СПОСОБ КОРРЕКЦИИ РАБОЧЕГО ЦИКЛА Российский патент 2008 года по МПК H03K5/26 H03F3/45 

Область техники

Настоящее изобретение касается коррекции рабочего цикла и дифференциальных спаренных схем, и, более конкретно - способа коррекции рабочего цикла, включая способ коррекции рабочего цикла с использованием дифференциальных спаренных схем.

Предшествующий уровень техники

Многие нелинейные системы вводят в синусоидальный сигнал нелинейности в форме высокочастотных гармоник, причем каждая на частоте, составляющей целое кратное от основной частоты. Гармоники могут быть нечетными гармониками, то есть гармониками, частота которых составляет нечетное целое кратное число от основной частоты, четными гармониками, то есть гармониками, частота которых составляет четное целое кратное число от основной частоты, или и теми и другими.

Введение четных гармоник в синусоидальные сигналы в дифференциальных или сбалансированных схемах, где требуется поддерживать нечетную симметрию, является проблематичным. Причина заключается в неравномерной групповой задержке, то есть задержке, которая изменяется с частотой, обычно присущей многим средствам передачи, которые задерживают более высокочастотные составляющие сигнала больше, чем основную частоту. Из-за неравномерной групповой задержки при передаче сигнала через такие средства четные гармоники в синусоидальном сигнале задерживаются больше, чем основная частота, и таким образом разрушают нечетную симметрию.

Рассмотрим синусоидальный сигнал на конкретной основной частоте. Такой сигнал имеет нечетную симметрию, только если он имеет равномерный (приблизительно 50%) рабочий цикл, то есть рабочий цикл, в котором часть периода T, в течение которого сигнал является положительным, приблизительно равен части периода T, когда сигнал отрицательный. Если в такой сигнал вводятся четные гармоники, а затем сигнал передается через средство передачи с непостоянной групповой задержкой, рабочий цикл результирующего сигнала больше не будет равномерным. Следовательно, сигнал больше не будет подходить для дифференциальных или сбалансированных применений, где требуются нечетная симметрия и равномерный рабочий цикл.

Рассмотрим сигнал x_y=1,2sin(2πt_y), обозначенный на фиг.1 позицией 100. Сигнал z_y=sin(2πt_y)+0,2sin(4πt_y+π/2), обозначенный на фиг.1 позицией 102, отображает сигнал x_y, к которому добавлена гармоника второго порядка с фазовым сдвигом π/2. Кроме того, сигнал zz_y=sin(2πt_y)+0,2sin(4πt_y+π/4), обозначенный на фиг.1 позицией 104, отображает сигнал x_y, к которому добавлена гармоника второго порядка с фазовым сдвигом π/4. Оба сигнала z_y и zz_y отображают сигналы, которые могут образоваться в результате введения в сигнал x_y четных гармоник, а затем передачи результирующего сигнала через передающее средство с неравномерной групповой задержкой. Хотя сигнал x_y имеет 50% рабочий цикл, будет наблюдаться, что оба сигнала z_y и zz_y имеют неравномерные рабочие циклы, т.е. сигналы, отличающиеся от 50% рабочего цикла. Это может быть наиболее заметно при сравнении прохождения через нуль сигнала x_y, обозначенного позицией 106, с прохождением через нуль сигналов z_y и zz_y, обозначенных позицией 108, из которого видно, что прохождения через нуль сигналов z_y и zz_y происходят позже по времени, чем прежнее прохождение через нуль, которое происходит при t_y=0,5.

В качестве другого примера рассмотрим сигнал x_y=1,2sin(2πt_y), обозначенный на фиг.2 позицией 100. Сигнал z_y=sin(2πt_y)+0,2sin(8πt_y+π/2), обозначенный на фиг.2 позицией 202, отображает сигнал x_y, к которому добавлена гармоника четвертого порядка с фазовым сдвигом π/2. Кроме того, сигнал zz_y=sin(2πt_y)+0,2sin(8πt_y+π/4), обозначенный на фиг.2 позицией 204, отображает сигнал x_y, к которому добавлена гармоника четвертого порядка с фазовым сдвигом π/4. Оба сигнала z_y и zz_y отображают сигналы, которые могут образовываться в результате введения четных гармоник в сигнал x_y, а затем передачи результирующего сигнала через средство передачи с неравномерной групповой задержкой. Хотя сигнал x_y имеет 50% рабочий цикл, будет наблюдаться, что оба сигнала z_y и zz_y имеют неравномерные рабочие циклы. Это может быть наиболее заметно при сравнении прохождения через нуль сигнала x_y, обозначенного позицией 106, с прохождением через нуль сигналов z_y и zz_y, обозначенных позицией 208, из которого видно, что прохождения через нуль сигналов z_y и zz_y происходят позже по времени, чем прежнее прохождение через нуль, которое происходит при t_y=0,5.

