に記載のラインドライバにおいて、このラインドライバが更に、ラインドライバ出力端子と、ラインドライバ入力端子及び基準ノードのうちの選択した１つとの間の低周波電圧差に応答して基準抵抗の抵抗値を調整する調整手段を有していることを特徴とするラインドライバ。
請求の範囲５に記載のラインドライバにおいて、前記調整手段は、基準ノードに結合された可変抵抗と、差動増幅器とを具え、この差動増幅器は、ラインドライバ出力端子と、ラインドライバ入力端子及び基準ノードのうちの選択した１つとに結合された差動入力端子と、可変抵抗の抵抗値制御端子に結合された出力端子とを有していることを特徴とするラインドライバ。
請求の範囲１〜６のいずれか一項に記載のラインドライバにおいて、このラインドライバが更に、ラインドライバ出力端子と、ラインドライバ入力端子及び基準ノードのうちの選択した１つとの間の低周波電圧差に応答して電流ミラーの電流利得ｎを調整する手段を有していることを特徴とするラインドライバ。
請求の範囲７に記載のラインドライバにおいて、前記電流利得ｎを調整する手段が、電圧電源端子と、第１トランジスタ及び第２トランジスタのうちの選択した１つとの間に挿入された可変抵抗を具えるとともに、差動増幅器を具え、この差動増幅器は、ラインドライバ出力端子と、ラインドライバ入力端子及び基準ノードのうちの選択した１つとに結合された差動入力端子と、可変抵抗の抵抗値制御端子に結合された出力端とを有していることを特徴とするラインドライバ。
請求の範囲１〜８のいずれか一項に記載のラインドライバにおいて、このラインドライバが更に、ラインドライバ出力端子と、ラインドライバ入力端子及び基準ノードのうちの選択した１つとの間の低周波電圧差に応答して第２相互コンダクタンス増幅器の相互コンダクタンスを調整する手段を有していることを特徴とするラインドライバ。
請求の範囲９に記載のラインドライバにおいて、第２相互コンダクタンスが可変相互コンダクタンスを有し、前記相互コンダクタンスを調整する手段が差動増幅器を具え、この差動増幅器は、ラインドライバ出力端子と、ラインドライバ入力端子及び基準ノードのうちの選択した１つとに結合された差動入力端子と、第２相互コンダクタンス増幅器の相互コンダクタンス制御端子に結合された出力端とを有していることを特徴とするラインドライバ。