KR20020068968A - FM Stereo Signal Generator Design Method by Fully Differential Difference Amplifier - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method for designing an FM stereo signal generator using a fully differential difference amplifier is provided to improve immunity from noise in a process for generating a stereo signal by converting left and right audio signals to fully differential signals. CONSTITUTION: A folded-cascode type amplifier is used in a fully differential difference amplifier. Four inputs are formed by two differential input terminals. Negative inputs of each terminal are crossed each other. A capacitor is used for interrupting direct current element of an input signal. A single input signal is changed to a differential signal by the fully differential difference amplifier. Signals of L+, L-, R+, and R- are used as inputs of the fully differential difference amplifier having a voltage gain of 0dB. A sum signal and a difference signal are obtained by combination of L+ and R- signals and L+ and R+ signals, respectively.

Description

완전차동 오차증폭기를 이용한 에프엠 스테레오 신호 생성기 설계방법{FM Stereo Signal Generator Design Method by Fully Differential Difference Amplifier}FM Stereo Signal Generator Design Method by Fully Differential Difference Amplifier

본 발명은 FM 트랜스미터용 칩구현에 사용하는 스테레오 신호 생성기에 관한 것으로 완전차동 오차증폭기를 사용하여 잡음에 대한 면역을 높이고 합의 신호와 차의 신호를 간단하게 구현하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a stereo signal generator for use in the implementation of a chip for an FM transmitter, and a method for increasing the immunity to noise by using a fully differential error amplifier and to simply implement the difference signal and the difference signal.

사람이 두개의 귀를 사용하기 때문에 소리를 입체감 있게 느낄 수 있다는 것을 모방하여 FM 스테레오 신호생성은 두개의 마이크로폰에 의해 각기 수집된 신호(Left and Right signal)를 수신기(Receiver)에서 서로 분리가 가능하도록 전송함으로써 두 개의 스피커를 통해 더욱 자연음에 가깝도록 복원하기 위한 방법이다. 스테레오 신호를 생성하기 위한 일반적인 송신기의 구성도를 도1에 나타내었다. 두개의 오디오 입력신호는 스테레오 신호 생성을 위해 차의 신호인 Lift-Right 신호와 합의 신호인 Lift+Right 두 신호를 만들어 낸다. 이와 같이 Left와 Right를 직접 전송하는 대신 두신호의 합과 차의 신호를 만드는 이유는 단청 음향 수신기로도 Left+Right의 신호를 청취하기 위함이다. 즉 만일 Left와 Right를 따로 직접 전송하게 되면 단청음향 수신기는 Left 또는 Right 중 하나의 신호만 청취되기 때문이다. 도1에서 합과 차의 신호는 모두 최대 15KHz 까지의 기저대역을 허용하며, 두 신호가 주파수상에서 섞이는 것을 방지하기 위해 전송전에 도2와 같은 스펙트럼 구성을 갖도록 일차 변조시킨다.By simulating that a person can feel sound in three dimensions because they use two ears, FM stereo signal generation allows the left and right signals to be separated from each other at the receiver. By transmitting, it is possible to restore more natural sound through two speakers. 1 is a block diagram of a general transmitter for generating a stereo signal. The two audio inputs produce two signals, Lift-Right, which is the car's signal, and Lift + Right, which is the sum of the signals, to generate stereo signals. The reason for making the sum and difference of the two signals instead of transmitting the left and right is to listen to the signal of Left + Right even with the mono acoustic receiver. That is, if left and right are transmitted directly, the mono acoustic receiver can listen to only one of left or right signals. Both sum and difference signals in FIG. 1 allow basebands up to 15KHz, and are first modulated to have a spectral configuration as shown in FIG. 2 before transmission to prevent the two signals from mixing on frequency.

