DE60030105T2

DE60030105T2 - System und verfahren zum konvertieren von unsymmetrischen signalen zu differenzsignalen

Info

Publication number: DE60030105T2
Application number: DE60030105T
Authority: DE
Inventors: J. Stephen Felton FRANCK; Zabih Santa Cruz TOOSKY
Original assignee: Infineon Technologies North America Corp
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1999-04-21
Filing date: 2000-04-18
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2020-04-19
Also published as: US6720832B2; KR100737593B1; KR20020038572A; US20020163387A1; GB0008780D0; DE60030105D1; EP1171950B1; US20010017571A1; WO2000064046A1; CN1357171A; EP1171950A1; US6429747B2; JP2002542703A; GB2349529A; US6285259B1; CN1174547C

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Konversionsschaltung, die in einer Vorverstärkerschaltung benutzt werden kann. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Konversion unsymmetrischer Signale in Differenzsignale.
Allgemeiner Stand der Technik
Vorverstärkerschaltungen sind üblicherweise Verstärker mit geringem Rauschen, die in Plattenlaufwerke eingebaut sind, mit dem Zweck, Signale zu verstärken, die in dem Plattenlaufwerk benutzt werden. Indem es die Anforderungen des Vorverstärkers an ein geringes Rauschen erfüllt, kann ein unsymmetrisches Signal in Differenzsignale konvertiert werden, um nach Möglichkeit Nebensignaleffekte zu reduzieren oder zu eliminieren. Ein unsymmetrisches Signal ist üblicherweise ein Signal, das durch eine Spannung oder einen Strom definiert ist. Ein Differenzsignal ist üblicherweise ein Signal, das durch die Differenz zwischen zwei Strömen definiert ist. Ein Nebensignaleffekt ist die unerwünschte Übertragung von Signalen zwischen Systemkomponenten.
Jedes Rauschen an der Stromversorgung ist üblicherweise an dem unsymmetrischen Signal wahrnehmbar, da die Stromversorgung das unsymmetrische Signal ohne Kompensation beeinflußt. Allerdings ist Rauschen der Versorgung üblicherweise nicht an einem Signal wahrnehmbar, das durch Differenzsignale erzeugt wird, da das Rauschen von beiden Differenzsignalen reflektiert wird, und deshalb die resultierende Differenz der zwei Signale erhalten bleibt. Entsprechend reduziert das Konvertieren eines unsymmetrischen Signals in Differenzsignale üblicherweise Nebensignaleffekte.
In einer Vorverstärkerschaltung liegt für ein unsymmetrisches Signal üblicherweise eine gewisse Vorverstärkung vor (die oft als Verstärkung bezeichnet wird), bevor das unsymmetrische Signal in die Differenzsignale konvertiert wird. Diese unsymmetrische Verstärkung kann die Stromversorgung beeinflussen, was wiederum über die Versorgung das unsymmetrische Signal beeinflussen kann, so daß es zu Nebensignaleffekten kommt. Entsprechend beschränken diese Nebensignaleffekte üblicherweise die unsymmetrischen Signale, die durch den Wandler zum Konvertieren von unsymmetrischen Signalen in Differenzsignale geleitet werden können. Aufgrund von Nebensignaleffekten wird die Stromverstärkung des Vorverstärkers üblicherweise bei hohen Frequenzen unterbrochen, da es sein kann, daß die Impedanz zu hoch wird, um die Hochfrequenzsignale zu tragen.
Zusätzlich kann es auch aufgrund eines Stroms, der in die Masse fließt, und der allgemein als Massestrom bezeichnet wird, zu einigen Nebensignaleffekten kommen. Wenn der Strom in die Masse fließt, kann die Masse fluktuieren. Da Signale in bezug auf die Masse gemessen werden, kann eine Fluktuation der Masse eine Fluktuation des Signals verursachen, was zu Nebensignaleffekten führt.
