CN1874161A - 产生差分信号的高带宽仪器和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于产生差分信号的仪器与方法。该仪器包括一个用于接收第一信号的第一运算放大器，一个用于接收第二信号的第二运算放大器和一个第一晶体管。该第一晶体管包括一个第一栅极、一个第一端子和一个第二端子，另外，该仪器还包括一个第二晶体管，该第二晶体管包括一个第二栅极、一个第三端子和一的第四端子。该仪器还包括一个耦合至第一端子和第三端子的第一电阻，一个耦合至第二端子和第四端子的第二电阻，一个耦合至第一端子的第一电流源，一个耦合至第二端子的第二电流源，一个耦合至第三端子的第三电流源，一个耦合至第四端子的第四电流源。

Description

产生差分信号的高带宽仪器和方法
技术领域
本发明一般地涉及集成电路。更具体地说，本发明提供了一种用于产生差分信号的仪器和方法。本发明仅仅是以示例的方式被应用于模-数转换器(analog-to-digitalconverters)。但是应当认识到，本发明具有更广阔的应用范围。
背景技术
模-数转换器已经被广泛用于将一个模拟输入信号转换成一个数字输出信号。例如，模-数转换器常常被要求向数字电路提供模拟信号。模拟输入信号通常在时间和振幅上是连续的，而数字信号则通常在时间和振幅上是分散的。
某些模-数转换器本身包括一个比较器以逐次地将一个模拟信号与几个参考信号相比较，由于为了将一个模拟信号转换成一个数字信号，通常必须进一系列的比较，所以这些模-数转换器通常很慢。其他的模-数转换器为闪转换器(flash converters)，闪转换器常常采用很多比较器以同时将一个模拟信号与几个参考信号相比较，这些比较器可以同时为一个数字信号提供多个字节。
传统模-数转换器一般采用差分原理，差分原理将一个单端(single-ended)输入信号转换为差分输入信号。例如，该差分转换由一个充电和转换电路完成，该充电和转换电路一般在低中频率上运行良好，但对于高的抽样频率如高于100MHZ的频率，就常常不容易获得高于8字节的转换精度。还有一个例子，由一个高速运算放大器执行差分转换，该运算放大器常常消耗相当多的电流并产生额外的噪音。又一个例子，由一个转换器(transformer)完成该差分转换，但在很多应用中转换器不易于整合到一个数字电路芯片上。
综上可见，需要产生差分信号的技术需要改进。
发明内容
本发明一般地涉及集成电路。更具体地说，本发明提供了一种用于产生差分信号的仪器和方法。本发明仅仅是以示例的方式被应用于模-数转换器。但是应当认识到，本发明具有更广阔的应用范围。
在一个实施例中，本发明提供了一种用于产生差分信号的仪器，该仪器包括：一个用于接收第一信号的第一运算放大器，一个用于接收第二信号的第二运算放大器，和一个第一晶体管，第一晶体管包括一个第一栅极，一第一端子和一个第二端子。另外，该仪器还包括一个第二晶体管，该第二晶体管包括一个第二栅极，一个第三端子和一个第四端子。还有，该仪器还包括一个耦合于所述第一端子和第三端子的第一电阻，耦合于第二端子和第四端子的第二电阻。此外，该仪器还包括耦合于第一端子的第一电流源，耦合于第二端子的第二电流源，耦合于第三端子的第三电流源，和耦合于第四端子的第四电流源。第一晶体管的栅极耦合至第一运算放大器，第二晶体管的栅极耦合至第二运算放大器，第二端子被配置用于输出一个第三信号，第四端子被配置用于输出一个第四信号。第四信号和第三信号之间的第一差基本上与第一信号和第二信号之间的第二差成正比。
在又一个实施例中，一个用于产生差分信号的仪器包括一个用于接收第一信号的第一运算放大器，一个用于接收第二信号的第二运算放大器，和一个第一晶体管，第一晶体管包括一个第一栅极，一第一端子和一个第二端子。另外，该仪器还包括一个第二晶体管，该第二晶体管包括一个第二栅极，一个第三端子和一个第四端子。还有，该仪器还包括一个耦合于所述第一端子和第三端子的第一电阻，耦合于第二端子和第四端子的第二电阻。此外，该仪器还包括耦合于第一端子的第一电流源，耦合于第二端子的第二电流源，耦合于第三端子的第三电流源，和耦合于第四端子的第四电流源。另外，该仪器包括一个共模反馈装置。第一晶体管的栅极耦合至第一运算放大器，第二晶体管的栅极耦合至第二运算放大器，第二端子被配置用于输出一个第三信号，第四端子被配置用于输出一个第四信号。共模反馈装置被配置用于接收至少第三信号和第四信号，且该共模反馈装置被配置用于调整第二电流源和第四电流源。第四信号和第三信号之间的第一差基本上与第一信号和第二信号之间的第二差成正比。
