CN106505985B - 单端至差分转换电路及信号处理模块 - Google Patents

单端至差分转换电路及信号处理模块 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种单端至差分转换电路，用于将输入信号转换为一对差分信号。放大器，包括反相输入端、用于接收参考信号的非反相输入端，以及输出端。第一电阻，耦接在该放大器的反相输入端和输出端之间。第二电阻耦接于该放大器的反相输入端。第三电阻耦接于该放大器的输出端。电阻串耦接在该放大器的输出端和该第二电阻之间，包括串联的第四电阻和第五电阻。该对差分信号之一信号通过该第三电阻提供，以及，该对差分信号之另一信号通过该电阻串提供。相应地，本发明还提供了一种信号处理电路。采用本发明，通过一个单端放大器即可实现将单端输入信号转换为一对差分信号，能够减少布局面积和功率损耗。

Description

单端至差分转换电路及信号处理模块
技术领域
本发明涉及一种单端(single-ended)至差分(differential)转换电路，以及更特别地，涉及一种具有单端至差分转换电路的信号处理模块，该单端至差分转换电路用于将输入信号转换为一对差分输出信号。
背景技术
目前，模拟至数字转换器(analog to digital converters，ADC)在各种应用(如医疗系统、音频系统、测试及测量设备、通信系统，以及，图像视频系统)中得到了广泛地使用。近年来，差分输入的模拟至数字转换器(ADC)已在仪器仪表或通信系统中得到了应用。这是因为：差分输入的信号幅度是单端输入的信号幅度的一半。从而，可以减少失真(distortion)，以及，模拟至数字转换器(ADC)的差分输入可以消除由模拟至数字转换器(ADC)前面的电路所产生的偶次阶(even-order)失真和同相(in-phase)分量噪声。因此，差分输入的模拟至数字转换器(ADC)能够实现宽带宽、低噪声以及低失真的性能。
因此，考虑到模拟至数字转换器(ADC)的性能，当输入信号为单端信号时，有必要在模拟至数字转换器(ADC)前面设置一信号转换器，该信号转换器用于将单端信号转换为差分信号。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种单端至差分转换电路及信号处理模块，以解决上述问题。
第一方面，本发明提供一种单端至差分转换电路，用于将输入信号转换为一对差分信号。该单端至差分转换电路包括：放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和电阻串。放大器，具有反相输入端、用于接收参考信号的非反相输入端，以及输出端。第一电阻耦接在该放大器的反相输入端和输出端之间。第二电阻耦接于该放大器的反相输入端，其中，该放大器的反相输入端通过该第二电阻接收该输入信号。第三电阻，耦接于该放大器的输出端。电阻串耦接在该放大器的输出端和该第二电阻之间，以及包括串联的第四电阻和第五电阻。该对差分信号之一信号通过该第三电阻提供，以及，该对差分信号之另一信号通过该电阻串提供。
第二方面，本发明提供一种信号处理模块，包括差分信号处理电路和如上所述的单端至差分转换电路，该差分信号处理电路用于根据一对差分中间信号提供一对差分输出信号，且包括全差分放大器；该单端至差分转换电路用于将输入信号转换为该对差分中间信号；其中，该全差分放大器的非反相输入端耦接于该单端至差分转换电路中的第三电阻，以及，该全差分放大器的反相输入端耦接于位于该第四电阻和该第五电阻之间的节点。
上述技术方案提供了一种单端至差分转换电路的新颖架构，其通过一个单端放大器即可实现将单端的输入信号转换为一对差分信号，能够减少布局面积和功率损耗。
本领域技术人员在阅读附图所示优选实施例的下述详细描述之后，可以毫无疑义地理解本发明的这些目的及其它目的。
附图说明