합의 신호는 본래의 기저대역에 그대로 머물게 하고 차의 신호는 38KHz를 중심으로 23KHz~53KHz에 걸친 스펙트럼을 가지도록 함으로써 합의신호와 겹치지 않도록 분리시킨다. 19KHz는 수신측에서 수신된 신호가 스테레오 신호임을 가리키는 지시반송파이며 이 주파수를 2체배시켜 38KHz와 주파수 및 위상이 동기된 국부발진주파수를 간단히 재생시킬 수 있다.The consensus signal stays in the original baseband and the car signal is separated from the consensus signal by having a spectrum of 23 KHz to 53 KHz around 38 KHz. 19KHz is an indication carrier indicating that the signal received at the receiver is a stereo signal, and this frequency can be doubled to reproduce the local oscillation frequency synchronized with 38KHz in frequency and phase.

도1에서 단일 입력으로 들어오는 두 오디오 신호는 칩 구현 시 잡음에 쉽게 왜곡을 일으킬 수 있다. 따라서 이를 차동 신호로 변환하여 구현하는데 기존의 일반적인 단일입력 차동출력 변환방법은 완전차동 증폭기(Fully Differential Amplifier)를 사용하며 이는 도3과 같다. 그러나 도3과 같은 구조는 일반적인 CMOS 차동 증폭기를 사용하는 경우, 두 출력단 Vout-와 Vout+에서 보이는 신호의 궤환 루프가 서로 다르다. 따라서 두 출력단의 공통모드 전압 (Common-mode Voltage)이 서로 어긋나며 이때문에 완전히 대칭적인 차동 신호를 얻기가 어렵다. 완전차동 오차 증폭기는 이러한 문제가 제거된다. 완전차동 오차 증폭기는 도4와 같이 표현된다. 도4의 완전차동 오차 증폭기는 네개의 입력과 두개의 출력을 가지며 입력은 두개의 차동 입력단으로 구성된다. 출력은 Vout+ - Vout- = A[(Vin1+ -Vin1-) - (Vin2+ - Vin2-)]과 같이 되며 A는 어느 차동 입력단에서 출력까지의 전압이득을 나타낸다. 따라서 출력은 각 입력단의 차이의 차가 출력에 나타남으로 각 입력단 공통전압의 차 (Vin1+ + Vin1-)/2 와 (Vin2+ + Vin2-)/2 이 서로 상쇄됨으로 이상적인 경우 공통전압 오차가 출력에 영향을 주지 않는다.In FIG. 1, two audio signals coming into a single input can easily cause distortion in noise in chip implementation. Therefore, the conventional single-input differential output conversion method uses a fully differential amplifier (Fully Differential Amplifier) as shown in FIG. However, the structure shown in Fig. 3 is different from the feedback loop of the signal seen at the two output terminals Vout- and Vout + when using a general CMOS differential amplifier. Therefore, the common-mode voltages of the two output stages are shifted from each other, which makes it difficult to obtain a completely symmetrical differential signal. Fully differential error amplifiers eliminate this problem. The fully differential error amplifier is represented as shown in FIG. The fully differential error amplifier of Fig. 4 has four inputs and two outputs, and the input consists of two differential input stages. The output looks like Vout +-Vout- = A [(Vin1 + -Vin1-)-(Vin2 +-Vin2-)], where A represents the voltage gain from any differential input to the output. Therefore, in the output, the difference of each input stage is shown in the output, and the difference of common voltage of each input stage (Vin1 + + Vin1-) / 2 and (Vin2 + + Vin2-) / 2 cancel each other out, so the common voltage error affects the output in the ideal case. Do not give.

완전차동 오차증폭기를 사용하여 단일입력을 완전차동 출력으로 변환하는 방법을 도5에 나타내었다. 두 출력 Vout+와 Vout- 모두 궤환 루프가 서로 대칭적이고 입출력단의 공통모드가 각각 일정하게 유지되며 공통모드의 오차가 발생하더라도 서로 상쇄되기 때문에 도6과 같은 대칭적인 차동 출력신호를 얻을 수 있다.A method of converting a single input into a fully differential output using a fully differential error amplifier is shown in FIG. In both outputs Vout + and Vout-, the feedback loops are symmetrical to each other, the common mode of the input / output stages are kept constant, and even if errors occur in the common mode, they cancel each other, thereby obtaining a symmetrical differential output signal as shown in FIG.