Существуют другие механизмы образования сигналов с неравномерными рабочими циклами, когда требуются сигналы с равномерными рабочими циклами. Другими словами, необходим способ коррекции рабочего цикла для сигналов, имеющих неравномерные рабочие циклы.

Краткое изложение сущности изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание способа коррекции рабочего цикла входного сигнала, имеющего неравномерный рабочий цикл.

Поставленная задача решена путем создания способа коррекции рабочего цикла, который заключается в том, что формируют сигнал, отображающий разницу в продолжительности между положительной и отрицательной частями рабочего цикла входного сигнала. Затем из указанного сигнала выделяют уровень переключения. Выходной сигнал формируют путем переключения, посредством чего продолжительности положительной и отрицательной частей рабочего цикла выходного сигнала определяют по точкам перехода между входным сигналом и уровнем переключения. В случае необходимости регулируют сигнал (и уровень переключения) до тех пор, пока рабочий цикл выходного сигнала не окажется по существу равномерным.

В одном варианте осуществления сигнал, отображающий разницу в продолжительности между положительной и отрицательной частями рабочего цикла входного сигнала, представляет собой постоянное напряжение, формируемое на одном или больше конденсаторах в дифференциальной спаренной схеме с отрицательной обратной связью по конденсатору. Уровень переключения постоянного тока получают из постоянного напряжения. Выходной сигнал в этом случае формируется путем переключения дифференциальной спаренной схемы, посредством чего продолжительности положительной и отрицательной частей рабочего цикла выходного сигнала определяют по точкам перехода между входным сигналом и уровнем переключения постоянного тока. Постоянное напряжение на одном или более конденсаторов (и уровень переключения постоянного тока) регулируются автоматически до тех пор, пока рабочий цикл выходного сигнала не окажется по меньшей мере по существу равномерным.

Другие системы, способы, отличительные признаки и преимущества изобретения очевидны специалистам в данной области техники.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

Фиг.1 и 2 изображают диаграммы, иллюстрирующие, как добавление к синусоидальному сигналу, имеющему равномерный рабочий цикл, замедленной четной гармоники вносит неравномерность в рабочий цикл, согласно изобретению;

Фиг.3 - основную часть дифференциальной спаренной схемы на биполярных транзисторах с отрицательной обратной связью по конденсатору, согласно изобретению;

Фиг.4A - действующую часть дифференциальной спаренной схемы с отрицательной обратной связью по конденсатору во время первого режима работы, когда входной сигнал выше уровня переключения, согласно изобретению;

Фиг.4B - действующую часть дифференциальной спаренной схемы с отрицательной обратной связью по конденсатору во время второго режима работы, когда входной сигнал ниже уровня переключения, согласно изобретению;

Фиг.5A - пример входного сигнала, имеющего неравномерный рабочий цикл, согласно изобретению;

Фиг.5B - результирующий выходной сигнал до регулирования уровня переключения по существу до выравнивания продолжительностей положительной и отрицательной частей рабочего цикла выходного сигнала, согласно изобретению;

Фиг.6A - пример входного сигнала, имеющего неравномерный рабочий цикл, согласно изобретению;

Фиг.6B - результирующий выходной сигнал после регулирования уровня переключения по существу до выравнивания продолжительностей положительной и отрицательной частей рабочего цикла выходного сигнала, согласно изобретению;

Фиг.7A-7F - альтернативные варианты осуществления дифференциальной спаренной схемы с отрицательной обратной связью по конденсатору, согласно изобретению;

Фиг.8 - диаграмму сигнала, в котором увеличение уровня переключения дифференциальной спаренной схемы с отрицательной обратной связью по конденсатору достигает по существу равномерного рабочего цикла выходного сигнала, согласно изобретению;

Фиг.9 - блок-схему алгоритма программы осуществления способа коррекции рабочего цикла входного сигнала, имеющего неравномерный рабочий цикл, согласно изобретению.

Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

Термины "около" и "по существу" используются в описании, чтобы обеспечить некоторую свободу математических величин учета допустимых отклонений, которые являются приемлемыми в промышленности, например, какой-либо уход вверх или вниз от значения, видоизмененного на любое значение в диапазоне/диапазонах от 1% до 20% от указанного значения.