根据本发明的再一实施例，一种用于产生差分信号的方法包括：接收一个第一信号和一个第二信号，产生一个第三信号和一个第四信号，所述第三信号基本等于所述第一信号，所述第四信号基本等于所述第二信号。另外，该方法还包括将第三信号和第四信号之间的第一电压差转换为一个第一电流，并产生一个第二电流。该第二电流在强度上基本与第一电流相等。此外，该方法还包括将第二电流转换为一个第二电压差，该第二电压差位于第五信号的第六信号之间。所述第一电压差与所述第二电压差成正比。
通过本发明，实现了许多优于传统技术的优点。本发明的一些实施例将电压信号转换成差分电流信号，然后将这些差分电流信号转换成差分电压信号。例如，采用了对称高带宽单增益(symmetrical high-bandwidth unity-gain)的缓冲器。本发明的某些实施例耗能降低。本发明的一些实施例为输入电压信号提供了高带宽。本发明的某些实施例未使用时钟信号因而也不有赖于采样频率。本发明的某些实施例易于整合到数字电路芯片上。本发明的某些实施例可向很多应用，例如差分闪模拟-数字转换器，提供差分电压信号。根据实施例，可以实现这些优点中的一个或多个。在本说明书特别是下文中，将详细描述这些以及其它优点。
参考随后的详细说明和附图，可以更全面地理解本发明的各种其它目的、特征和优点。
附图说明
图1是根据本发明实施例的用于产生差分信号的仪器的简图；
图2是根据本发明实施例的用于产生差分信号的简化方法。
具体实施方式
本发明一般地涉及集成电路。更具体地说，本发明提供了一种用于产生差分信号的仪器和方法。本发明仅仅是以示例的方式被应用于模-数转换器。但是应当认识到，本发明具有更广阔的应用范围。
图1是根据本发明实施例的用于产生差分信号的仪器的简图，该图仅仅为一个示例，不能用于限制本发明的权利范围。仪器100包括以下部件：
1.运算放大器110和112；
2.电流源120，122，124，和126；
3.电阻130和132；
4.晶体管140和142；
5.共模反馈装置150。
上述电子装置提供了根据本发明的一个实施例的仪器100的部件，在不偏离本申请的权利要求的范围的情况下，还可以提供其他可选的装置，其中加入了某些装置、去掉了一个或多个装置、或者以不同的连接配置一个或多个装置。
运算放大器110和112分别在其正极端子接收输入信号210和212。例如输入信号210和212为模拟信号。在另一个例子中，运算放大器110和112是同一个。如图1所示，运算放大器110的输出信号220由一个源跟随器230接收，运算放大器112的输出信号222由另一个源跟随器232接收。源跟随器230包括电流源120和晶体管140，而源跟随器232则包括电流源122和晶体管142。例如，晶体管140是一个NMOS晶体管，而晶体管142是另一个NMOS晶体管。在又一个实施例中，晶体管140和142是同一个。还一个实施例中电流源120和122是同一个。再一个实施例中，电流源120和122耦合至一个电压源VSS。还有一个实施例中源跟随器230和232是同一个。
根据一个实施例，运算放大器110和源跟随器230被配置成一个单增益跟随器，而运算放大器112和源跟随器232被配置成另一个单增益跟随器。结点240的电压跟随信号210，结点242的电压跟随信号212。例如，运算放大器110和112的每一个都有小的电容负载。在又一个实施例中，结点240的电压在一个高带宽内复制了信号210的电压值，而结点242的电压也在一个高带宽内复制了信号212的电压值。如图1所示，结点240的电压由运算放大器110接收，而结点242的电压由运算放大器112接收。
电阻130耦合于结点240和242之间，流过电阻130的电流IR1确定如下：
I R 1 = V A - V B R 1 (式1)
其中VA和VB分别代表结点240和242的电压值。根据本发明的一个实施例，如果VIP和VIN分别代表信号210和212的电压的话，VIP就等于VA而VIN就等于VB。电流IR1加载于源跟随器230和232上，结果形成结点250和252之间的另一个电流IR2。