EP-A 414 096 und US-Patentschrift 5,483,194 offenbaren beide Systeme, die ein unsymmetrisches Ursprungssignal in ein Differenzsignal konvertieren. Außerdem offenbart US-Patentschrift 5,132,559 eine Schaltung zum Abgleichen einer Eingangsoffsetspannung mit Hilfe variabler Widerstände.
Wünschenswert wäre ein Wandler zum Konvertieren eines unsymmetrischen Signals in Differenzsignale, der Neben signaleffekte verhindert. Es wäre außerdem wünschenswert, wenn der Wandler zum Konvertieren eines unsymmetrischen Signals in Differenzsignale Signale höherer Frequenz verarbeiten könnte. Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit diesem Bedarf.
Kurzdarstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Konversionsschaltung, die ein unsymmetrisches Signal in Differenzsignale konvertiert. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden Nebensignaleffekte vermieden, indem sichergestellt wird, daß keiner der Transistoren der Konversionsschaltung direkt mit Masse verbunden ist. Indem keiner der Transistoren direkt mit Masse verbunden ist, wird Massestrom vermieden, und Nebensignaleffekte im Zusammenhang mit Massestrom werden eliminiert.
Zusätzlich verstärkt die Konversionsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung außerdem das Signal mit einer Verstärkung, die größer als eins ist. Entsprechend kann das Verstärken, das üblicherweise durchgeführt wird, bevor das Signal der Konversionsschaltung zugeführt wird, nun in der Konversionsschaltung durchgeführt werden. Durch Verlagern des Verstärkens von der Durchführung vor der Konversionsschaltung auf eine Durchführung in der Konversionsschaltung können ebenfalls Nebensignaleffekte zwischen der Stromversorgung und dem unsymmetrischen Eingangssignal vermieden werden.
Ein System gemäß der vorliegenden Erfindung zum Konvertieren eines unsymmetrischen Signals in Differenzsignale ist das Thema von Anspruch 1. Das System zum Konvertieren eines unsymmetrischen Signals in Differenzsignale weist folgendes auf:
ein erstes Bauelement (214), das dafür konfiguriert ist, einen Eingangsstrom eines unsymmetrischen Signals in eine Spannung zu konvertieren,
ein an das erste Bauelement (214) angekoppeltes zweites Bauelement (208);
ein an das erste Bauelement (214) und an das zweite Bauelement (208) angekoppeltes drittes Bauelement (206); und
ein an das dritte Bauelement (206) angekoppeltes viertes Bauelement (306);
wobei keines des ersten, zweiten, dritten und vierten Bauelements (206, 214, 208, 306) direkt mit Masse (210) verbunden ist, wobei das zweite Bauelement (208) und das dritte Bauelement (206) ein Differenzpaar bilden, wobei das Differenzpaar dafür konfiguriert ist, die Spannung zu empfangen, die Spannung in einen Differenzstrom zu konvertieren, den Differenzstrom um eine Verstärkung von mehr als zwei in bezug auf den Eingangsstrom zu verstärken und den verstärkten Differenzstrom auszugeben und
dadurch gekennzeichnet, daß sich das vierte Bauelement (306) auf der entgegengesetzten Seite des Eingangs befindet und den Differenzausgangsstrom durch Kompensieren des Stroms des ersten Bauelements (214) ausgleicht.
Ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zum Konvertieren eines unsymmetrischen Signals in Differenzsignale ist das Thema von Anspruch 5. Das Verfahren zum Konvertieren eines unsymmetrischen Signals in ein Differenzsignal, mit den folgenden Schritten:
Konvertieren eines Eingangsstroms eines unsymmetrischen Signals in eine unsymmetrische Spannung (400);
Anlegen der konvertierten Spannung an einen Eingang und einer Vorspannung an den entgegengesetzten Eingang ei nes Differenzpaars (402), um einen Differenzausgangsstrom zu erzeugen;
Verstärken des Differenzausgangsstroms um eine Verstärkung von mehr als zwei in bezug auf den Eingangsstrom, wobei ungefähr kein Massestrom erzeugt wird (404), und
Ausgleichen des Differenzausgangsstroms durch Kompensieren des Eingangsstroms.
