CN113381746A - 差分至单端转换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种差分至单端转换器，其包括第一输入节点、第二输入节点、运算放大器和反馈电路。运算放大器具有第一端和第二端，其中，运算放大器的第一端接收来自第一输入端的第一信号，运算放大器的第二端接收来自第二输入端的第二信号。反馈电路被配置为接收运算放大器的输出信号，并生成第一反馈信号至运算放大器的第一端，以减小第一信号的摆幅，且生成第二反馈信号至运算放大器的第二端，以消除反馈电路产生的并被输入到第一端和第二端的噪声。

Description

差分至单端转换器

技术领域

本发明通常涉及一种差分至单端转换技术，以及更特别地，涉及一种低噪声的差分至单端转换器。

背景技术

差分至单端(differential to single-ended)转换器通常用在输入信号为差分但输出负载需要由单端信号驱动的应用中。在常规技术中，差分至单端转换器可以由差分运算放大器(operational amplifier)来实现，以及，差分运算放大器的两个输出信号之一被选择做为单端输出信号。然而，该差分运算放大器会受共模反馈电路(common-modefeedback circuit，CMFB)噪声的影响。此外，差分至单端转换器可以由单端运算放大器实现，但是，单端运算放大器的一个输入端上的电压摆幅(voltage swing)较大，而该运算放大器的该输入端上的该较大电压摆幅会降低输出信号的线性度。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种差分至单端转换器，其能够降低运算放大器的输入端上的电压摆幅，并防止单端输出信号受其它电路的影响。

根据本发明一实施例，差分至单端转换器包括第一输入节点、第二输入节点、运算放大器和反馈电路。运算放大器具有第一端和第二端，其中，运算放大器通过第一端接收来自第一输入节点的第一信号，运算放大器通过第二端接收来自第二输入节点的第二信号。反馈电路被配置为接收运算放大器的输出信号并生成第一反馈信号至运算放大器的第，以减小第一信号的摆幅，且生成第二反馈信号至运算放大器的第二端，以消除反馈电路产生的并被输入到第一端和第二端的噪声。

在一些实施例中，该第一反馈信号和该第一信号的相位相反，以及，该第二反馈信号和该第二信号的相位相同。

在一些实施例中，该差分至单端转换器还包括：耦接在输出端与该第二端之间的反馈电阻。

在一些实施例中，该第一端是同相端，该第二端是反相端，以及，该反馈电路包括缓冲器，该缓冲器被配置为接收该输出信号，并产生缓冲后的输出信号；其中，该第一反馈信号和该第二反馈信号是基于该缓冲后的输出信号产生的。

在一些实施例中，该缓冲器是反相缓冲器。

在一些实施例中，该差分至单端转换器还包括：第一电阻，耦接在该差分至单端转换器的该第一输入节点和该运算放大器的该第一端之间；以及，第二电阻，耦接在该差分至单端转换器的该第二输入节点和该运算放大器的该第二端之间；其中，该反馈电路还包括第三电阻和第四电阻，第三电阻耦接在该缓冲器的输出端与该运算放大器的第一端之间，用于接收该缓冲后的输出信号，以产生该第一反馈信号；以及，第四电阻耦接在该缓冲器的输出端与该算放大器的第二端之间，用于接收该缓冲后的输出信号，以产生该第二反馈信号。

在一些实施例中，该第三电阻的电阻值不同于该第四电阻的电阻值。

在一些实施例中，该第一电阻和该第三电阻的电阻值被设计为使得该运算放大器的该第一端处的电压摆幅基本上等于零。

在一些实施例中，该第一电阻、该第二电阻、该第三电阻、该第四电阻和该反馈电阻的电阻值被设计为使得该输出信号不受该缓冲器所产生的噪声的影响。

在一些实施例中，该第四电阻的电阻值小于该第三电阻的电阻值。

在一些实施例中，该反馈电阻的电阻值小于该第三电阻的电阻值。

在一些实施例中，当该第一电阻和该第二电阻具有相同的电阻值时，该第三电阻、该第四电阻和该反馈电阻的电阻值满足以下等式

Vout*(-R6/R5)*(1/(1+n))+Vin*(n/(1+n))＝0；

(1/(1+n))*(1+k*(1+m)/m)-(k/m)＝0；以及，

Vout*(R6/R5)*(k/m)+Vin*k＝Vout；

其中，(R6/R5)是该缓冲器提供的电阻比，“n”是该第三电阻的电阻值，“m”是该第四电阻的电阻值，“k”是该反馈电阻的电阻值，“Vout”是该输出信号，“Vin”是该第一输入信号或该第二输入信号。

