本發(fā)明涉及一種單端(single-ended)至差分(differential)轉(zhuǎn)換電路，以及更特別地，涉及一種具有單端至差分轉(zhuǎn)換電路的信號(hào)處理模塊，該單端至差分轉(zhuǎn)換電路用于將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為一對(duì)差分輸出信號(hào)。

背景技術(shù)：

目前，模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(analog to digital converters，ADC)在各種應(yīng)用(如醫(yī)療系統(tǒng)、音頻系統(tǒng)、測(cè)試及測(cè)量設(shè)備、通信系統(tǒng)，以及，圖像視頻系統(tǒng))中得到了廣泛地使用。近年來，差分輸入的模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)已在儀器儀表或通信系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。這是因?yàn)椋翰罘州斎氲男盘?hào)幅度是單端輸入的信號(hào)幅度的一半。從而，可以減少失真(distortion)，以及，模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)的差分輸入可以消除由模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)前面的電路所產(chǎn)生的偶次階(even-order)失真和同相(in-phase)分量噪聲。因此，差分輸入的模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)能夠?qū)崿F(xiàn)寬帶寬、低噪聲以及低失真的性能。

因此，考慮到模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)的性能，當(dāng)輸入信號(hào)為單端信號(hào)時(shí)，有必要在模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)前面設(shè)置一信號(hào)轉(zhuǎn)換器，該信號(hào)轉(zhuǎn)換器用于將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的之一在于提供一種單端至差分轉(zhuǎn)換電路及信號(hào)處理模塊，以解決上述問題。

第一方面，本發(fā)明提供一種單端至差分轉(zhuǎn)換電路，用于將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為一對(duì)差分信號(hào)。該單端至差分轉(zhuǎn)換電路包括：放大器、第一電阻、第二電阻、第三電阻和電阻串。放大器，具有反相輸入端、用于接收參考信號(hào)的非反相輸入端，以及輸出端。第一電阻耦接在該放大器的反相輸入端和輸出端之間。第二電阻耦接于該放大器的反相輸入端，其中，該放大器的反相輸入端通過該第二電阻接收該輸入信號(hào)。第三電阻，耦接于該放大器的輸出端。電阻串耦接在該放大器的輸出端和該第二電阻之間，以及包括串聯(lián)的第四電阻和第五電阻。該對(duì)差分信號(hào)之一信號(hào)通過該第三電阻提供，以及，該對(duì)差分信號(hào)之另一信號(hào)通過該電阻串提供。

第二方面，本發(fā)明提供一種信號(hào)處理模塊，包括差分信號(hào)處理電路和如上所述的單端至差分轉(zhuǎn)換電路，該差分信號(hào)處理電路用于根據(jù)一對(duì)差分中間信號(hào)提供一對(duì)差分輸出信號(hào)，且包括全差分放大器；該單端至差分轉(zhuǎn)換電路用于將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為該對(duì)差分中間信號(hào)；其中，該全差分放大器的非反相輸入端耦接于該單端至差分轉(zhuǎn)換電路中的第三電阻，以及，該全差分放大器的反相輸入端耦接于位于該第四電阻和該第五電阻之間的節(jié)點(diǎn)。

上述技術(shù)方案提供了一種單端至差分轉(zhuǎn)換電路的新穎架構(gòu)，其通過一個(gè)單端放大器即可實(shí)現(xiàn)將單端的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為一對(duì)差分信號(hào)，能夠減少布局面積和功率損耗。

本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀附圖所示優(yōu)選實(shí)施例的下述詳細(xì)描述之后，可以毫無疑義地理解本發(fā)明的這些目的及其它目的。