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen beansprucht.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 ist ein schematisches Diagramm einer konventionellen Konversionsschaltung zum Konvertieren eines unsymmetrischen Signals in Differenzsignale.
2 ist ein schematisches Diagramm einer Konversionsschaltung zum Konvertieren eines unsymmetrischen Signals in Differenzsignale.
3 ist ein schematisches Diagramm einer Konversionsschaltung zum Konvertieren eines unsymmetrischen Signals in Differenzsignale gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Konvertieren eines unsymmetrischen Signals in Differenzsignale.
Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die folgende Beschreibung dient dazu, es einem Durchschnittsfachmann zu ermöglichen, die Erfindung herzustellen und zu benutzen, und wird im Kontext einer Pa tentanmeldung und ihrer Anforderungen bereitgestellt. Verschiedene Modifikationen der bevorzugten Ausführungsformen sind für Fachleute offensichtlich, und die allgemeinen Prinzipien der Erfindung können auf andere Ausführungsformen angewandt werden. So soll die vorliegende Erfindung nicht auf die gezeigte Ausführungsform beschränkt sein, sondern soll dem weitmöglichsten Umfang entsprechen, der mit den hier dargelegten Grundgedanken und Merkmalen übereinstimmt.
1 ist ein schematisches Diagramm eines Beispiels einer konventionellen Konversionsschaltung zum Konvertieren eines unsymmetrischen Signals in Differenzsignale. Die gezeigte Konversionsschaltung 100 weist eine Stromversorgung 102, einen Spannungsmesser 104, eine Masse 110, und Transistoren 106 und 108 auf. Ein Beispiel für den Typ der Transistoren 106 und 108 ist ein verstärkter Metalloxid-Halbleiter des n-Typs (NMOS). Verstärkte NMOS-Transistoren weisen üblicherweise positive Schwellenspannungen auf.
Ein verstärkter unsymmetrischer Strom wird in die Konversionsschaltung 100 eingegeben. Der Eingangsstrom (Iin) trifft auf Impedanz von Transistor 106. Diese Impedanz konvertiert (Iin) in Spannung. Transistor 108 betrachtet diese Spannung als eine positive Spannung, und Transistor 106 empfängt diese Spannung als eine negative Spannung. Per Definition weist die Verstärkung des Stroms durch Transistor 106 eine Verstärkung von eins auf, und die Stromverstärkung von Transistor 108 stimmt mit der Stromverstärkung von Transistor 106 überein. Entsprechend ist die Stromverstärkung von Transistor 108 ebenfalls eins. Differenzsignale Iout P 112a und Iout N 112b weisen dieselbe Stärke auf. Entsprechend weist die Differenzschaltung 100 eine Stromverstärkung von zwei auf.
Da das unsymmetrische Signal üblicherweise verstärkt wird, bevor es in die Differenzschaltung 100 gelangt, können einige Nebensignaleffekte auftreten, die von der unsymmetrischen Verstärkung verursacht werden, und die die Stromversorgung beeinflussen. Die Auswirkung auf die Stromversorgung kann wiederum das unsymmetrische Signal beeinflussen. Diese Nebensignaleffekte unterbrechen möglicherweise die Stromverstärkung der Konversionsschaltung 100 bei hohen Frequenzen, wie z.B. bei einer Frequenz von etwa 160 MHz.
Aufgrund eines Massestroms, der von Transistor 108 an Masse 110 fließt, können auch bei der konventionellen Konversionsschaltung 100 Nebensignaleffekte auftreten. Während das Signal an Masse 110 geleitet wird, kann die Masse 110 fluktuieren. Da alle Signale in bezug auf Masse 110 gemessen werden, fluktuieren auch alle Signale, wodurch es zu Nebensignaleffekten kommt.
