DE69014481T2

DE69014481T2 - Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischen analogen unsymmetrischen Signalen in vollständig differentielle Signale.

Info

Publication number: DE69014481T2
Application number: DE69014481T
Authority: DE
Inventors: Pierangelo Confalonieri; Germano Nicollini
Original assignee: SGS Thomson Microelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1989-08-25
Filing date: 1990-07-26
Publication date: 1995-07-13
Anticipated expiration: 2010-07-27
Also published as: EP0415080A3; EP0415080A2; JP2954299B2; IT1231388B; JPH0389712A; US5070305A; DE69014481D1; IT8921553A0; EP0415080B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischen, analogen, unsymmetrischen Signalen in vollständig differentielle Signale zur Verwendung in analogen Signalverarbeitungsschaltungen.
Vollständig differentielle Signale sind bei der Verarbeitung analoger Signale wegen verschiedener Vorteile bevorzugt worden, wozu vor allem die Unempfindlichkeit gegenüber dem Stromversorgungsrauschen und/oder Leitungsrauschen, Digitalsignalrauschen usw. gehören. Diese Unempfindlichkeit beruht auf der Tatsache, daß das Rauschen ausschließlich im Gleichtakt umgewandelt wird und demzufolge im differentiellen Signal nicht wahrnehmbar ist.
In vielen Fällen ist das Eingangssignal jedoch unabgeglichen oder asymmetrisch, und es ist daher notwendig, es zuerst in ein vollständig differentielles (oder symmetrisches) Signal umzuwandeln. Jedoch sind die bisher für diesen Zweck verwendeten Umwandler, wie nachfolgend mit mehr Einzelheiten beschrieben werden wird, störanfallig gegenüber dem Rauschen der Stromversorgung oder der Schaltungsmasse, die oft nicht mit der Signalmasse übereinstimmt. Andere Arten von Rauschen, gegenüber denen diese Umwandler störanfallig sind, sind auch Digitalsignale oder andere Arten von Signalen, die bei hohen Frequenzen kapazitiv eingekoppelt werden. In jedem Fall werden so von Anfang an Veränderungen des Signals eingeschleppt, und wenn diese Veränderungen einmal überlagert sind, können sie nicht mehr beseitigt werden, selbst wenn die nachfolgende Struktur symmetrisch ist.
Ziel der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Umwandlung analoger, unsymmetrischer Signale in vollständig differentielle Signale zu schaffen, die nicht durch das oben beschriebene Rauschen beeinflußt wird.
Die Erfindung erreicht dieses Ziel, erfüllt weitere Aufgaben und bietet Vorteile, wie aus der folgenden Beschreibung deutliche werden wird, durch eine Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischen, analogen, unsymmetrischen Signalen in vollständig differentielle symmetrische Signale, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß sie einen vollständig differentiellen Operationsverstärker mit einem ersten Eingang und einem zweiten Eingang und entsprechend einem ersten Ausgang und einem zweiten Ausgang aufweist, wobei jeder der Ausgänge über eine erste Impedanz und eine zweite Impedanz von identischem Wert zum entsprechenden Eingang rückgekoppelt und der erste Ausgang über eine dritte Impedanz mit dem zweiten Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist, während eine vierte Impedanz, deren Wert gleich der dritten Impedanz ist, in Reihe zum ersten Eingang geschaltet ist.
Die Erfindung wird nun mehr im Detail unter Bezugnahine auf einige bevorzugte Ausführungsformen beschrieben, die als nicht einschränkende Beispiele angegeben und in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Darin zeigen:
Figur 1 ein Schaltbild eines Umwandlers von unsymmetrisch zu symmetrisch nach dem Stand der Technik;
Figur 2 ein Schaltbild eines anderen Umwandlers von unsymmetrsich zu symmetrisch nach dem Stand der Technik:
Figur 3 ein Schaltbild eines Umwandlers von unsymmetrisch zu symmetrisch entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung; und
Figur 4 ein Schaltbild eines Umwandlers von unsymmetrisch zu symmetrsich entsprechend einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Unter Bezugnahme auf Figur 1 weist eine Vorrichtung zur Umwandlung analoger, unabgeglichener Signale in abgeglichene Signale (von asymmetrisch in differentiell), wie sie typischerweise im Stand der Technik verwendet wird (siehe die Dokumente DE-A-26 13 652 sowie "Journal of the Audio Engineering Society", Bd. 32, Nr. 6, Juni 1984, Seiten 415 - 421; S. Takahashi et al: "Fully balanced bridge amplifier"), einen herkömmlichen unsymmetrsichen Operationsverstärker 10 auf, welcher mit symmetrischen Spannungen VDD und VSS gespeist wird und einen invertierenden Eingang 12, einen nicht invertierenden Eingang 14 und einen Ausgang 16 aufweist. Der nicht invertierende Eingang 14 ist geerdet, während das Analogsignal Vin (welches asymmetrisch ist) über einen Widerstand 15 mit dem Wert R&sub1; an den invertierenden Eingang 12 angelegt wird. Ein zweiter Widerstand 17 mit dem Wert R&sub2;, der im allgemeinen gleich R&sub1; ist, ist in negativer Rückkopplung zwischen dem Ausgangsanschluß 16 des Verstärkers 10 und seinem invertierenden Eingang 12 angeschlossen. Das Signal Vin wird ferner direkt dem Ausgangsanschluß 18 des Umwandlers zugeführt. Das Ergebnis ist, daß