附圖說明

圖1根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例示出了一種信號(hào)處理模塊；

圖2根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例示出了一種信號(hào)處理模塊。

具體實(shí)施方式

以下描述為本發(fā)明實(shí)施的較佳實(shí)施例，其僅用來例舉闡釋本發(fā)明的技術(shù)特征，而并非用來限制本發(fā)明的范疇。在通篇說明書及權(quán)利要求書當(dāng)中使用了某些詞匯來指稱特定的元件，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，制造商可能會(huì)使用不同的名稱來稱呼同樣的元件。因此，本說明書及權(quán)利要求書并不以名稱的差異作為區(qū)別元件的方式，而是以元件在功能上的差異作為區(qū)別的基準(zhǔn)。本發(fā)明中使用的術(shù)語“元件”、“系統(tǒng)”和“裝置”可以是與計(jì)算機(jī)相關(guān)的實(shí)體，其中，該計(jì)算機(jī)可以是硬件、軟件、或硬件和軟件的結(jié)合。在以下描述和權(quán)利要求書當(dāng)中所提及的術(shù)語“包含”和“包括”為開放式用語，故應(yīng)解釋成“包含，但不限定于…”的意思。此外，術(shù)語“耦接”意指間接或直接的電氣連接。因此，若文中描述一個(gè)裝置耦接于另一裝置，則代表該裝置可直接電氣連接于該另一裝置，或者透過其它裝置或連接手段間接地電氣連接至該另一裝置。

圖1根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例示出了一種信號(hào)處理模塊(signal processing module)100。信號(hào)處理模塊100包括單端至差分轉(zhuǎn)換電路(single-ended to differential conversion circuit)110和差分信號(hào)處理電路(differential signal processing circuit)120。單端至差分轉(zhuǎn)換電路110能夠?qū)味溯斎胄盘?hào)轉(zhuǎn)換為一對(duì)中間信號(hào)(如圖1中標(biāo)注的差分電流信號(hào)I_CM+I_SIG和I_CM-I_SIG，其中，I_CM可用來表示直流成分，I_SIG可用來表示交流成分)。在一些實(shí)施例中，該對(duì)中間信號(hào)可以是電壓信號(hào)，以及，單端至差分轉(zhuǎn)換電路110能夠?qū)味溯斎胄盘?hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)于該對(duì)中間信號(hào)的電壓(如差分電壓信號(hào)V_CM+V_SIG和V_CM-V_SIG)。差分信號(hào)處理電路120用于對(duì)該對(duì)中間信號(hào)進(jìn)行處理，能夠根據(jù)該對(duì)中間信號(hào)(如I_CM+I_SIG、I_CM-I_SIG)提供一對(duì)差分輸出信號(hào)OUT_P/OUT_N。例如，在一些實(shí)施例中，差分信號(hào)處理電路120放大該對(duì)中間信號(hào)(如I_CM+I_SIG、I_CM-I_SIG)，以獲得該對(duì)差分輸出信號(hào)OUT_P/OUT_N。再例如，在一些實(shí)施例中，差分信號(hào)處理電路120根據(jù)修正信號(hào)(modification signal)(未示出)調(diào)整(modify)該對(duì)中間信號(hào)(如I_CM+I_SIG、I_CM-I_SIG)，以獲得該對(duì)差分輸出信號(hào)OUT_P/OUT_N。應(yīng)當(dāng)說明的是，本發(fā)明實(shí)施例對(duì)差分信號(hào)處理電路120的具體的處理操作不做任何限制。