На фиг.3 представлена основная часть дифференциальной спаренной схемы с отрицательной обратной связью по конденсатору. Схема содержит дифференциальную пару n-p-n транзисторов, обозначенных ссылочными позициями 302a и 302b, конденсатор 310, подключенный между эмиттерами двух транзисторов. Каждый из эмиттеров подсоединен к источнику 304a и 304b тока, который заземлен. Каждый из источников 304a и 304b тока обеспечивает ток I₀. Дифференциальный входной сигнал в режиме напряжения V_IN ⁺и V_IN ^- подается на базы 306a и 306b двух транзисторов (обозначенных A и B). Кроме того, на выводах 308a и 308b (обозначенных C и D) формируется дифференциальный выходной сигнал в режиме тока I_OUT ⁺и I_OUT ^-.

В указанном варианте реализации используют биполярные n-p-n транзисторы, дифференциальный входной сигнал в режиме напряжения, дифференциальный выходной сигнал в режиме тока и один конденсатор между эмиттерами двух транзисторов, но изобретение не ограничено этим вариантом. Возможно осуществление дифференциальной спаренной схемы с отрицательной обратной связью по конденсатору, что включает использование технологий, отличающихся от биполярной, включая, но не ограничиваясь этим, технологию изготовления полевых транзисторов, МОП-структур (металл-оксид-полупроводник) или КМОП (комплементарные МОП) ИС (интегральных схем), включающих использование биполярных p-n-p транзисторов, полевых транзисторов, МОП-транзисторов или КМОП-транзисторов, предусматривающих использование несимметричного входного сигнала или входного сигнала, который имеет, скорее, токовый режимом, чем режим напряжения, предусматривающих использование несимметричного выходного сигнала или выходного сигнала, который имеет, скорее, режим напряжения, чем токовый режим, или который включает больше чем один конденсатор, подсоединенный между эмиттерами (или стоками) дифференциальной пары транзисторов.

Когда периодический сигнал, имеющий неравномерный рабочий цикл, подают на входы 306a и 306b, на конденсаторе 310 формируется постоянное напряжение V_DC, которое отображает разность в продолжительности между положительной и отрицательной частями рабочего цикла входного сигнала.

Заметим, что схема сконфигурирована для переключения между двумя режимами работы. В первом режиме транзистор 302a открыт, а транзистор 302b закрыт. Этот режим имеет место во время положительной части рабочего цикла входного сигнала, когда амплитуда входного сигнала на выводе 306a, V_IN ⁺, превышает уровень переключения, равный сумме порогового базового значения эмиттерного напряжения на эмиттерном переходе транзистора 302a, V_TH и напряжения в узле 312a, а амплитуда входного сигнала на выводе 306b, V_IN ^-, меньше, чем уровень переключения, равный сумме порогового базового значения эмиттерного напряжения на эмиттерном переходе транзистора 302b, V_TH, плюс напряжение в узле 312b.

Во время работы схема может быть представлена, как показано на фиг.4A. Согласно закону тока Кирхгофа в узле 312a ток I₀ течет через конденсатор 310 в указанном направлении и заряжает его.

Во втором режиме работы транзистор 302a закрыт, а транзистор 302b открыт.Этот режим имеет место в течение отрицательной части рабочего цикла входного сигнала, когда амплитуда входного сигнала на выводе 306a, V_IN ⁺меньше, чем уровень переключения, равный сумме порогового базового значения эмиттерного напряжения на эмиттерном переходе транзистора 302a, V_TH и напряжения в узле 312a, V_312a, а амплитуда входного сигнала на выводе 306b, V_IN ^- больше, чем уровень переключения, равный сумме порогового напряжения на эмиттерном переходе транзистора 302b, V_TH и напряжения в узле 312b, V_312b.

Во время работы схема может быть представлена, как показано на фиг.4B. Ток I₀ течет через конденсатор 310 в обратном направлении и разряжает его.

Заряд q, который остается на конденсаторе 310 после завершения положительной и отрицательной частей рабочего цикла входного сигнала, может быть выражен как I₀·(T_p-T_n), где: T_p - продолжительность положительной части рабочего цикла входного сигнала; T_n - продолжительность отрицательной части рабочего цикла входного сигнала. Постоянное напряжение V_dc, которое формируется на конденсаторе, может быть выражено как I₀·(T_p-T_n)/C_p.Это напряжение отображает разницу T_p-T_n в продолжительности между положительной и отрицательной частями рабочего цикла входного сигнала.

Постоянное напряжение, которое формируется на конденсаторе 310, модифицирует операцию переключения в дифференциальной спаренной схеме таким образом, что рабочий цикл выходного сигнала становится по существу равномерным.