Vout + = Vin ist,
und der Fachmann erhält einfach:
Vout- = -Vin
unter der Annahme, daß der Operationsverstärker ein idealer ist und demzufolge eine unendliche Verstärkung hat.
Während Vout+ störfrei ist, wird Vout- durch das Leitungsrauschen des Operationsverstärkers 10, das den Ausgang multipliziert mit 1 + R&sub2;/R&sub1; erreicht, und durch das Rauschen der Stromversorgungen VDD und VSS verschlechtert. Diese Masse ist tatsächlich schaltungsintern und daher, anders als eine äußere Masse, verschlechtert, wie es durch die Verwendung unterschiedlicher Symbole in den Zeichnungen betont wird.
Der Umwandler von Figur 2, der gleichfalls bekannt ist, besteht aus zwei in Kaskade angeordneten Schaltungen nach Figur 1, und es ist für den Fachmann offensichtlich, daß er ähnliche Nachteile aufweist.
Figur 3 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Umwandiers von unsymmetrisch zu symmetrisch, worin ein vollständig differentieller Operationsverstärker 20, der von Spannungen VDD und VSS gespeist wfrd, einen ersten Eingang 22 und einen zweiten Eingang 24 mit entsprechenden Ausgängen 26 und 28 aufweist. Das unsymmetrische Eingangssignal Vin wird über einen Widerstand 30 mit einem Wert R&sub1; an den ersten Eingang 22 angelegt, und der Ausgangsanschluß 26 ist über einen Widerstand 32 mit einem identischen Wert an den zweiten Eingang 24 angeschlossen. Jeder der Ausgänge 26 und 28 ist über entsprechende Widerstände 34 und 36 mit einem identischen Wert R&sub2; auf den jeweiligen Eingang 22 bzw. 24 zurückgekoppelt. Die Signale Vout+ und Vout- erscheinen an den Ausgängen und haben, entsprechend der Theorie der vollständig differentiellen Verstärker, identische Absolutwerte sowie entgegengesetzte Vorzeichen. Durch Aufschreiben der Stromgleichgewichtsgleichungen für die Eingangsknoten des Verstärkers 20 wird die folgende Gleichung für die vollständige Übertragungsfunktion der Schaltung erhalten (unter Annahme eines idealen Operationsverstärkers, d.h. eines Verstärkers mit unendlicher Verstärkung und ohne Null- oder Polstellen in seiner Übertragungsfunktion):
Vout/Vin = -2R&sub2;/(2R&sub1; - R&sub2;).
Da die Übertragungsfunktion der Schaltung in jedem Fall Polstellen in endlichen Positionen der komplexen Ebene aufweist, müssen die Werte von R&sub1; und R&sub2; so gewählt werden, daß keine Polstelle in der Halbebene gelegen ist, in der eine positive Rückkopplung größer als die negative Rückkopplung ist. Es kann gezeigt werden, daß diese Bedingung nur erfüllt ist, wenn
R&sub1; > R&sub2;/2 ist.
Wenn dann R&sub1; = 1,5 R&sub2; gewählt wird, erhält man:
Vout/Vin = -1.
Bei der beschriebenen Schaltung wird aufgrund des symmetrischen Operationsverstärkers jedes Stromversorgungs- und Leitungsrauschen und auch jedes Digitalrauschen wegen der Symmetrie des Verstärkers nur im Gleichtaltt an die Ausgänge gekoppelt, und dalier tritt dieses Rauschen nicht differentiell in Erscheinung.
Wenn die Analogverarbeitung nicht kontinuierlich ist, sondern die Technik mit geschalteten Kondensatoren benutzt, kann die Erfindung, wie in Figur 4 dargestellt ist, unter Anwendung dieser Technik vorgesehen werden. Hier sind die Widerstände 30 und 32 durch geschaltete Kondensatoren 130 und 132 und die Widerstände 34 und 36 durch geschaltete Kondensatoren 134 und 136 ersetzt, zu denen entsprechend feste Kondensatoren 135 und 137 parallel geschaltet sind. Die festen Kondensatoren haben den Zweck, den Operationsverstärker nicht in einer offenen Schleife zu belassen, wenn die Kondensatoren 134 und l36 zur Masse entladen werden.
Wenn die Kondensatoren 130, 132, 134 und 136 mit einer Frequenz fs geschaltet werden, ist dem Fachmann bekannt, daß sie äquivalent zu Widerständen mit einem Wert R = 1/fsC sind, wobei C die Kapazität des Kondensators ist.
Die Einfügung der festen Kondensatoren 135 und 137 erzeugt eine Polstelle in der Übertragungsfunktion, aber die Kondensatoren können so dimensioniert werden, daß die Polstelle außerhalb des nutzbaren Frequenzbereiches des Eingangssignals liegt.
In den Ansprüchen wird der Ausdruck "Impedanz" verwendet, um auch auf den äquivalenten Widerstand eines geschalteten Kondensators Bezug zu nehmen.
Es wurden einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, aber es versteht sich, daß sich der Fachmann andere Abwandlungen oder Varianten ausdenken kann, die innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung liegen.
Wo in irgendeinem Anspruch auf technische Merkmale Bezugszeichen folgen, so wurden diese Bezugszeichen einzig und allein zur besseren Verständlichkeit der Ansprüche eingefügt, und demzufolge haben solche Bezugszeichen keinerlei einschränkende Wirkung auf den Schutzumfang eines jeden in dieser Weise durch Bezugszeichen identifizierten Elements.