Wünschenswert wäre eine Konversionsschaltung zum Konvertieren eines unsymmetrischen Signals in Differenzsignale, die solche Nebensignaleffekte vermeidet. Es wäre außerdem wünschenswert, wenn die Konversionsschaltung zum Konvertieren eines unsymmetrischen Signals in Differenzsignale Signale bei höherer Frequenz verarbeiten würde. Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit diesem Bedarf.
2 ist ein schematisches Diagramm einer Konversionsschaltung zum Konvertieren eines unsymmetrischen Signals in Differenzsignale. 2 zeigt ein Beispiel einer Konversionsschaltung zum Konvertieren eines un symmetrischen Signals in Differenzsignale 200, die hier drei Transistoren 214, 208, 206, eine Spannungsquelle 204, eine Stromversorgung 202, und eine Masse 210 aufweist. Ein Beispiel für den Typ zu benutzender Transistoren 214, 208, 206 sind NMOS-Transistoren. Die Hauptfunktion der Transistoren 208 und 206 ist es, als ein Differenzpaar zu dienen. Den Transistoren 208 und 206 wird Spannung zugeführt, und die Spannung wird in Strom umgewandelt, um so zu einem Differenzstromausgang zu führen.
Ein Strom wird an die Konversionsschaltung 200 angelegt (Iin). Ein Beispiel für Iin ist etwa 0,5 Milliampere mit einem Signal von etwa 10 Mikroampere oder etwa 1 von Iin. Transistor 214 wandelt Iin in Spannung um. Ein Beispiel der von Transistor 214 konvertierten Spannung ist etwa 10 Millivolt am Eingang. Am Transistor 214 findet ein Spannungsabfall statt, so daß die Spannung an der gemeinsamen Transistorquelle 216a, 216b, und 216c ½ V beträgt, wobei V die Eingangsspannung ist. Beispielsweise kann ½ V an der gemeinsamen Transistorquelle 216a, 216b, und 216c 5 Millivolt betragen. Der Strom fließt durch Transistor 214, verstärkt den Strom an Transistor 208, und fließt durch Quelle 216c von Transistor 206, um an Iout P 212b abzufließen. Ein Beispiel für Iout P ist etwa zwei Milliampere Direktstrom (DC), mit etwa vierzig Mikroampere Signalstrom.
Um Iout N zu erzeugen, fließt Iin durch Transistor 214, verstärkt den Strom an Transistor 208, und wird als Iout N 212a aus der Schaltung abgeführt. Iout N und Iout P sind zueinander komplementär, weshalb entsprechend ein Beispiel für Iout N etwa zwei Milliampere DC, mit etwa vierzig Mikroampere Signalstrom ist. Ein Beispiel für den Strom an der Stromquelle 202 ist etwa fünf Milliampere. Es ist zu beachten, daß bei dieser Konversionsschaltung 200 kein Strom in die Masse 210 fließt, da kein Bauelement direkt mit Masse verbunden ist. Entsprechend gibt es keine Nebensignaleffekte von einem Massestrom.
Ein weiterer Vorteil dieser Konversionsschaltung 200 ist, daß eine signifikante Stromverstärkung erreicht werden kann. Beispielsweise kann eine Stromverstärkung von acht erreicht werden, indem das Verhältnis des Drainanschlußes 218b von Transistor 208 und des Drainanschlußes 218a von Transistor 214 auf ein Verhältnis von vier zu eins gesetzt wird, und das Verhältnis des Drainanschlußes 218c von Transistor 206 zu dem Drainanschluß 218a von Transistor 214 auf ein Verhältnis von vier zu eins. Wenn Drainanschluß 218b und Drainanschluß 218c viermal höher eingestellt werden als Drainanschluß 218a, tritt an Transistor 208 eine Stromverstärkung von vier I auf, und eine Stromverstärkung von vier I tritt an Transistor 206 auf, so daß eine Gesamtstromverstärkung von acht für das Differenzsignal bereitgestellt wird.