圖2根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例示出了一種信號(hào)處理模塊200。信號(hào)處理模塊200包括單端至差分轉(zhuǎn)換電路210和差分信號(hào)處理電路220。單端至差分轉(zhuǎn)換電路210能夠?qū)味溯斎胄盘?hào)V_CM+V_IN轉(zhuǎn)換為一對(duì)差分中間信號(hào)。在本實(shí)施例中，該對(duì)差分中間信號(hào)為一對(duì)差分電流信號(hào)(如圖2中n2節(jié)點(diǎn)處的電流(I_P1+I_P2)和n3節(jié)點(diǎn)處的電流-I_N)。應(yīng)當(dāng)說明的是，V_CM可以表示直流電壓，V_IN可以表示含交流電壓的交流成分，例如，當(dāng)V_CM＝0V時(shí)，V_IN可以用來表示不包括直流成分的純交流信號(hào)，當(dāng)然，V_IN也可以用來表示包含直流成分的交流信號(hào)，具體地，本發(fā)明實(shí)施例不做任何限制。在本實(shí)施例中，單端至差分轉(zhuǎn)換電路210包括放大器230(如圖2所示，放大器230為單端放大器)以及六個(gè)電阻R1-R6。在一些實(shí)施例中，可以省略電阻R6，換言之，電阻R6是可選的。差分信號(hào)處理電路220包括全差分(fully-differential)放大器240以及兩個(gè)反饋單元(feedback unit)250和260。反饋單元250耦接在全差分放大器240的反相輸入端和非反相輸出端之間，以及，反饋單元260耦接在全差分放大器240的非反相輸入端和反相輸出端之間。在一些實(shí)施例中，差分信號(hào)處理電路220還可以包括兩個(gè)輸入單元(圖2中未示出)，其中，其中一個(gè)輸入單元耦接在全差分放大器240的反相輸入端和單端至差分轉(zhuǎn)換電路210的節(jié)點(diǎn)n2(例如，耦接在單端至差分轉(zhuǎn)換電路210的其中一個(gè)差分輸出端和全差分放大器240的反相輸入端之間)之間，以及，另一個(gè)輸入單元耦接在全差分放大器240的非反相輸入端和單端至差分轉(zhuǎn)換電路210的電阻R3(例如，耦接在單端至差分轉(zhuǎn)換電路210的另一個(gè)差分輸出端和全差分放大器240的非反相輸入端之間)之間。因此，根據(jù)這兩個(gè)輸入單元以及反饋單元250和260，全差分放大器240的增益是確定的。在實(shí)踐中，若全差分放大器240為理想型放大器，則其反相輸入端和非反相輸入端上的輸入電壓相等；若全差分放大器240為非理想型放大器，則其反相輸入端和非反相輸入端上的輸入電壓為差分電壓。在本發(fā)明實(shí)施例中，不管全差分放大器240是否為理想型放大器，全差分放大器240的兩個(gè)輸入電流為差分電流。因此，在本發(fā)明實(shí)施例中，為方便說明，上述差分中間信號(hào)以差分電流信號(hào)為例，以及，全差分放大器240以理想型放大器為例進(jìn)行說明，但應(yīng)當(dāng)說明的是，本發(fā)明并不限制全差分放大器240的具體類型。原因在于，針對(duì)特定類型的全差分放大器240，全差分放大器240會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)其輸入端上的電壓，使其輸入端上的電壓滿足該特定類型的全差分放大器的客觀需求。在本發(fā)明實(shí)施例中，為方便描述，以全差分放大器240的兩輸入端上的電壓均被維持在電壓V_CM上為例(即節(jié)點(diǎn)n2上的電壓V_n2和節(jié)點(diǎn)n3上的電壓V_n3滿足V_n2＝V_n3＝V_CM)，但應(yīng)當(dāng)說明的是，本發(fā)明并不限于此。

在圖2的單端至差分轉(zhuǎn)換電路210中，放大器230具有耦接于電阻R1的一端和R2的一端的反相輸入端、用于接收參考信號(hào)V_ref的非反相輸入端，以及耦接于電阻R1的另一端、R3的一端和R4的一端的輸出端。在一些實(shí)施例中，參考信號(hào)V_ref具有恒定電壓值，例如，可以將參考信號(hào)V_ref的電壓電平和直流電壓V_CM設(shè)置為相等。為方便描述，本發(fā)明實(shí)施例以參考信號(hào)V_ref的電壓電平等于直流電壓V_CM為例進(jìn)行說明，但應(yīng)當(dāng)說明的是，本發(fā)明并不限于此，原因在于，若直流電壓V_CM不等于參考信號(hào)V_ref的電壓電平，則V_IN可以被替換為(V_CM-V_ref+V_IN)，從而可基于以下實(shí)施例相應(yīng)地得到第三電阻的電阻值、單端至差分轉(zhuǎn)換電路210的等效阻抗等。電阻R6耦接于節(jié)點(diǎn)n1，以及，電阻R6是輸入電阻，用于接收輸入信號(hào)V_IN。電阻R2耦接在節(jié)點(diǎn)n1和放大器230的反相輸入端之間，以及，放大器的反相輸入端可以通過電阻R2接收輸入電壓V_IN。電阻R1耦接在放大器230的反相輸入端和輸出端之間。電阻R3耦接在放大器230的輸出端和全差分放大器240的非反相輸入端之間。電阻R4耦接在放大器230的輸出端和節(jié)點(diǎn)n2之間。電阻R5耦接在節(jié)點(diǎn)n2和節(jié)點(diǎn)n1之間。此外，電阻R4和R5構(gòu)成耦接在節(jié)點(diǎn)n1和放大器230的輸出端之間的電阻串(resistor string)。在一些實(shí)施例中，電阻R3的電阻值是根據(jù)電阻R1、電阻R2、電阻R4以及電阻R5確定的。