도5에 의해 차동신호로 변환된 R+, R- 와 L+, L-신호는 이후 L+와 R+,L+와R-를 각각 입력으로 하여 0dB의 전압이득(unity gain)을 갖는 또 다른 완전차동 오차증폭기(도7)를 사용함으로써 합의 신호와 차의 신호를 얻을 수 있다. 차의 신호 Left- Right = (L+) - (R-) 처럼 차동신호로 변환된 각 오디오 입력신호의 조합으로 간단히 얻을 수 있다.The R +, R-, L +, and L- signals, which are converted into differential signals by FIG. 5, are then input to L +, R +, L +, and R-, respectively, with another full differential error amplifier having a unity gain of 0 dB. By using Fig. 7, a signal of the sum and the difference can be obtained. This can be achieved simply by combining each audio input signal converted into a differential signal, such as the car's signal Left- Right = (L +)-(R-).

본 발명은 FM 스테레오 신호 생성기를 반도체 칩으로 구현할 때 단일 입력의 두 오디오 신호(Left and Right Audio Signal)를 완전 차동신호로 변환하여 스테레오 신호생성 시 잡음에 대한 면역을 향상 시켰으며 스테레오 신호 생성에 필요한 차의 신호와 합의 신호를 쉽게 구할 수 있는 완전차동 오차 증폭기를 제공함을 목적으로 하고 있다.The present invention improves immunity to noise when generating stereo signals by converting two audio signals (Left and Right Audio Signal) of a single input into a fully differential signal when implementing the FM stereo signal generator as a semiconductor chip. The aim is to provide a fully differential error amplifier that can easily obtain the difference signal and the sum signal.

도1은 스테레오 신호생성을 위한 송신기의 구성도1 is a block diagram of a transmitter for stereo signal generation

도2는 스테레오 신호의 기저대역 스펙트럼의 구성도2 is a block diagram of a baseband spectrum of a stereo signal

도3은 완전차동 증폭기를 사용한 단일입력차동 출력 변환기Figure 3 shows a single input differential output transducer using a fully differential amplifier.

도4는 완전차동 오차증폭기(Fully Differential Difference Amplifier, FDDA)Figure 4 shows a Fully Differential Difference Amplifier (FDDA).

도5는 완전차동 오차 증폭기를 사용한 단일입력 차동출력 변환 방법Figure 5 is a single input differential output conversion method using a fully differential error amplifier

도6은 단일 입력 차동출력 모의실험 결과Figure 6 shows the simulation results of single input differential output

도7은 0dB의 전압이득을 갖는 완전차동 오차 증폭기Figure 7 shows a fully differential error amplifier with a voltage gain of 0 dB.

도8은 완전차동 오차증폭기를 구현한 회로도8 is a circuit diagram of a fully differential error amplifier.

