采用电阻网络变差分信号为单端信号的电子线路

摘要

一种具有一个电阻网络(205)以及一个运算放大器(260)的差分—单端变换器(200)。跟现有技术的变换器相比,在运算放大器(260)的同相输入(264)与变换器(200)的负输入端之间,设置了一个电阻(250)。在同相输入(264)处的共模电压(V′nii)不依赖于变换器(200)的差分输入电压(V＃in),并且(前者的)起伏变化较小。这就允许使用具有低共模抑制比的运算放大器(260),并使变换器(200)适合于低电压应用。

说明书

本发明涉及半导体电子装置，特别是涉及差分—单端变换器。

混合集成电路的模拟部分通常完全是差分的但有一个单端输出。差分—单端变换器(以下简称变换器)是一个将双路输入信号变换为单端输出信号的电子线路。

图1是在现有技术中人们所熟知的变换器100的简化电路图。

变换器100由电阻R₁、R₂、R₃、R₄(110、120、130、140)和运算放大器160组成。

电阻R₁(110)连接于负输入端102和运算放大器160的反相输入162两点之间。电阻R₂(120)连接于运算放大器160的反相输入162与输出166之间。输出166连接变换器100的输出端106。电阻R₃(130)连接于正输入端104和同相输入164之间。电阻R₄(140)连接于同相输入164与参考端109(例如，接地端)之间。

为了进一步的说明，引入了信号及其符号。除非另作说明，所有电压都是相对于参考端109(例如，接地端)来说的。变换器100在其输入端104、102接收输入电压V_p和V_n并向输出端106提供输出电压Vout。

输入电压V_p和V_n具有共模分量V′_pn和差模分量V_p^#、V_n^#。它们的关系如下：V_p＝V′_pn +V_p^#和V_n＝V′_pn+V_n^#。V_in^#是差分输入电压，V_in^#＝V_p-V_n＝V_p^#-V_n^#。

输出电压V_out＝V′_out+V_out^#，含有一个直流分量V′_out和一个交流分量V_out^#。

在运算放大器160中，V_ni和V_i分别是在同相输入164和反相输入162处的电压。V_ni和V_i含有共模和差模分量：V_ni＝V′_nii+V_ni^#，以及V_i＝V′_nii+V_i^#。

在变换器100中，输入电压V_p、V_n被变换为输出电压V_out。信息信号只存在于差模或交流电压(V_p^#，V_p^#，V_in^#，V_out^#)之中，而共模或直流电压(V′_pn，V′_nii，V′_out)所起的作用是不需要的，例如噪声和带宽限制。

变换器100具有差模增益A^#＝V_out^#/V_in^#，要求此项增益是线性的。变换器100也有一个共模抑制比CMRR＝V′_pn/V′_out(也可以表示为：CMRR＝ΔV′_pn/ΔV′_out)，该比值应该达到最大值。

如果这些电阻满足R₁/R₂＝R₃/R₄的关系，那么在同相输入164处的共模电压V_nii不影响直流输出电压V′_out。在这种情况下，电压变化ΔV′_nii也不会对V′_out产生影响。然而，共模电压V′_nii是与差模输入电压V_in^#有关系的。即使在输入端104、102处的共模输入电压V′_pn保持不变，运算放大器160的共模电压V′_nii也会发生变化。

运算放大器160本身可以抑制共模电压V′_nii以及其中的变化量ΔV′_nii，以使直流输出电压V′_out保持不变。但是这个特点受到运算放大器160的共模抑制比(CMRR)的限制。CMRR能够随意V′_nii而改变。制造具有足够高的CMRR的运算放大器160是昂贵的，而且不是总能实现的。可以通过选择电阻R₁、R₂、R₃、R₄对共模电压V′_nii加以限制。然而，要提高共模抑制比，就要求提高电阻的比值(R₁/R₂)，这使得变换器100对噪声更为敏感。

在中、高信号频率(例如，0.5MHz以上)时，也难以提供具有高CMRR值的运算放大器160。当频率更高时，在变换器100的输入端处的共模电容将产生影响，使性能进一步降低。

运算放大器160在大范围内调整共模电压V′_nii的能力受到电源电压的限制，使得现有技术的变换器100更加难以在现代的低电压电路中使用。

上述问题可能导致的结果是，变换器100最终必须是一个单独电路，不可能集成到一个较大的信号处理芯片上。对于运算放大器160和变换器100来说，这是最流行的设计中的一种典型情况。

对于现有技术的变换器100来说，也难以优化其不同因素，诸如：CMRR、电阻值、噪声、带宽、反馈环深度及其他等等。

因此，存在一种不断发展着的需求，期望提供一种能克服现有技术中的某些或者全部缺陷的变换器。

图1为根据现有技术的差分—单端变换器的简化电路图。

图2为本发明优选实施例中的一个差分—单端变换器的简化电路图。

图2为根据本发明的电子电路200的简化电路图。电子电路200(以下简称变换器200)将差分信号变换为单端信号。变换器200由电阻网络205和运算放大器260构成。电阻网络205由电阻R₁、R₂、R₃、R₄、R₅(210、220、230、240、250)组成。其中使用的“电阻”一词泛指呈现为电阻、电感和电容的任何一种元件。