结点250和252由电阻132连接并分别耦合于电流源126和124。电流IR2通过电阻132从结点252流至结点250。例如，电流源126和124是同一个。在另一个实施例中，电流源126和124耦合至电压源VDD。如图1所示，电流IR2等于电流IR1，那么结点250和252之间的电压差为：
V OP - V ON = R 2 R 1 × ( V A - V B ) (式2)
其中VOP和VON分别代表结点250和252的电压值。如上所述，根据本发明的一个实施例，VIP等于VA，而VIN等于VB。因此VOP和VON之差计算如下：
V OP - V ON = R 2 R 1 × ( V IP - V IN ) (式3)
例如，R1等于R2.所以VOP-VON＝VIP-VIN。
如图1所示，VOP和VON分别代表信号260和262的电压值，信号260和262为差分输出信号，该差分输出信号由共模反馈装置150决定。共模反馈装置150接收信号260和262，以及信号152。信号152被加偏压至电压Vm0。在一个实施例中，共模电压为VOP和VON的平均值。又一个实施例中，共模反馈装置150用于调节共模电压。例如，Vm0的电压值是预先确定的。还有一个例子，电压值Vm0被用做共模电压。另外，共模反馈装置150控制了电流源126和124。
在一个实施例中，共模反馈装置150接收信号260和262，并决定VOP和VON的电压平均值。该电压平均值与电压Vm0进行比较。如果该电压平均值不同于电压Vm0，则共模反馈装置调整电流源124和126并因此改变信号260和262，直至该电压平均值变成与Vm0的电压值相等。因此，VOP和VON由下式决定：
V OP = V m 0 + 1 2 ( V ip - V in ) (式4)
V ON = V m 0 - 1 2 ( V ip - V in ) (式5)
如式4和5所示，VOP和VON之和2倍于Vm0。
如上讨论和在此后进一步强调的，图1仅仅是一个示例，不应用于限制本发明的权利范围。本领域的普通技术人员将认识到很多变化、替代和修改。例如，仪器100可用于单端输入信号或用于差分输入信号。对于差分输入信号，输入信号被做为信号210和212接入。对于单端输入信号，输入信号被做为信号210和212之一接入。信号210和212的另一个被接到一个预先确定的电压值。例如，该预先确定的电压值是一个共模输入值。在另一个实施例中，该预先确定的电压值等于0伏特。
图2是根据本发明实施例的用于产生差分信号的简化方法。该图仅仅是一个示例，不应用于限制本发明的权利范围。方法300包括以下各步骤：
1.步骤310，复制输入信号；
2.步骤320，将电压差转换为电流；
3.步骤330，将电流转换为差分电压信号；
4.步骤340，确定共模电压值。
上述步骤序列提供了本发明一种实施例的方法。在不偏离本申请的权利要求的范围的情况下，还可以提供其他可选的方法，其中加入了某些方法、去掉了一个或多个方法、或者采用不同次序的一个或多个方法。例如步骤330和340可在同一时间内进行。本发明的进一步的细节可以在本说明书全文并且更具体地在下文中找到。
例如，根据本发明的一个实施例，方法300可由仪器100实现。在步骤310，信号210通过运算放大器110和源跟随器230被复制到结点240，而信号212通过运算放大器112和源跟随器232被复制到结点242。
在步骤320，结点240和242之间的电压差被转换成流过电阻130的电流IR1。在步骤330，电流IR1被复制成电流IR2。电流IR2流经电阻132，并将信号210和212之间的电压差转换成信号260和262之间的电压差。在步骤340，信号260和262的共模电压通过电流源124和126由共模反馈装置150确定。
如上讨论和在此后进一步要强调的，图2仅仅是一个示例，不应用于限制本发明的权利范围。本领域的普通技术人员将认识到很多变化、替代和修改。例如，方法300可用于单端输入信号或用于差分输入信号。对于差分输入信号，输入信号被做为信号210和212接入。对于单端输入信号，输入信号被做为信号210和212之一接入。信号210和212的另一个被接到一个输入共模值。例如，该输入共模值等于0伏特。