Claims

1. Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischen, analogen, unsymmetrischen Signalen in vollständig differentielle symmetrische Signale, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen vollständig differentiellen Operationsverstärker (20) mit einem ersten Eingang (22) und einem zweiten Eingang (24) und entsprechend einem ersten Ausgang (26) und einem zweiten Ausgang (28) aufweist, wobei jeder der Ausgänge über eine erste Impedanz (34) und eine zweite Impedanz (36) von identischem Wert zum entsprechenden Eingang rückgekoppelt und der erste Ausgang über eine dritte Impedanz (32) mit dem zweiten Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist, während eine vierte Impedanz (30), deren Wert gleich dem der dritten Impedanz ist, in Reihe zum ersten Eingang geschaltet ist.

2. Umwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzen im wesentlichen ohmsche Widerstände sind.

3. Umwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert (R1) der dritten und vierten Impedanz größer als die Hälfte des Widerstandswertes der ersten und zweiten Impedanz (R2) ist.

4. Umwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert (R1) der dritten und vierten Impedanz gleich dem 1,5-fachen Widerstandswert der ersten und zweiten Impedanz (R2) ist.

5. Umwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Impedanz durch je einen geschalteten Kondensator gebildet werden, der parallel zu einem fest angeschlossenen Kondensator angeordnet ist, und daß die dritte und vierte Impedanz durch je einen geschalteten Kondensator gebildet sind.

6. Umwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die äquivalente ohmsche Widerstandskomponente der dritten und vierten Impedanz einen Wert hat, der größer als die Hälfte des Werts der äquivalenten ohmschen Widerstandskomponente der ersten und zweiten Impedanz ist.