电阻R₁(210)连接于负输入端202和运算放大器260的反相输入262之间。电阻R₂(220)连接于运算放大器260的反相输入262和输出266之间。(运算放大器的)输出266连接变换器200的输出端206。电阻R₃(230)连接正输入端204和通往同相输入264的节点265。电阻R₄(240)连接同相输入264的节点265和参考端209。电阻R₅(250)连接负输入端202和同相输入264的节点265。

这些电压的定义方式跟现有技术的变换器100相同。除非另作说明，所有电压都是相对于参考端209(例如，接地端)来说的。

变换器200分别在输入端204和202接收输入电压V_p和V_n，并且向输出端206提供输出电压V_out。

输入电压V_p、Vn含有共模分量V′_pn和差模分量V_p^#、V_n^#，其关系为：V_p＝V′_pn+V_p^#和V_n＝V′_pn+V_n^#，V_in^#为差分输入电压，V_in^#＝V_p-V_n＝V_p^#-V_n^#。

输出电压V_out含有直流分量V′_out和交流分量V_out^#，V_out＝V′_out+V_out^#。

在运算放大器260中，V_ni和V_i分别是同相输入264和反相输入262的电压。V_ni和V_i含有共模和差模分量：V_ni＝V′_nii+V_ni^#，V_i＝V′n_ii+V_i^#。

同现有技术的变换器100相比，变换器200包含一个电阻R₅，电阻R₃和R₅的值实际上是相等的。

V_p与V_ni的关系为：

V_ni＝V_p×R₄/(R₃+R₄)

(1)

V_ni与V_n跟V_out的关系为：

V_out-V_ni＝(V_n-V_ni)×(-R₂/R₁)

(2)

V_out＝V_ni×(R₂/R₁+1)-V_n×R₂/R₁

(3)

对于共模电压V′_pn来说，R₃与R₅可以被认为是并联的。因此，共模电压V′_nii为：

V′_nii＝V′_pn×R₄/(R₃#R₅+R₄)

(4)

其中，R₃#R₅是R₃×R₅/(R₃+R₅)的简略表示。将方程式(3)和(4)联立，并且只考虑共模分量，得：

V′_out＝V′_pn×〔(R₄/(R₃#R₅+R₄))×(R₂/R₁+1)-R₂/R₁ 〕

(5)

输出端266的直流电压V′_out变为零的条件是：

R₄/(R₃#R₅+R₄)×(R₂/R₁+1)＝R₂/R₁

(6)

当R₃＝R₅时，条件(6)可以简化为：

R₁/R₂＝R₃/(2×R₄)

(7)

电阻R₁(210)的值与电阻R₂(220)的值之比实际上等于电阻R₃(230)的值与电阻R₄(240)的值的两倍之比。若条件(7)得到满足，则输入电压V_p和V_n的共模振幅ΔV′_pn对输出电压V_out不产生影响。

同现有技术相比，在同相输入264处的共模电压V′_nii跟差分输入电压V_in^#无关。这就意味着输入电压V_in^#的变化(ΔV_n^#＝-ΔV_p^#)不改变同相输入264处的共模分量V′_nii。如果电压V′_nii保持恒定，那么运算放大器260的共模阻抗将低于V′_nii变化时的数值。换句话说，用于现有技术变换器100中的运算放大器160必须能够接收起伏变化着的(共模)电压V_nii。运算放大器160、260的电源电压应当高于V′_nii的变化范围。在本发明的变换器200中，V′_nii的变化范围可以被电阻网络205大幅度地压缩。因此，运算放大器260的电源电压也可以降低，变换器200因而适合于低电压的各种应用。

在同相输入264处的电压V′_nii被保持在一个恒定的数值上，差分电压V_in^#被放大到交流输出电压V_out^#，增益为A＝R₂/R₁。

人们将体会到，虽然只详细地描述了本发明的一个具体实施例，但是本领域的技术人员可以在不超出本发明范围的条件下，根据本文的讲授作出各种修改和改进。

例如，可以用具有实部和虚部的复数阻抗来取代电阻R₁、R₂、R₃、R₄和R₅这样的复数阻抗可以是诸如，电容、电感线圈、其它元件或者它们的组合。在这种情况下，变换器200可能还有附加的功能，例如滤波器的功能。

通过对本发明作这样的描述，显而易见，根据本发明作出的变换器包含一个附加电阻R₅，连接于负输入端与同相输入之间。本发明的变换器具有现有技术(变换器)的全部特性，还加上附加的优点。例如，在运算放大器输入端处的共模电压V′_nii与差分输入电压V_in^#无关。因而可以降低对运算放大器共模抑制比(CMRR)的要求。这样一来，在那些原先必须使用昂贵的运算放大器的电路中，允许以廉价的方式使用具有低CMRR和低共模阻抗的运算放大器。

因此，本发明的变换器尤其适用于低电压的各种应用。