Entsprechend muss das unsymmetrische Signal nicht verstärkt werden, bevor es der Konversionsschaltung 200 zugeführt wird. Da das unsymmetrische Signal kein verstärktes Signal ist, gibt es keine Verstärkung vor der Konversionsschaltung 200, die Nebensignaleffekte mit der Stromquelle verursachen könnte. Zusätzlich ist die Konversionsschaltung 200 dazu in der Lage, Signale mit höheren Frequenzen zu verarbeiten, wie z.B. Frequenzen von bis zu etwa 200 MHz.
3 ist ein schematisches Diagramm eines Beispiels der Konversionsschaltung 200 zum Konvertieren eines un symmetrischen Signals in Differenzsignale, die in eine größere Konversionsschaltung integriert ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Eingangsspannung, wie z.B. 2 Volt, wird einer Konversionsschaltung 300 zugeführt. Ein Transistor 302 konvertiert die Spannung in Strom. Transistor 304 leitet den Wechselstrom (AC), und Transistor 303 gleicht die Direktstrom-(DC)-Komponente aus. Ein Beispiel für den Stromausgang von Transistor 302 ist etwa 1000 Mikroampere DC und 10 Mikroampere AC.
Der Strom fließt durch Transistor 304, der Transistor 214 vor Kapazität schützt. Transistor 304 dient als ein Kaskode-Bauelement, das Transistor 214 dazu veranlaßt, eine sehr niedrige Impedanz und eine niedrige Verstärkung zu sehen. Kaskode-Bauelemente können übliche Gate-Transistoren sein, die Strom mit einer Spannungsverstärkung von der Quelle zum Drainanschluß leiten. Die Kaskode-Bauelemente können eine niedrige Verstärkung und eine niedrige Kapazität an den Drainanschlüssen der Transistoren, wie z.B. an Transistor 214, bereitstellen und die Drainanschlüsse der Transistoren vor einer Ausgangsspannung schützen. Details der Arbeitsweise von Kaskode-Bauelementen sind im Stand der Technik gut bekannt. Sobald der Strom der Schaltung 200 zugeführt wird, erfolgen die Abläufe, die im Zusammenhang mit 2 beschrieben wurden.
Wie zuvor beschrieben, wird der Konversionsschaltung 200 ein Strom (Iin) zugeführt. Transistor 214 konvertiert Iin zu Spannung. An Transistor 214 erfolgt ein Spannungsabfall, derart, daß die Spannung an der gemeinsamen Transistorquelle 216a, 216b, und 216c ½ V beträgt, wobei V die Eingangsspannung ist. Der Strom fließt durch Transistor 214, verstärkt den Strom an Transistor 208, und fließt durch Quelle 216c von Transistor 206, um an Iout P 212b abzufließen. Um Iout N zu erzeugen, fließt Iin durch Transistor 214, verstärkt den Strom an Transistor 208, und wird als Iout N 212a aus der Schaltung geleitet.
Ein Transistor 306 kann an Schaltung 200 gekoppelt sein, um Transistor 214 auszugleichen. Die Stromverstärkung an Transistor 306 ist das Negativ der Stromverstärkung von Transistor 214. Wenn beispielsweise Transistor 214 eine Stromverstärkung von 1 aufweist, weist Transistor 306 eine Stromverstärkung von –1 auf. Wenn eine Schaltung ausgeglichen ist, ist der Strom an den Transistoren 208 und 206 gleich, und der Eingangsstrom operiert mit demselben gemittelten Strom wie die Stromquelle 202.