도9는 고안한 FM 스테레오 신호 생성기Figure 9 is a design of the FM stereo signal generator

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

본 발명은 상기목적을 달성하기 위해서 완전차동 오차증폭기를 사용한 FM스테레오 신호발생기 회로를 고안하였다. 실제 구현한 완전차동 오차 증폭기의 회로는 도8 과 같고 공통모드 궤환회로는 생략하였다. Folded-cascode 형태의 증폭기를 사용하였고 네 개의 입력이 각각 두 개의 차동 입력단으로 구성되어 있다. 각 단의 부의 입력(Vin1-, Vin2-)은 서로 교차하여 출력에 물리게 된다. 고안된 FM 스테레오 신호 발생기는 도9와 같다. 캐패시터는 입력신호의 직류 성분을 차단하며 칩외부에 놓인다. 칩내에서는 자체 바이어스 전압으로 입력신호를 받게 되며 단일입력으로 들어온 신호는 바로 완전차동 오차 증폭기에 의해 차동 신호로 변환된다. 지시반송파인 19KHz 신호도 차동신호로 변환하였다. 차동신호로 변환된 L+, L-,R+,R-신호는 0dB의 전압이득을 갖는 완전차동 오차 증폭기의 입력이 된다. 합과 차의 신호는 각각 L+, R-신호와 L+,R+신호의 입력 조합으로 간단하게 얻을 수 있다. 차의 신호는 각각 L+, R-신호와 L+, R+신호의 입력 조합으로 간단하게 얻을 수가 있다. 차의 신호는 38KHz주파수 대역으로 변환되어 합의 신호와 분리된다. 지연(delay)단은 합의 신호 19KHz의 신호와 차의 신호의 위상을 맞춰 주기 위한 회로이다. ±(L+R), ±[(L-R)×38kHz], ±19kHz 마지막 블록에서 서로 합하여 FM변조를 위한 기본적인 스테레오 음성신호가 된다.The present invention devised an FM stereo signal generator circuit using a fully differential error amplifier to achieve the above object. The circuit of the fully differential error amplifier actually implemented is shown in FIG. 8, and the common mode feedback circuit is omitted. Folded-cascode amplifiers are used and four inputs each consist of two differential input stages. The negative inputs (Vin1-, Vin2-) of each stage cross each other and are pinched at the output. The designed FM stereo signal generator is shown in FIG. The capacitor blocks the direct current component of the input signal and is placed outside the chip. In the chip, the input signal is received with its own bias voltage, and a single input signal is converted into a differential signal by a fully differential error amplifier. The 19KHz signal, which is the indicated carrier, was also converted into a differential signal. The L +, L-, R +, and R- signals converted into differential signals become inputs of a fully differential error amplifier having a voltage gain of 0 dB. The sum and difference signals can be obtained simply by input combinations of L + and R- signals and L + and R + signals, respectively. The difference signal can be obtained simply by input combination of L + and R- signals and L + and R + signals, respectively. The signal of the car is converted into 38KHz frequency band and separated from the sum signal. The delay stage is a circuit for matching the phase of the difference signal with the signal of the sum signal of 19KHz. ± (L + R), ± [(L-R) × 38kHz], ± 19kHz The final block adds up to each other and becomes the basic stereo audio signal for FM modulation.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 단일 입력으로 들어오는 두 개의 오디오 신호를 칩내에서 차동 신호로 변환하여 잡음에 대한 면역이 향상된 스테레오 신호를 생성할 수 있었다. 완전차동 오차 증폭기를 사용하면 공통모드 오차가 서로 상쇄되어 깨끗한 차동신호를 얻을 수 있으며 합의 신호와 차의 신호를 별도의 덧셈 회로와 뺄셈회로없이 차동신호로 변환된 두 입력신호의 조합으로 쉽게 얻을 수 있는 효과를 얻을 수 있다.As described above, the present invention was able to generate a stereo signal with improved immunity to noise by converting two audio signals coming into a single input into a differential signal in a chip. Using a fully differential error amplifier, the common mode errors cancel each other out, resulting in a clean differential signal, and the sum of the summed signal and the difference signal can be easily obtained by combining two input signals converted into a differential signal without a separate addition and subtraction circuit. You can get the effect.

Claims (4)

(도9) 완전차동 오차 증폭기 (Fully Differential Difference Amplifier, FDDA)를 이용하여 잡음과 공통전압의 차이를 제거시킨 FM 스테레오 신호 발생기 구조(Figure 9) FM Stereo Signal Generator Structure Using Noise Differential Difference Amplifier (FDDA) (도9) 상기방법Fig. 9 Method (도9) 더하기 회로(L+R)와 빼기 회로(L-R)를 별도로 구현하지 않고 완전차동 오차 증폭기 회로만으로 위 덧셈회로(R+L) 및 뺄셈회로(R-L)를 구현한 회로 설계 방법(Fig. 9) A circuit design method in which the addition circuit (R + L) and the subtraction circuit (R-L) are implemented using only a fully differential error amplifier circuit without implementing the addition circuit (L + R) and the subtraction circuit (L-R) separately. (도9) 이것을 이용한 칩 회로 설계 방법Fig. 9 Chip circuit design method using this
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