专利名称：将单端信号转换为差分信号的系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种可用于前置放大器电路的转换电路，特别涉及将单端信号转换为差分信号。
电流源中的任何噪声一般在单端信号中是显著的，因为在没有补偿的情况下电流源影响单端信号。但是，在由差分信号产生的信号中电流源的噪声一般都不显著，这是由于噪声在两个差分信号上均有反映，从而两个信号之间最后的差被保留下来。因此，将单端信号转换成差分信号一般可减少串扰。
在前置放大器电路中，在将单端信号转换成差分信号之前一般先要对单端信号进行一些放大(常称为增益)。这种单端增益会影响电流源，转而又通过该电流源对单端信号产生影响，造成串扰。因此，这种串扰一般会给可能穿过单端-差分转换器的单端信号造成限制。由于串扰，前置放大器的电流放大一般会在高频率处被截止，这是因为阻抗会变得太高以致使电路不能传送高频信号。
此外，也存在一些起因于流入地线的电流的串扰，这种流入地线的电流一般称为地电流。当电流流入地线时，地电位会出现波动。由于信号是相对于地电位测量的，地电位的波动会造成信号的波动，从而造成串扰。
最好有一种能防止串扰的单端-差分转换器。此外单端-差分转换器最好能处理较高频率的信号。本发明致力于设法满足这些需求。
另外，依据本发明的实施例，转换电路还以大于1的增益放大信号。因此，以前一般在转换电路之前进行的放大过程，现在可以在转换电路中进行。通过将放大过程从转换电路前转移到转换电路中，电流源与单端输入信号之间的串扰就可得以避免。
本说明书提出一种依据本发明实施例的用以将单端信号转换为差分信号的系统。该系统包括配置成将电流转换成电压的第一部件。该系统还包括跟第一部件相连接的第二部件。该系统还具有跟第一部件与第二部件相连接的第三部件，其中所述第一、第二与第三部件中没有一个直接接地，并且均以大于2的增益放大所述电流。
本说明书还提出一种依据本发明实施例的用以将单端信号转换为差分信号的方法。该方法包括如下步骤将电流转换成电压；将差分电压输入到差分晶体管对(differential pair)；以及以大于2的增益放大所述电流。该方法中基本无地电流产生。
图2为依据本发明实施例的单端信号-差分信号转换电路的原理图。
图3为依据本发明实施例的另一单端信号-差分信号转换电路的原理图。
图4为依据本发明实施例的将单端信号转换为差分信号的流程图。
图1为传统的单端信号-差分信号转换电路的实例的原理图。图示的转换电路100包括电流源102、电压表104、接地端110以及晶体管106与108。晶体管106与108的类型的实例为一种增强型N型金属氧化物半导体(NMOS)。增强型NMOS晶体管一般具有正的阈电压。
将经放大的单端电流输入到传统电路100。该输入电流(Iin)遇到由晶体管106形成的阻抗。该阻抗将电流(Iin)转换成电压。晶体管108将该电压看作正电压，而晶体管106将该电压作为负电压接收。根据定义，流经晶体管106的电流的放大的增益为1，晶体管108的电流增益跟晶体管106的增益相匹配。因此，晶体管108的电流增益也是1。差分信号IoutP112a与IoutN112b具有同样的幅度。因此，差分电路100的电流增益为2。
由于单端信号一般在进入差分电路100之前就被放大，会有一些单端增益造成的串扰影响电流源。对电流源造成的影响进而又会影响该单端信号。这种串扰会使转换电路100在高频率处的电流增益截止，如在频率接近160MHz的位置。
由于存在从晶体管108流向接地端110的地电流，所以传统的转换电路100中也会出现串扰。由于该信号被送入接地端110，所以地电位会因此出现波动。由于所有信号都是以地电位为基准测量的，因此所有信号均会出现波动，从而造成串扰。
最好有一种能避免这种串扰的单端-差分信号转换电路。此外，所述单端-差分转换器最好能在较高频率上处理信号。本发明致力于满足这些需求。
图2为依据本发明实施例的单端信号-差分信号转换电路的原理图。图2给出了一个单端-差分信号转换电路200的例子，图示的电路中包括晶体管214、208与206，电压源204，电流源202，以及接地端210。例如，所用的晶体管214、208与206可以为NMOS晶体管。晶体管208与206的首要功能是组成差分晶体管对。电压输入到晶体管208与206，该电压被转换为电流，产生差分电流输出。
电流(Iin)被输入到转换电路200。例如，Iin可为其信号成分为10微安或Iin的1％的接近0.5毫安的电流。晶体管214将Iin转换成电压。例如，经晶体管214转换成的电压在输入端接近10毫伏。在晶体管214上有一电压降，使得在晶体管的公共源极216a、216b、216c处的电压为1/2V(此处，V为输入电压)。例如，公共源极216a、216b、216c处的1/2V可以为5毫伏。所述电流流经晶体管214，加到晶体管208的电流上，然后流经晶体管206的源极216c在212b处以IoutP输出。例如，IoutP可为接近2毫安的直流电流(DC)，其信号电流为大约40微安。
为产生IoutN，Iin流经晶体管214，加到晶体管208的电流上，然后在212a处从该电路输出IoutN。IoutN与IoutP为互补电流，例如，IoutN为约2毫安的直流电，其信号电流约为40微安。例如，电流源202处的电流约为5毫安。注意，在转换电路200中，无电流流入接地端210，因为没有与地直接相连的部件。因此，不存在来自地电流的串扰。