在一些实施例中，当该差分至单端转换器的增益等于1时，该第一电阻、该第二电阻、该第三电阻、该第四电阻和该反馈电阻的电阻比为1：1：2：(2/3)：(1/2)。

在一些实施例中，当该差分至单端转换器的增益等于2时，该第一电阻、该第二电阻、该第三电阻、该第四电阻和该反馈电阻的电阻比为1：1：4：(12/5)：(3/2)。

在一些实施例中，当该差分至单端转换器的增益等于4时，该第一电阻、该第二电阻、该第三电阻、该第四电阻和该反馈电阻的电阻比为1：1：8：(56/9)：(7/2)。

在阅读了在各个附图和附图中示出的优选实施例的以下详细描述之后，本发明的这些和其它目的对于本领域技术人员来说将变得显而易见。在下面的详细描述中描述其它实施例和优点。本发明内容并非旨在限定本发明。本发明由权利要求书限定。

附图说明

通过阅读后续的详细描述以及参考附图所给的示例，可以更全面地理解本发明。

图1是根据本发明一实施例示出的一种差分至单端转换器的示意图。

图2是根据本发明一实施例示出的反馈电路的示意图。

在下面的详细描述中，为了说明的目的，阐述了许多具体细节，以便本领域技术人员能够更透彻地理解本发明实施例。然而，显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施一个或多个实施例，不同的实施例可根据需求相结合，而并不应当仅限于附图所列举的实施例。

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。

其中，除非另有指示，各附图的不同附图中对应的数字和符号通常涉及相应的部分。所绘制的附图清楚地说明了实施例的相关部分且并不一定是按比例绘制。

文中所用术语“基本”或“大致”是指在可接受的范围内，本领域技术人员能够解决所要解决的技术问题，基本达到所要达到的技术效果。举例而言，“大致等于”是指在不影响结果正确性时，技术人员能够接受的与“完全等于”有一定误差的方式。

图1是根据本发明一实施例示出的差分至单端转换器100的示意图。应当说明的是，图1是为便于说明的示例结构，本发明并不限于该示例结构中示出的特定组件和特定连接。如图1所示，差分至单端转换器100被配置为分别接收第一输入节点Nin1和第二输入节点Nin2处的差分信号+Vin和-Vin，以在输出节点Nout处产生输出信号Vout。差分至单端转换器100包括运算放大器(operational amplifier)110、反馈电路(feedback circuit)120、第一电阻R1、第二电阻R2和反馈电阻R_FB，其中，第一电阻R1耦接在第一输入节点Nin1与运算放大器110的同相端(positive terminal)之间。第二电阻R2耦接在第二输入节点Nin2与运算放大器110的反相端之间，以及，反馈电阻R_FB耦接在运算放大器110的反相端与运算放大器110的输出端之间。

在差分至单端转换器100的示例操作中，运算放大器110的同相端接收来自第一输入节点Nin1并经由第一电阻R1的第一信号Vx+，运算放大器110的反相端接收来自第二输入节点Nin2并经由第二电阻R2的第二信号Vx-。在该实施例中，由于反馈电阻R_FB连接在运算放大器110的反相端和输出端之间，因此，运算放大器110的反相端能够被控制为几乎(almost)是DC电位(即，信号/电压摆动非常小)。为了减少运算放大器110的同相端处的信号摆幅以改善线性度，反馈电路120参考/根据(refer to)输出信号Vout来产生第一反馈信号V_FB1至运算放大器110的同相端，以减小第一信号Vx+的信号摆幅。此外，尽管通过添加(add)第一反馈信号V_FB1至第一信号Vx+改善了差分至单端转换器100的线性度，但是，反馈电路120的噪声也会被产生至(be induced to)第一信号Vx+。因此，为了防止输出信号Vout受到反馈电路120产生的噪声的影响，反馈电路120还产生第二反馈信号V_FB2至运算放大器110的反相端，以消除(balance)反馈电路120产生的并被输入到运算放大器110的同相端(和反相端)的噪声。因此，本发明提供的差分至单端转换器具有低噪声的优点，例如，输出信号可以不受反馈电路120的噪声影响。相较而言，如果没有使用本发明提出的方法，则Vx-会有很大的信号摆幅，而使用本发明提出的方法可以把Vx-端的信号摆幅做相消，使其保持在DC电位。