在一實(shí)施例中，電阻R5的電阻值(或阻抗)為R，其中，R是用于單端至差分轉(zhuǎn)換電路210的單位電阻。電阻R6的電阻值為m×R。電阻R2的電阻值為x×R。電阻R1的電阻值為y×R。電阻R4的電阻值為n×R。根據(jù)電阻R1、R2、R4和R5的電阻值，電阻R3的電阻值可以根據(jù)以下的公式(1)獲得。

此外，根據(jù)運(yùn)算放大器中電路分析的虛擬接地(virtual ground)概念，放大器230的非反相輸入端和反相輸入端上的節(jié)點(diǎn)，以及，全差分放大器240的非反相輸入端和反相輸入端上的節(jié)點(diǎn)被維持在穩(wěn)定的參考電位(即虛擬接地)。因此，節(jié)點(diǎn)n1上的電壓V_n1可以根據(jù)以下的公式(2)獲得。

其中，

此外，根據(jù)節(jié)點(diǎn)n1上的電壓V_n1以及電阻R1和R2，放大器230的輸出端上的電壓V2可以根據(jù)以下的公式(3)獲得。

根據(jù)電壓V_n1、V_n2和V2，流經(jīng)電阻R5的電流I_P1、流經(jīng)電阻R4的電流I_P2，以及流經(jīng)電阻R3的電流I_N可以分別根據(jù)以下的公式(4)-(6)獲得。

從公式(4)-(6)可知，通過合理地設(shè)置電阻R3的電阻值，可以基于圖2所示的架構(gòu)使得單端至差分轉(zhuǎn)換電路210的輸出電流始終為一對(duì)差分信號(hào)，即滿足I_N＝-(I_P1+I_P2)。此外，通過確定全差分放大器240的反相輸入端的電壓(或電流)與非反相輸入端的電壓(或電流)之間的關(guān)系，可以確定信號(hào)處理模塊200的共模(common mode)或差模(differential mode)情形，進(jìn)而估計(jì)該對(duì)中間信號(hào)的共模擾動(dòng)(perturbation)或差模擾動(dòng)；然后，在全差分放大器240的反相輸入端上所觀察到(換言之，從全差分放大器240的反相輸入端看向單端至差分轉(zhuǎn)換電路210)的等效阻抗R_{EQ_P}和在全差分放大器240的非反相輸入端上所觀察到(換言之，從全差分放大器240的非反相輸入端看向單端至差分轉(zhuǎn)換電路210)的等效阻抗R_{EQ_N}被獲得。在一些實(shí)施例中，等效阻抗R_{EQ_P}和R_{EQ_N}可被設(shè)置為相同。在一些實(shí)施例中，等效阻抗R_{EQ_P}和R_{EQ_N}為單端至差分轉(zhuǎn)換電路210的兩個(gè)輸出阻抗，為計(jì)算這兩個(gè)輸出阻抗，從單端至差分轉(zhuǎn)換電路210的輸出端施加電壓V_CM+V_P和V_CM+V_N，而不在其輸入端上接收單端輸入信號(hào)。舉例來說，為了計(jì)算單端至差分轉(zhuǎn)換電路210的共模輸出阻抗，則假定施加至全差分放大器240的反相輸入端的電壓V_CM+V_P和非反相輸入端的電壓V_CM+V_N是相同的，即V_P＝V_N。此外，若期望共模情形中的等效阻抗R_{EQ_P}和R_{EQ_N}是相等的，則在該共模情形中，從全差分放大器240的反相輸入端流至單端至差分轉(zhuǎn)換電路210的電流等于從全差分放大器240的非反相輸入端流至單端至差分轉(zhuǎn)換電路210的電流，即，I_P1+I_P2＝I_N。因此，等效阻抗R_{EQ_P}和R_{EQ_N}可以分別根據(jù)以下的公式(7)-(8)獲得。