Заметим, что до формирования напряжения постоянного тока на конденсаторе 310 формируется выходной сигнал, имеющий рабочий цикл, который соответствует рабочему циклу входного сигнала. На фиг.5A представлен несимметричный входной сигнал, имеющий неравномерный рабочий цикл, в котором положительная часть рабочего цикла T_p превышает отрицательную часть рабочего цикла T_n. На фиг.5B представлен результирующий выходной сигнал. Как показано, выходной сигнал также имеет несформированный рабочий цикл, который соответствует рабочему циклу входного сигнала. Аналогично входному сигналу положительная часть рабочего цикла выходного сигнала T_p превышает отрицательную часть рабочего цикла выходного сигнала T_n.

Как только на конденсаторе 310 формируется постоянное напряжение (фиг.6A), уровень переключения для входного сигнала увеличивается с уровня 502 до уровня 602, благодаря постоянному напряжению, которое формируется на конденсаторе 310. Благодаря изменению уровня переключения входного сигнала, точки перехода между входным сигналом и уровнем переключения изменяются с 502a, 502b, 502c и 502d на 602a, 602b, 602c и 602d. Следовательно, продолжительность положительной части рабочего цикла входного сигнала уменьшается от T_p до T_p*, а продолжительность отрицательной части рабочего цикла входного сигнала увеличивается от T_n до T_n*.

На фиг.6B показана продолжительность положительной части рабочего цикла сформированного результирующего выходного сигнала, определяемая разницей между последовательными точками перехода между входным сигналом и уровнем переключения, которая также изменилась на T_p*. Аналогично продолжительность отрицательной части рабочего цикла сформированного результирующего выходного сигнала, определяемая разницей между последовательными точками перехода между входным сигналом и уровнем переключения, также изменилась на T_n*. Если T_p* не равна T_n*, постоянное напряжение на конденсаторе 310 автоматически регулируется до тех пор, пока они не станут приблизительно равны. Например, если T_p* превышает T_n*, постоянное напряжение на конденсаторе 310 будет увеличиваться, вызывая увеличение уровня переключения, пока T_p* не станет приблизительно равно T_n*. Аналогично, если T_p* меньше T_n*, постоянное напряжение на конденсаторе 310 будет уменьшаться, вызывая уменьшение уровня переключения, пока T_p* не станет приблизительно равно T_n*. В любом случае, поскольку T_p* приблизительно равно T_n*, выходной сигнал имеет равномерный рабочий цикл.

На фиг.7A-7F представлены некоторые из возможных альтернативных вариантов осуществления базовой схемы. Возможны и другие варианты осуществления, так что эти варианты не следует рассматривать, как ограничивающие.

На фиг.7A и 7B входной сигнал V_IN является несимметричным сигналом в режиме напряжения, а выходной сигнал I_OUT ⁺и I_OUT ^- является дифференциальным сигналом в режиме тока.

На фиг.7C входной сигнал V_IN ⁺и V_IN ^- является дифференциальным сигналом в режиме напряжения, а выходной сигнал V_OUT ⁺и V_OUT ^- является дифференциальным сигналом в режиме напряжения.

На фиг.7D входной сигнал V_IN ⁺и V_IN ^- является дифференциальным сигналом в режиме напряжения, а выходной сигнал I_OUT является несимметричным сигналом в режиме тока.

На фиг.7E входной сигнал V_IN ⁺и V_IN ^- является дифференциальным сигналом в режиме напряжения, а выходной сигнал подается в логические схемы с переключением тока.

На фиг.7F входной сигнал I_IN ⁺и I_IN ^- является дифференциальным сигналом в режиме тока, а выходной сигнал I_OUT ⁺и I_OUT ^- является дифференциальным сигналом в режиме тока.

В примере реализации схемы (фиг.3) транзисторы 302a и 302b являются согласованными биполярными n-p-n транзисторами, каждый из которых имеет следующие физические параметры: длина эмиттера=3 микрона, ширина эмиттера=0,4 микрона и количество эмиттеров=6. Конденсатор 310 в этом примере содержит четыре конденсатора, размещенные параллельно и имеющие объединенную емкость 1,0 пФ. Каждый конденсатор имеет следующие физические параметры: длина=10,4 микрона, ширина=60,1 микрона.