在图1所示的实施例中，第一反馈信号V_FB1和第二反馈信号V_FB2是同相的(arein phase)，从而使得被产生至(induced to)第一信号Vx+和第二信号Vx-的噪声被抵消/相消，以及，第一反馈信号V_FB1和第一信号Vx+的相位相反(are opposite in phase)，以减小运算放大器110的同相端的信号摆幅。因此，第二反馈信号V_FB2和第二信号Vx-是同相的(即，第二反馈信号V_FB2不是用来减小第二信号Vx-的信号摆幅，因为，反馈电阻R_FB连接在运算放大器110的反相端和输出端之间，该设置已能够使得反相端的信号摆幅很小)。

鉴于上述描述，通过提供反馈电阻R_FB并使用反馈电路120分别产生第一反馈信号V_FB1和第二反馈信号V_FB2至运算放大器110的同相端和反相端，运算放大器110的同相端和反相端这两者具有较小的(small)电压摆幅，进而可以提高差分至单端转换器的线性度，而且，由反馈电路120导致/带来的噪声也将不会影响输出信号Vout的精度。

图2是根据本发明一实施例示出的反馈电路120的示意图。如图2所示，反馈电路120包括缓冲器(buffer)210、第三电阻R3和第四电阻R4，其中，缓冲器210包括运算放大器212和两个电阻R5和R6，以及，运算放大器212的同相端接收偏置电压VB。在本实施例中，缓冲器210可以是反相缓冲器(inverting buffer)，以及，缓冲器210接收输出信号Vout以产生缓冲后的输出信号(buffered output signal)，该缓冲后的输出信号用于产生第一反馈信号V_FB1和第二反馈信号V_FB2，即输出信号Vout的相位不同于第一反馈信号V_FB1和第二反馈信号V_FB2中的每一个的相位(例如，相位差可以是180°)。另外，第一电阻R1和第三电阻R3的电阻值可以被设计成使得运算放大器110的同相端处的信号摆幅(signal swing)基本上等于零(即同相端处的Vx+被控制为直流(DC)电位，而基本不存在交流(AC)信号)。第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和反馈电阻R_FB的电阻值被设计为使得输出信号Vout不受缓冲器210产生的噪声影响。具体地，假设第一电阻R1和第二电阻R2中的每一个的电阻值为“R”，第三电阻R3的电阻值为“n*R”，第四电阻R4的电阻值为“m*R”，反馈电阻R_FB的电阻值为“k*R”，以及，电阻R5的电阻值等于电阻R6的电阻值，为了使得运算放大器110的同相端基本上等于零，则反馈信号V_FB1和由输入信号+Vin提供的信号的总和等于零，即：

Vout*(-R6/R5)*(1/(1+n))+Vin*(n/(1+n))＝0…………(1)；

以及，公式(1)可被简化为：

n＝Vout/Vin………………(2)。

为了将噪声(从缓冲器210到输出信号Vout)控制为零，应满足以下提供的等式(3)：

V_noise*(1/(1+n))*(1+k*(1+m)/m)-V_noise*(k/m)＝0…………(3)。

其中，V_noise为缓冲器210产生的噪声。此外，差分至单端转换器100的信号传递函数被提供如下：

Vout*(R6/R5)*(k/m)+Vin*k＝Vout……………………(4)；

以及，公式(4)可以简化为：

其中，术语

是差分至单端转换器100的增益。

通过结合以上等式(2)，(3)和(5)，值n，m和k能够被确定。例如，如果差分至单端转换器100的增益等于1，则n，m和k可以被确定为2，(2/3)和(1/2)，即第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和反馈电阻R_FB的电阻值之比为1：1：2：(2/3)：(1/2)。如果差分至单端转换器100的增益等于2，则n，m和k可被确定为4，(12/5)和(3/2)，即第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和反馈电阻R_FB的电阻值之比为1：1：4：(12/5)：(3/2)。如果差分至单端转换器100的增益等于4，则n，m和k可被确定为8，(56/9)和(7/2)，即第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和反馈电阻R_FB的电阻值之比为1：1：8：(56/9)：(7/2)。

简要地概述，在本发明的差分至单端转换器中，反馈电路被配置为接收输出信号并产生第一反馈信号至运算放大器的同相端以减小第一信号的摆幅，且还产生第二反馈信号至运算放大器的反相端，以抵消/消除反馈电路产生/带来的并被输入至第一端和第二端的噪声。因此，差分至单端转换器具有更好的线性度，且不受反馈电路产生的噪声的影响。

虽然已经对本发明实施例及其优点进行了详细说明，但应当理解的系，在不脱离本发明的精神以及权利要求书所定义的范围内，可以对本发明进行各种改变、替换和变更，例如，可以通过结合不同实施例的若干部分来得出新的实施例。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书所界定者为准。所属技术领域中具有通常知识者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 (15)