图1根据本发明实施例示出了一种信号处理模块；
图2根据本发明另一实施例示出了一种信号处理模块。
具体实施方式
以下描述为本发明实施的较佳实施例，其仅用来例举阐释本发明的技术特征，而并非用来限制本发明的范畴。在通篇说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的元件，所属领域技术人员应当理解，制造商可能会使用不同的名称来称呼同样的元件。因此，本说明书及权利要求书并不以名称的差异作为区别元件的方式，而是以元件在功能上的差异作为区别的基准。本发明中使用的术语“元件”、“系统”和“装置”可以是与计算机相关的实体，其中，该计算机可以是硬件、软件、或硬件和软件的结合。在以下描述和权利要求书当中所提及的术语“包含”和“包括”为开放式用语，故应解释成“包含，但不限定于…”的意思。此外，术语“耦接”意指间接或直接的电气连接。因此，若文中描述一个装置耦接于另一装置，则代表该装置可直接电气连接于该另一装置，或者透过其它装置或连接手段间接地电气连接至该另一装置。
图1根据本发明实施例示出了一种信号处理模块(signal processing module)100。信号处理模块100包括单端至差分转换电路(single-ended to differentialconversion circuit)110和差分信号处理电路(differential signal processingcircuit)120。单端至差分转换电路110能够将单端输入信号转换为一对中间信号(如图1中标注的差分电流信号ICM+ISIG和ICM-ISIG，其中，ICM可用来表示直流成分，ISIG可用来表示交流成分)。在一些实施例中，该对中间信号可以是电压信号，以及，单端至差分转换电路110能够将单端输入信号转换为对应于该对中间信号的电压(如差分电压信号VCM+VSIG和VCM-VSIG)。差分信号处理电路120用于对该对中间信号进行处理，能够根据该对中间信号(如ICM+ISIG、ICM-ISIG)提供一对差分输出信号OUTP/OUTN。例如，在一些实施例中，差分信号处理电路120放大该对中间信号(如ICM+ISIG、ICM-ISIG)，以获得该对差分输出信号OUTP/OUTN。再例如，在一些实施例中，差分信号处理电路120根据修正信号(modification signal)(未示出)调整(modify)该对中间信号(如ICM+ISIG、ICM-ISIG)，以获得该对差分输出信号OUTP/OUTN。应当说明的是，本发明实施例对差分信号处理电路120的具体的处理操作不做任何限制。
图2根据本发明另一实施例示出了一种信号处理模块200。信号处理模块200包括单端至差分转换电路210和差分信号处理电路220。单端至差分转换电路210能够将单端输入信号VCM+VIN转换为一对差分中间信号。在本实施例中，该对差分中间信号为一对差分电流信号(如图2中n2节点处的电流(IP1+IP2)和n3节点处的电流-IN)。应当说明的是，VCM可以表示直流电压，VIN可以表示含交流电压的交流成分，例如，当VCM＝0V时，VIN可以用来表示不包括直流成分的纯交流信号，当然，VIN也可以用来表示包含直流成分的交流信号，具体地，本发明实施例不做任何限制。在本实施例中，单端至差分转换电路210包括放大器230(如图2所示，放大器230为单端放大器)以及六个电阻R1-R6。在一些实施例中，可以省略电阻R6，换言之，电阻R6是可选的。差分信号处理电路220包括全差分(fully-differential)放大器240以及两个反馈单元(feedback unit)250和260。反馈单元250耦接在全差分放大器240的反相输入端和非反相输出端之间，以及，反馈单元260耦接在全差分放大器240的非反相输入端和反相输出端之间。