На фиг.8 представлен пример реализации при коррекции рабочего цикла входного сигнала 802, имеющего неравномерный рабочий цикл относительно неотрегулированного уровня 804 переключения. Продолжительность положительной части рабочего цикла, представленной горизонтальным расстоянием между отметками М1 и M2, превышает продолжительность отрицательной части рабочего цикла, представленной горизонтальным расстоянием между отметками M2 и M3. Благодаря работе схемы, уровень переключения подгоняется к уровню, обозначенному отметкой M4. Относительно этого отрегулированного уровня переключения, рабочий цикл входного цикла по существу является равномерным. Это, в свою очередь, приводит к тому, что рабочий цикл выходного сигнала становится по существу равномерным.

На фиг.9 представлена блок-схема алгоритма способа коррекции рабочего цикла входного сигнала, имеющего неравномерный рабочий цикл. Входной сигнал может быть дифференциальным или несимметричным сигналом, а также сигналом в режиме тока или сигналом в режиме напряжения.

На этапе 902 формируют сигнал, отображающий разницу в продолжительности между положительной частью рабочего цикла входного сигнала и отрицательной частью рабочего цикла входного сигнала. В одном случае этот сигнал представляет собой постоянное напряжение, формируемое на одном или более конденсаторах в дифференциальной спаренной схеме с отрицательной обратной связью по конденсатору.

На этапе 904 получают уровень переключения из сигнала, полученного на этапе 902.

На этапе 906 осуществляют формирование выходного сигнала, имеющего рабочий цикл, посредством чего продолжительности положительной и отрицательной частей рабочего цикла выходного сигнала определены точками перехода между входным сигналом и уровнем переключения, полученным на этапе 904. Выходной сигнал может быть дифференциальным или несимметричным сигналом, а также сигналом в режиме тока или в режиме напряжения. В одном примере реализации выходной сигнал формируют путем переключения дифференциальной спаренной схемы с отрицательной обратной связью по конденсатору.

На этапе 908 осуществляют регулирование, при необходимости, сигнала (и результирующего уровня переключения) до тех пор, пока рабочий цикл выходного сигнала не окажется равномерным или, по меньшей мере, по существу равномерным. В этом варианте осуществления полагают, что возможен уровень переключения, который выравнивает положительную и отрицательную части рабочего цикла выходного сигнала.

В публикации "2.5-Gb/s 15-mW Clock Recovery Circuit", Behzad Razavi, IEEE Journal of Solid-State Circuits, т.31, №4, апрель 1996 г., стр.472-480, раскрыта дифференциальная спаренная схема с отрицательной обратной связью по конденсатору (см. фиг.9a) для использования в конкретном применении, то есть для восстановления синхронизации. Однако в ссылке не указано использование дифференциальной спаренной схемы с отрицательной обратной связью по конденсатору для коррекции рабочего цикла.

Хотя были описаны различные варианты осуществления изобретения, специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что возможно значительно больше вариантов осуществления и реализаций в пределах объема данного изобретения.

Изобретение относится к способам коррекции рабочего цикла входного сигнала, имеющего неравномерный рабочий цикл. Технический результат заключается в повышении равномерности рабочего цикла. Для этого формируют сигнал, отображающий разницу в продолжительности между положительной и отрицательной частями рабочего цикла входного сигнала. Получают уровень переключения. Затем формируют выходной сигнал путем переключения, посредством чего продолжительности, положительной и отрицательной частей рабочего цикла выходного сигнала определяют по точкам пересечения между входным сигналом и уровнем переключения. Сигнал (и уровень переключения) регулируют, при необходимости, до тех пор, пока рабочий цикл выходного сигнала не окажется, по меньшей мере, по существу равномерным. 17 ил.

Способ коррекции рабочего цикла входного сигнала, имеющего неравномерный рабочий цикл, с использованием дифференциальной спаренной схемы с отрицательной обратной связью по конденсатору, содержащий следующие шаги: вводят в схему входной сигнал, имеющий неравномерный рабочий цикл, формируют постоянное напряжение на одном или больше конденсаторах в схеме, отображающее разницу в продолжительности между положительной и отрицательной частями рабочего цикла входного сигнала, выделяют уровень переключения постоянного тока из постоянного напряжения, формируют путем переключения дифференциальной спаренной схемы выходной сигнал, имеющий рабочий цикл, в котором продолжительности положительной и отрицательной частей рабочего цикла выходного сигнала определяют по точкам пересечения входного сигнала и уровнем переключения постоянного тока, осуществляют регулирование постоянного напряжения до тех пор, пока рабочий цикл выходного сигнала не станет, по меньшей мере, по существу равномерным, при этом дифференциальная спаренная схема с отрицательной обратной связью по конденсатору содержит один или больше конденсаторов, подсоединенных между эмиттерами дифференциальной пары биполярных транзисторов.