1.一种差分至单端转换器，包括：

第一输入节点；

第二输入节点；

具有第一端和第二端的运算放大器，其中，该运算放大器的第一端接收来自该第一输入节点的第一信号，以及，该运算放大器的第二端接收来自该第二输入节点的第二信号；

反馈电路，被配置为接收该运算放大器的输出信号，并产生第一反馈信号至该运算放大器的第一端，以减小该第一信号的摆幅，以及，产生第二反馈信号至该运算放大器的第二端，以消除该反馈电路产生的并被输入到该第一端和该第二端的噪声。

2.根据权利要求1所述的差分至单端转换器，其特征在于，该第一反馈信号和该第一信号的相位相反，以及，该第二反馈信号和该第二信号的相位相同。

3.根据权利要求1所述的差分至单端转换器，其特征在于，该差分至单端转换器还包括：耦接在输出端与该第二端之间的反馈电阻。

4.根据权利要求3所述的差分至单端转换器，其特征在于，该第一端是同相端，该第二端是反相端，以及，该反馈电路包括：

缓冲器，被配置为接收该输出信号，并产生缓冲后的输出信号；

其中，该第一反馈信号和该第二反馈信号是基于该缓冲后的输出信号产生的。

5.根据权利要求4所述的差分至单端转换器，其特征在于，该缓冲器是反相缓冲器。

6.根据权利要求4所述的差分至单端转换器，其特征在于，该差分至单端转换器还包括：

第一电阻，耦接在该差分至单端转换器的该第一输入节点和该运算放大器的该第一端之间；以及，

第二电阻，耦接在该差分至单端转换器的该第二输入节点和该运算放大器的该第二端之间；

其中，该反馈电路还包括：

第三电阻，耦接在该缓冲器的输出端与该运算放大器的第一端之间，用于接收该缓冲后的输出信号，以产生该第一反馈信号；以及，

第四电阻，耦接在该缓冲器的输出端与该算放大器的第二端之间，用于接收该缓冲后的输出信号，以产生该第二反馈信号。

7.根据权利要求6所述的差分至单端转换器，其特征在于，该第三电阻的电阻值不同于该第四电阻的电阻值。

8.根据权利要求6所述的差分至单端转换器，其特征在于，该第一电阻和该第三电阻的电阻值被设计为使得该运算放大器的该第一端处的电压摆幅基本上等于零。

9.根据权利要求6所述的差分至单端转换器，其特征在于，该第一电阻、该第二电阻、该第三电阻、该第四电阻和该反馈电阻的电阻值被设计为使得该输出信号不受该缓冲器所产生的噪声的影响。

10.根据权利要求6所述的差分至单端转换器，其特征在于，该第四电阻的电阻值小于该第三电阻的电阻值。

11.根据权利要求10所述的差分至单端转换器，其特征在于，该反馈电阻的电阻值小于该第三电阻的电阻值。

12.根据权利要求6所述的差分至单端转换器，其特征在于，当该第一电阻和该第二电阻具有相同的电阻值时，该第三电阻、该第四电阻和该反馈电阻的电阻值满足以下等式：

Vout*(-R6/R5)*(1/(1+n))+Vin*(n/(1+n))＝0；

(1/(1+n))*(1+k*(1+m)/m)-(k/m)＝0；以及，

Vout*(R6/R5)*(k/m)+Vin*k＝Vout；

其中，(R6/R5)是该缓冲器提供的电阻比，“n”是该第三电阻的电阻值，“m”是该第四电阻的电阻值，“k”是该反馈电阻的电阻值，“Vout”是该输出信号，“Vin”是该第一输入信号或该第二输入信号。

13.根据权利要求12所述的差分至单端转换器，其特征在于，当该差分至单端转换器的增益等于1时，该第一电阻、该第二电阻、该第三电阻、该第四电阻和该反馈电阻的电阻比为1：1：2：(2/3)：(1/2)。

14.根据权利要求12所述的差分至单端转换器，其特征在于，当该差分至单端转换器的增益等于2时，该第一电阻、该第二电阻、该第三电阻、该第四电阻和该反馈电阻的电阻比为1：1：4：(12/5)：(3/2)。

15.根据权利要求12所述的差分至单端转换器，其特征在于，当该差分至单端转换器的增益等于4时，该第一电阻、该第二电阻、该第三电阻、该第四电阻和该反馈电阻的电阻比为1：1：8：(56/9)：(7/2)。

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