在另一个实施例中，产生差分信号的仪器包括一个用于接收第一信号的第一运算放大器，一个用于接收第二信号的第二运算放大器，和一个第一晶体管。第一晶体管包括一个第一栅极，一第一端子和一个第二端子。另外，该仪器还包括一个第二晶体管，该第二晶体管包括一个第二栅极，一个第三端子和一个第四端子。还有，该仪器还包括一个耦合于所述第一端子和第三端子的第一电阻，耦合于第二端子和第四端子的第二电阻。此外，该仪器还包括耦合于第一端子的第一电流源，耦合于第二端子的第二电流源，耦合于第三端子的第三电流源，和耦合于第四端子的第四电流源。第一晶体管的栅极耦合至第一运算放大器，第二晶体管的栅极耦合至第二运算放大器，第二端子被配置用于输出一个第三信号，第四端子被配置用于输出一个第四信号。第四信号和第三信号之间的第一差基本上与第一信号和第二信号之间的第二差成正比。例如，该仪器是根据仪器100实现的。
在又一个实施例中，一个用于产生差分信号的仪器包括一个用于接收第一信号的第一运算放大器，一个用于接收第二信号的第二运算放大器，和一个第一晶体管，第一晶体管包括一个第一栅极，一第一端子和一个第二端子。另外，该仪器还包括一个第二晶体管，该第二晶体管包括一个第二栅极，一个第三端子和一个第四端子。还有，该仪器还包括一个耦合于所述第一端子和第三端子的第一电阻，耦合于第二端子和第四端子的第二电阻。此外，该仪器还包括耦合于第一端子的第一电流源，耦合于第二端子的第二电流源，耦合于第三端子的第三电流源，和耦合于第四端子的第四电流源。另外，该仪器包括一个共模反馈装置。第一晶体管的栅极耦合至第一运算放大器，第二晶体管的栅极耦合至第二运算放大器，第二端子被配置用于输出一个第三信号，第四端子被配置用于输出一个第四信号。共模反馈装置被配置用于接收至少第三信号和第四信号，且该共模反馈装置被配置用于调整第二电流源和第四电流源。第四信号和第三信号之间的第一差基本上与第一信号和第二信号之间的第二差成正比。例如，该仪器是根据仪器100实现的。
根据本发明的再一实施例，一种用于产生差分信号的方法包括：接收一个第一信号和一个第二信号，产生一个第三和一个第四信号，所述第三信号基本等于所述第一信号，所述第四信号基本等于所述第二信号。另外，该方法还包括将第三信号和第四信号之间的第一电压差转换为一个第一电流，并产生一个第二电流。该第二电流在强度(magnitude)上基本与第一电流相等。此外，该方法还包括将第二电流转换为一个第二电压差，该第二电压差位于第五信号的第六信号之间。所述第一电压差与所述第二电压差成正比。例如，该方法是根据方法300实现的。
本发明有很多优点，一些实施例将电压信号转换成差分电流信号，然后再将差分电流信号转换成差分电压信号。例如，采用了对称高带宽单增益的缓冲器。本发明的某些实施例耗能降低。本发明的一些实施例为输入电压信号提供了高带宽。本发明的某些实施例没有采用时钟信号因而不依赖于采样频率。本发明的某些实施例。本发明的某些实施例易于整合到数字电路芯片上。本发明的某些实施例可向很多应用，例如差分闪模拟-数字转换器，提供差分电压信号。
还应当理解，这里所描述的示例和实施例只是为了说明的目的，本领域的普通技术人员可以根据上述实施例对本发明进行各种修改和变化。这些修改和变化都在本申请的精神和范围内，并且也在权利要求的范围内。

Claims (23)

1.一种用于产生差分信号的仪器，所述仪器包括：
一个第一运算放大器，用于接收一个第一信号；
一个第二运算放大器，用于接收一个第二信号；
一个第一晶体管，包括一个第一栅极，一个第一端子，和一个第二端子；
一个第二晶体管，包括一个第二栅极，一个第三端子，和一个第四端子；
一个第一电阻，耦合至所述第一端子和所述第三端子；
一个第二电阻，耦合至所述第二端子和所述第四端子；
一个第一电流源，耦合至所述第一端子；
一个第二电流源，耦合至所述第二端子；
一个第三电流源，耦合至所述第三端子；
一个第四电流源，耦合至所述第四端子，
其中：
所述第一晶体管的栅极耦合至所述第一运算放大器；
所述第二晶体管的栅极耦合至所述第二运算放大器；
所述第二端子被配置用于输出一个第三信号；
所述第四端子被配置用于输出一个第四信号；
所述第四信号和所述第三信号之间的一个第一差基本上与所述第一信号和所述第二信号之间的一个第二差成正比。
2.如权利要求1所述的仪器，其特征是：
所述第一信号响应一个输入信号；
所述第二信号响应另一个输入信号。
3.如权利要求1所述的仪器，其特征是：