在一些实施例中，差分信号处理电路220还可以包括两个输入单元(图2中未示出)，其中，其中一个输入单元耦接在全差分放大器240的反相输入端和单端至差分转换电路210的节点n2(例如，耦接在单端至差分转换电路210的其中一个差分输出端和全差分放大器240的反相输入端之间)之间，以及，另一个输入单元耦接在全差分放大器240的非反相输入端和单端至差分转换电路210的电阻R3(例如，耦接在单端至差分转换电路210的另一个差分输出端和全差分放大器240的非反相输入端之间)之间。因此，根据这两个输入单元以及反馈单元250和260，全差分放大器240的增益是确定的。在实践中，若全差分放大器240为理想型放大器，则其反相输入端和非反相输入端上的输入电压相等；若全差分放大器240为非理想型放大器，则其反相输入端和非反相输入端上的输入电压为差分电压。在本发明实施例中，不管全差分放大器240是否为理想型放大器，全差分放大器240的两个输入电流为差分电流。因此，在本发明实施例中，为方便说明，上述差分中间信号以差分电流信号为例，以及，全差分放大器240以理想型放大器为例进行说明，但应当说明的是，本发明并不限制全差分放大器240的具体类型。原因在于，针对特定类型的全差分放大器240，全差分放大器240会自动调节其输入端上的电压，使其输入端上的电压满足该特定类型的全差分放大器的客观需求。在本发明实施例中，为方便描述，以全差分放大器240的两输入端上的电压均被维持在电压VCM上为例(即节点n2上的电压Vn2和节点n3上的电压Vn3满足Vn2＝Vn3＝VCM)，但应当说明的是，本发明并不限于此。
在图2的单端至差分转换电路210中，放大器230具有耦接于电阻R1的一端和R2的一端的反相输入端、用于接收参考信号Vref的非反相输入端，以及耦接于电阻R1的另一端、R3的一端和R4的一端的输出端。在一些实施例中，参考信号Vref具有恒定电压值，例如，可以将参考信号Vref的电压电平和直流电压VCM设置为相等。为方便描述，本发明实施例以参考信号Vref的电压电平等于直流电压VCM为例进行说明，但应当说明的是，本发明并不限于此，原因在于，若直流电压VCM不等于参考信号Vref的电压电平，则VIN可以被替换为(VCM-Vref+VIN)，从而可基于以下实施例相应地得到第三电阻的电阻值、单端至差分转换电路210的等效阻抗等。电阻R6耦接于节点n1，以及，电阻R6是输入电阻，用于接收输入信号VIN。电阻R2耦接在节点n1和放大器230的反相输入端之间，以及，放大器的反相输入端可以通过电阻R2接收输入电压VIN。电阻R1耦接在放大器230的反相输入端和输出端之间。电阻R3耦接在放大器230的输出端和全差分放大器240的非反相输入端之间。电阻R4耦接在放大器230的输出端和节点n2之间。电阻R5耦接在节点n2和节点n1之间。此外，电阻R4和R5构成耦接在节点n1和放大器230的输出端之间的电阻串(resistor string)。在一些实施例中，电阻R3的电阻值是根据电阻R1、电阻R2、电阻R4以及电阻R5确定的。
在一实施例中，电阻R5的电阻值(或阻抗)为R，其中，R是用于单端至差分转换电路210的单位电阻。电阻R6的电阻值为m×R。电阻R2的电阻值为x×R。电阻R1的电阻值为y×R。电阻R4的电阻值为n×R。根据电阻R1、R2、R4和R5的电阻值，电阻R3的电阻值可以根据以下的公式(1)获得。
此外，根据运算放大器中电路分析的虚拟接地(virtual ground)概念，放大器230的非反相输入端和反相输入端上的节点，以及，全差分放大器240的非反相输入端和反相输入端上的节点被维持在稳定的参考电位(即虚拟接地)。因此，节点n1上的电压Vn1可以根据以下的公式(2)获得。
其中，
此外，根据节点n1上的电压Vn1以及电阻R1和R2，放大器230的输出端上的电压V2可以根据以下的公式(3)获得。