Transistoren 308 bis 312 können ebenfalls an Schaltung 200 gekoppelt sein, um jeweils die Ausgangsspannung für die Transistoren 208, 206, bzw. 214 vor Kapazität zu schützen, indem sie als Kaskode-Bauelemente dienen, die die Transistoren 208, 206, und 214 dazu veranlassen, eine sehr niedrige Impedanz und eine niedrige Verstärkung zu sehen. Zusätzlich können die Transistoren 308 bis 310 als Multiplex-Switches benutzt werden, um den Ausgang per Tristate in einen Aus-Zustand zu versetzen. Die Benutzung eines solchen Kaskode-Bauelements als Tristate-Bauelement ist ebenfalls im Stand der Technik gut bekannt.
4 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Konvertieren eines unsymmetrischen Signals in Differenzsignale. Ein Anfangsstrom wird in eine Spannung konvertiert (Schritt 400). Die konvertierte Spannung wird einem Eingang zugeführt, und eine Vorspannung einem entgegengesetzten Eingang eines Differenzpaares, um Differentialströme zu erzeugen (Schritt 402). Der Anfangsstrom wird außerdem mit einer Verstärkung von mehr als zwei verstärkt, wobei in etwa kein Massestrom erzeugt wird (Schritt 404). Ferner werden die Differentialströme durch Kompensieren des Eingangsstroms ausgeglichen.

Claims

System, das ein unsymmetrisches Signal in ein Differenzsignal konvertiert, umfassend: ein erstes Bauelement (214), das dafür konfiguriert ist, einen Eingangsstrom eines unsymmetrischen Signals in eine Spannung zu konvertieren, ein an das erste Bauelement (214) angekoppeltes zweites Bauelement (208); ein an das erste Bauelement (214) und an das zweite Bauelement (208) angekoppeltes drittes Bauelement (206); und ein an das dritte Bauelement (206) angekoppeltes viertes Bauelement (306); wobei keines des ersten, zweiten, dritten und vierten Bauelements (206, 214, 208, 306) direkt mit Masse (210) verbunden ist, wobei das zweite Bauelement (208) und das dritte Bauelement (206) ein Differenzpaar bilden, wobei das Differenzpaar dafür konfiguriert ist, die Spannung zu empfangen, die Spannung in einen Differenzstrom zu konvertieren, den Differenzstrom um eine Verstärkung von mehr als zwei in bezug auf den Eingangsstrom zu verstärken und den verstärkten Differenzstrom auszugeben und dadurch gekennzeichnet, daß sich das vierte Bauelement (306) auf der entgegengesetzten Seite des Eingangs befindet und den Differenzausgangsstrom durch Kompensieren des Stroms des ersten Bauelements (214) ausgleicht.
System nach Anspruch 1, wobei sich das erste, das zweite, das dritte und das vierte Bauelement (214, 208, 206, 306) eine gemeinsame Quelle (202) teilen.
System nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, ferner mit einem mit dem zweiten Bauelement (208) gekoppelten fünften Bauelement (308), wobei das fünfte Bauelement als Kaskode-Bauelement wirkt, um eine niedrige Verstärkung und eine niedrige Kapazität an einem Drainanschluß des zweiten Bauelements (208) bereitzustellen.
System nach Anspruch 3, wobei das fünfte Bauelement (308) als Tristate-Bauelement wirkt, um einen Ausgang des Systems per Tristate in einen Aus-Zustand zu versetzen.
Verfahren zum Konvertieren eines unsymmetrischen Signals in ein Differenzsignal, mit den folgenden Schritten: Konvertieren eines Eingangsstroms eines unsymmetrischen Signals in eine unsymmetrische Spannung (400); Anlegen der konvertierten Spannung an einen Eingang und einer Vorspannung an den entgegengesetzten Eingang eines Differenzpaars (402), um einen Differenzausgangsstrom zu erzeugen; Verstärken des Differenzausgangsstroms um eine Verstärkung von mehr als zwei in bezug auf den Eingangsstrom, wobei ungefähr kein Massestrom erzeugt wird (404), und Ausgleichen des Differenzausgangsstroms durch Kompensieren des Eingangsstroms.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem ferner dem Differenzpaar ein Strom aus einer gemeinsamen Quelle (202) zugeführt wird.