所述第一信号响应一个输入信号；
所述第二信号偏压至一个预定的电压值。
4.如权利要求1所述的仪器，其特征是：
进一步包括一个共模反馈装置，该共模反馈装置被配置成用于接收至少所述第三信号和所述第四信号，并调整所述第二电流源和所述第四电流源。
5.如权利要求4所述的仪器，其特征是：
所述第三信号和所述第四信号之和基本等于一个共模电压的2倍。
6.如权利要求1所述的仪器，其特征是：
所述第一晶体管和所述第二晶体管是同一个。
7.如权利要求1所述的仪器，其特征是：
所述第一晶体管是一个NMOS晶体管，所述第二晶体管是另一个NMOS晶体管。
8.如权利要求1所述的仪器，其特征是：
所述第一电流源和所述第三电流源是同一个。
9.如权利要求1所述的仪器，其特征是：
所述第二电流源和所述第四电流源是同一个。
10.如权利要求1所述的仪器，其特征是：
所述第一运算放大器和所述第二运算放大器是同一个。
11.如权利要求1所述的仪器，其特征是：
所述第一电阻和所述第二电阻是同一个。
12.如权利要求11所述的仪器，其特征是：
所述第四信号和所述第三信号之间的所述第一差基本上与所述第一信号和所述第二信号之间的所述第二差相同。
13.如权利要求1所述的仪器，其特征是：
所述第一运算放大器从所述第一端子接收一个第五信号，所述第二运算放大器从所述第二端子接收一个第六信号。
14.如权利要求1所述的仪器，其特征是：
所述第一端子选自一个第一源极和一个第一漏极中的一个；而所述第二端子则选自所述第一源极和所述第一漏极中的另一个。
15.如权利要求1所述的仪器，其特征是：
所述第三端子选自一个第二源极和一个第二漏极中的一个，而所述第四端子则选自所述第二源极和所述第二漏极中的另一个。
16.一种用于产生差分信号的仪器，所述仪器包括：
一个第一运算放大器，用于接收一个第一信号；
一个第二运算放大器，用于接收一个第二信号；
一个第一晶体管，包括一个第一栅极，一个第一端子，和一个第二端子；
一个第二晶体管，包括一个第二栅极，一个第三端子，和一个第四端子；
一个第一电阻，耦合至所述第一端子和所述第三端子；
一个第二电阻，耦合至所述第二端子和所述第四端子；
一个第一电流源，耦合至所述第一端子；
一个第二电流源，耦合至所述第二端子；
一个第三电流源，耦合至所述第三端子；
一个第四电流源，耦合至所述第四端子；
一个共模反馈装置；
其中：
所述第一晶体管的栅极耦合至所述第一运算放大器；
所述第二晶体管的栅极耦合至所述第二运算放大器；
所述第二端子被配置用于输出一个第三信号；
所述第四端子被配置用于输出一个第四信号；
所述共模反馈装置被配置用于接收至少所述第三信号和所述第四信号；
所述共模反馈装置被配置用于调整所述第二电流源和所述第四电流源；
所述第四信号和所述第三信号之间的一个第一差基本上与所述第一信号和所述第二信号之间的一个第二差成正比。
17.如权利要求16所述的仪器，其特征是：
所述第一信号响应一个输入信号；
所述第二信号响应另一个输入信号。
18.如权利要求16所述的仪器，其特征是：
所述第一信号响应一个输入信号；
所述第二信号偏压至一个预定的电压值。
19.如权利要求16所述的仪器，其特征是：
所述第三信号和所述第四信号之和基本等于所述预定的电压值的2倍。
20.如权利要求16所述的仪器，其特征是：
所述共模反馈装置偏压至一个预定的电压值。
21.如权利要求16所述的仪器，其特征是：
所述第三信号和所述第四信号之和基本等于一个共模电压的2倍。
22.一种用于产生差分信号的方法，所述方法包括：
接收一个第一信号和一个第二信号；
产生一个第三信号和一个第四信号，所述第三信号基本等于所述第一信号，所述第四信号基本等于所述第二信号；
将所述第三信号和所述第四信号之间的一个第一电压差转换为一个第一电流；
产生一个第二电流，所述第二电流在强度上基本等于所述第一电流；
将所述第二电流转换成一个第二电压差，该第二电压差位于一个第五信号和一个第六信号之间；
其中所述第一电压差与所述第二电压差成正比。
23.如权利要求22所述的方法，进一步包括：
确定所述第五信号和所述第六信号的一个共模电压；
其中所述第五信号和所述第六信号之和基本等于所述共模电压。
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