根据电压Vn1、Vn2和V2，流经电阻R5的电流IP1、流经电阻R4的电流IP2，以及流经电阻R3的电流IN可以分别根据以下的公式(4)-(6)获得。
从公式(4)-(6)可知，通过合理地设置电阻R3的电阻值，可以基于图2所示的架构使得单端至差分转换电路210的输出电流始终为一对差分信号，即满足IN＝-(IP1+IP2)。此外，通过确定全差分放大器240的反相输入端的电压(或电流)与非反相输入端的电压(或电流)之间的关系，可以确定信号处理模块200的共模(common mode)或差模(differentialmode)情形，进而估计该对中间信号的共模扰动(perturbation)或差模扰动；然后，在全差分放大器240的反相输入端上所观察到(换言之，从全差分放大器240的反相输入端看向单端至差分转换电路210)的等效阻抗REQ_P和在全差分放大器240的非反相输入端上所观察到(换言之，从全差分放大器240的非反相输入端看向单端至差分转换电路210)的等效阻抗REQ_N被获得。在一些实施例中，等效阻抗REQ_P和REQ_N可被设置为相同。在一些实施例中，等效阻抗REQ_P和REQ_N为单端至差分转换电路210的两个输出阻抗，为计算这两个输出阻抗，从单端至差分转换电路210的输出端施加电压VCM+VP和VCM+VN，而不在其输入端上接收单端输入信号。举例来说，为了计算单端至差分转换电路210的共模输出阻抗，则假定施加至全差分放大器240的反相输入端的电压VCM+VP和非反相输入端的电压VCM+VN是相同的，即VP＝VN。此外，若期望共模情形中的等效阻抗REQ_P和REQ_N是相等的，则在该共模情形中，从全差分放大器240的反相输入端流至单端至差分转换电路210的电流等于从全差分放大器240的非反相输入端流至单端至差分转换电路210的电流，即，IP1+IP2＝IN。因此，等效阻抗REQ_P和REQ_N可以分别根据以下的公式(7)-(8)获得。
其中，当满足时，共模情形下的等效阻抗REQ_P和REQ_N相等。
相应地，为计算单端至差分转换电路210的差模输出阻抗，则假定施加至全差分放大器240的反相输入端的电压VCM+VP和非反相输入端的电压VCM+VN是差分信号，即VP＝-VN。此外，若期望差模情形中的等效阻抗REQ_P和REQ_N是相等的，则在该差模情形中，从单端至差分转换电路210流至全差分放大器240的反相输入端的电流等于从全差分放大器240的非反相输入端流至单端至差分转换电路210的电流，即，IP1+IP2＝-IN。因此，等效阻抗REQ_P和REQ_N可以分别根据以下的公式(9)-(10)获得。
其中，当满足时，差模情形下的等效阻抗REQ_P和REQ_N相等。
应当指出的是，若期望共模输出阻抗或差模情输出阻抗均分别相等，需满足电流IP1和IP2之和的绝对值等于电流IN的绝对值，即|IP1+IP2|＝|IN|。此外，根据实际应用，对于共模扰动或差模扰动,可以获得等效阻抗REQ_P和REQ_N。通常，不能同时满足共模情形中的等效阻抗与差模情形中的等效阻抗均分别相等。具体地，可以根据实际需求来设置共模等效阻抗相等还是差模等效阻抗相等，本发明对此不作任何限定。例如，由于差分信号处理电路120前面的电路(如单端至差分转换电路110)通常会存在共模噪声，通过将共模情形中的等效阻抗REQ_P和REQ_N设置为相等，可以使该噪声在全差分放大器240的两个差分输入端上相互抵消，从而实现低噪声。再例如，通过将差模情形中的等效阻抗REQ_P和REQ_N设置为相等，可以在有差模回授的应用中,减少失真。