转换电路200的另一个优点是，可以获得明显的电流增益。例如，通过将晶体管208的漏极218b与晶体管214的漏极218a的比值设置为4∶1，并将晶体管206的漏极218c与晶体管214的漏极218a的比值设置为4∶1，便可获得8倍的电流增益。如果将漏极218b与218c处的电位设置为比218a处的高4倍，则在晶体管206处就可获得4倍的电流增益，从而为差分信号提供8倍的总电流增益。
因此，在输入转换电路200之前，单端信号不用被放大。由于单端信号不是放大信号，所以在转换电路200之前就没有造成与电流源之间的串扰的增益。此外，转换电路200能够在更高(例如高达约200MHz)的频率上处理信号。
图3为依据本发明实施例的单端信号-差分信号转换电路200的原理图，该电路为更大的转换电路的组成部分。例如2伏特的输入电压被输入到转换电路300。晶体管302将该电压转换为电流。晶体管304通过交流电流(AC)，晶体管303起平衡直流电流(DC)分量的作用。例如，晶体管302的电流输出为将近1000微安DC电流与10微安AC电流。
电流流经晶体管304，该晶体管保护晶体管214不受电容影响。晶体管304用作级联部件，使晶体管214具有非常低的阻抗与增益。级联部件可为让电流从源极流至漏极、具有电压增益的共栅极晶体管。所述级联部件可以在例如晶体管214等的晶体管漏极处提供较低的增益和较小的电容，以保护该晶体管的漏极不受输出电压的影响。关于级联部件所具作用的详细情况在本专业内是众所周知的。以下结合图2，就电流被输入电路200后随即发生的事件进行说明。
如前所述，电流被输入(Iin)到转换电路200。晶体管214将Iin转换成电压。在晶体管214上有一电压降，使得晶体管的公共源极216a、216b、216c处的电压为1/2V(此处，V为输入电压)。电流流经晶体管214，加入到晶体管208处的电流，然后流经晶体管206的源极216c在212b处以电流IoutP流出。为了产生IoutN，Iin流经晶体管214，加入到晶体管208处的电流，然后在212a处以电流IoutN从电路输出。
晶体管306可跟电路200连接，以平衡晶体管214。晶体管206处的电流增益为晶体管214的电流增益的相反值。例如，如果晶体管214的增益为1，则晶体管306处的电流增益为-1。当电路平衡时，晶体管208与206上的电流相等，而输入电流以跟电流源202相同的平均电流工作。
晶体管308-312也可跟电路200连接，以便通过作为级联部件使晶体管208、206与214具有非常低的阻抗与增益，而分别保护晶体管208、206与214的输出电压不受电容的影响。此外，晶体管308-310也可用作复用开关，用来将输出分为包括截止态的三态。在本技术领域中，将级联部件用作三态部件是常见的。
图4为依据本发明实施例的将单端信号转换为差分信号的流程图。首先，初始电流被转换成电压(步骤400)。该电压被用来产生差分电压，然后该差分电压输入差分晶体管对以产生差分电流(步骤402)。所述初始电流也以2倍以上的增益被放大，在此过程中无地电流产生(步骤404)。
虽然以上依据实施例对本发明作了描述，但本技术领域的一般技术人员将不难明白可对本发明实施例作出各种修改，而且这些修改将不会超出本发明的精神与范围。因此，本技术领域的一般技术人员可以作出许多修改而不致于偏离本说明书所附的的精神与范围。
权利要求
1.一种将单端信号转换成差分信号的系统，它包括配置成将电流转换成电压的第一部件(214)；跟第一部件(214)相连接的第二部件(208)；以及跟第一部件(214)与第二部件(208)相连接的第三部件(206)，所述第一、第二与第三部件(206、214、208)无一直接接地，并且以大于2的增益放大所述电流。
2.权利要求1的系统，其特征在于所述第一部件(214)、所述第二部件(208)与所述第三部件(206)共用一个公共源极(202)。
3.权利要求1的系统，其特征在于所述第二部件与第三部件(206、208)为差分晶体管对。
4.权利要求1的系统，其特征在于还包括跟所述第二部件(208)连接的第五部件(308)，其中所述第五部件(308)用作级联部件。
5.权利要求4的系统，其特征在于所述第五部件(308)用作复用开关。
6.一种将单端信号转换成差分信号的方法，包括如下步骤将电流转换成电压(400)；将差分电压输入差分晶体管对(402)；以及以大于2的增益放大所述电流，在此过程中基本上无地电流产生(404)。
7.权利要求6的方法，其特征在于还包括提供共用电流源(202)的步骤。
全文摘要
本发明涉及一种将单端信号转换成差分信号的转换电路(200)。依据本发明的一个实施例,通过保证在转换电路(200)的晶体管(214、208、206)中没有一个直接与接地端(210)连接来避免串扰。通过使晶体管(214、208、206)中无一直接与接地端(210)相连,避免了地电流并消除了与地电流相关的串扰。
文档编号H03F3/26GK1357171SQ00809141
公开日2002年7月3日 申请日期2000年4月18日 优先权日1999年4月21日
发明者S·J·弗兰克, Z·托斯基 申请人:因芬尼昂技术北美公司