其中，當(dāng)滿足時(shí)，共模情形下的等效阻抗R_{EQ_P}和R_{EQ_N}相等。

相應(yīng)地，為計(jì)算單端至差分轉(zhuǎn)換電路210的差模輸出阻抗，則假定施加至全差分放大器240的反相輸入端的電壓V_CM+V_P和非反相輸入端的電壓V_CM+V_N是差分信號(hào)，即V_P＝-V_N。此外，若期望差模情形中的等效阻抗R_{EQ_P}和R_{EQ_N}是相等的，則在該差模情形中，從單端至差分轉(zhuǎn)換電路210流至全差分放大器240的反相輸入端的電流等于從全差分放大器240的非反相輸入端流至單端至差分轉(zhuǎn)換電路210的電流，即，I_P1+I_P2＝-I_N。因此，等效阻抗R_{EQ_P}和R_{EQ_N}可以分別根據(jù)以下的公式(9)-(10)獲得。

其中，當(dāng)滿足時(shí)，差模情形下的等效阻抗R_{EQ_P}和R_{EQ_N}相等。

應(yīng)當(dāng)指出的是，若期望共模輸出阻抗或差模情輸出阻抗均分別相等，需滿足電流I_P1和I_P2之和的絕對(duì)值等于電流I_N的絕對(duì)值，即|I_P1+I_P2|＝|I_N|。此外，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，對(duì)于共模擾動(dòng)或差模擾動(dòng),可以獲得等效阻抗R_{EQ_P}和R_{EQ_N}。通常，不能同時(shí)滿足共模情形中的等效阻抗與差模情形中的等效阻抗均分別相等。具體地，可以根據(jù)實(shí)際需求來設(shè)置共模等效阻抗相等還是差模等效阻抗相等，本發(fā)明對(duì)此不作任何限定。例如，由于差分信號(hào)處理電路120前面的電路(如單端至差分轉(zhuǎn)換電路110)通常會(huì)存在共模噪聲，通過將共模情形中的等效阻抗R_{EQ_P}和R_{EQ_N}設(shè)置為相等，可以使該噪聲在全差分放大器240的兩個(gè)差分輸入端上相互抵消，從而實(shí)現(xiàn)低噪聲。再例如，通過將差模情形中的等效阻抗R_{EQ_P}和R_{EQ_N}設(shè)置為相等，可以在有差模回授的應(yīng)用中,減少失真。

本發(fā)明通過在節(jié)點(diǎn)n2和放大器230的輸出端之間添加電阻R4，單端至差分轉(zhuǎn)換電路210中僅需使用一個(gè)單端放大器(即放大器230)。因此，與傳統(tǒng)的單端至差分轉(zhuǎn)換電路(例如，傳統(tǒng)的單端至差分轉(zhuǎn)換電路利用兩個(gè)單端放大器的解決方案，或者，利用全差分放大器的解決方案等等)相比，單端至差分轉(zhuǎn)換電路210中的布局面積和功率損耗被減少。此外，在輸入信號(hào)V_IN的輸入量和放大器230的性能之間的權(quán)衡能夠被優(yōu)化。通過引入電阻R4(例如，電阻值為n×R)，等效輸入可以被縮放為原來的1-1/n倍(n>1)；以及，放大器230的非理想因素可以被消除為原來的|1/n-(1-(y/x)×(1/n))/(y/x)|倍。舉例來說，假定電阻R1和R2等于電阻R5(即x＝y(tǒng)＝1)以及電阻R4是電阻R5的兩倍(即n＝2)，則由放大器230造成的噪聲和失真可以被完全消除。特別地，通過恰當(dāng)?shù)乜刂齐娮鑂1、R2、R4和R5的比率，可以減少放大器230所造成的噪聲和失真。應(yīng)當(dāng)說明的是，本發(fā)明實(shí)施例中所列的x，y，m，n并不限于整數(shù)。

在不脫離本發(fā)明的精神以及范圍內(nèi)，本發(fā)明可以其它特定格式呈現(xiàn)。所描述的實(shí)施例在所有方面僅用于說明的目的而并非用于限制本發(fā)明。本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視所附的權(quán)利要求所界定者為準(zhǔn)。本領(lǐng)域技術(shù)人員皆在不脫離本發(fā)明之精神以及范圍內(nèi)做些許更動(dòng)與潤(rùn)飾。