本发明通过在节点n2和放大器230的输出端之间添加电阻R4，单端至差分转换电路210中仅需使用一个单端放大器(即放大器230)。因此，与传统的单端至差分转换电路(例如，传统的单端至差分转换电路利用两个单端放大器的解决方案，或者，利用全差分放大器的解决方案等等)相比，单端至差分转换电路210中的布局面积和功率损耗被减少。此外，在输入信号VIN的输入量和放大器230的性能之间的权衡能够被优化。通过引入电阻R4(例如，电阻值为n×R)，等效输入可以被缩放为原来的1-1/n倍(n>1)；以及，放大器230的非理想因素可以被消除为原来的|1/n-(1-(y/x)×(1/n))/(y/x)|倍。举例来说，假定电阻R1和R2等于电阻R5(即x＝y＝1)以及电阻R4是电阻R5的两倍(即n＝2)，则由放大器230造成的噪声和失真可以被完全消除。特别地，通过恰当地控制电阻R1、R2、R4和R5的比率，可以减少放大器230所造成的噪声和失真。应当说明的是，本发明实施例中所列的x，y，m，n并不限于整数。
在不脱离本发明的精神以及范围内，本发明可以其它特定格式呈现。所描述的实施例在所有方面仅用于说明的目的而并非用于限制本发明。本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定者为准。本领域技术人员皆在不脱离本发明之精神以及范围内做些许更动与润饰。

Claims (8)

1.一种单端至差分转换电路，用于将输入信号转换为一对差分信号，其特征在于，包括：
放大器，具有反相输入端、用于接收参考信号的非反相输入端，以及输出端；
第一电阻，耦接在该放大器的反相输入端和输出端之间；
第二电阻，该第二电阻的第一端耦接于该放大器的反相输入端，其中，该放大器的反相输入端通过该第二电阻接收该输入信号；
第三电阻，耦接于该放大器的输出端；以及
电阻串，耦接在该放大器的输出端和该第二电阻的第二端之间，包括串联的第四电阻和第五电阻；
其中，该对差分信号的其中一个信号通过该第三电阻提供，以及，该对差分信号的另一个信号通过该电阻串中串联的第四电阻和第五电阻之间的节点提供；
其中，该第三电阻的电阻值是根据该第一电阻的电阻值、该第二电阻的电阻值、该第四电阻的电阻值以及该第五电阻的电阻值确定的；该第五电阻的电阻值为R，该第四电阻的电阻值为n×R，该第二电阻的电阻值为x×R，该第一电阻的电阻值为y×R，以及，该第三电阻的电阻值被确定为
2.如权利要求1所述的单端至差分转换电路，其特征在于，该单端至差分转换电路还包括：
第六电阻，耦接于该第二电阻和该电阻串，用于接收该输入信号；
其中，该第二电阻耦接在该第六电阻和该放大器的反相输入端之间，以及，该第五电阻耦接在该第六电阻和该第四电阻之间。
3.如权利要求1所述的单端至差分转换电路，其特征在于，从该第四电阻和该第五电阻之间的节点流向该第五电阻的第一电流与从该第四电阻和该第五电阻之间的该节点流向该第四电阻的第二电流之和等于通过该第三电阻流向该放大器的输出端的第三电流。
4.如权利要求1所述的单端至差分转换电路，其特征在于，该单端至差分转换电路的共模输出阻抗相等。
5.如权利要求1所述的单端至差分转换电路，其特征在于，该单端至差分转换电路的差模输出阻抗相等。
6.如权利要求1所述的单端至差分转换电路，其特征在于，该参考信号具有恒定电压值。
7.一种信号处理模块，其特征在于，包括：
差分信号处理电路和如权利要求1-6任一项所述的单端至差分转换电路，该差分信号处理电路用于根据一对差分中间信号提供一对差分输出信号，且包括全差分放大器；
其中，该对差分中间信号为该单端至差分转换电路转换得到的一对差分信号，以及，该单端至差分转换电路中的第三电阻耦接在该单端至差分转换电路中的放大器的输出端和该全差分放大器的非反相输入端之间，该全差分放大器的反相输入端耦接于该单端至差分转换电路中的第四电阻和第五电阻之间的节点。
8.如权利要求7所述的信号处理模块，其特征在于，该对差分中间信号的其中一个中间信号通过该第三电阻被提供至该全差分放大器的非反相输入端，以及，该对差分中间信号的另一个中间信号通过该第四电阻和该第五电阻之间的节点被提供至该全差分放大器的反相输入端。
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