专利名称：高速差动转单端转换器的制作方法
技术领域：
本实用新型是关于一种电子电路技术，特别是针对一种不需要运算放大器的互补金属氧化物半导体(CMOS)/双载子(bipolar)/双载子互补金属氧化物半导体(BiCMOS)差动转单端转换器(differential to single-ended converter)，用以将一差动信号转换成一单端信号。
背景技术：
差动形态信号包含一数据信号及其反相信号，其广泛应用于各种模拟电路中。由于其数据信号和反相信号在受到称之为共模噪声(common modenoise)的相同噪声及干扰时，可以彼此抵消，因此差动信号通常用来排除环境中的噪声及干扰。然而，差动信号在使用上并不适合于具有低脚位数的集成电路应用，反而是单端信号比较能够有效降低集成电路的接脚数。因此，目前大多采用一种用来转换差动/单端信号的差动转单端转换器，可以配合不同的实际应用条件。除此之外，差动转单端转换器也可以做为一输出缓冲器，用以隔离内部电路与外部输出接线垫区，或是做为一数据缓冲器，用以隔离前级及需要单端输入信号的后级。
传统差动转单端转换器大都是采用运算放大器来制作。图1表示公知差动转单端转换器的电路图。如图1所示，转换器包括一运算放大器10、耦接至运算放大器10的正相输入端的电阻R11和R21、以及耦接至运算放大器10的反相输入端的电阻R12和R22。差动信号中的数据信号通过电阻R11，耦接到运算放大器10的正相输入端；其反相信号则通过电阻R12，耦接到运算放大器10的反相输入端。单端输出信号Vout则从耦接到电阻R21的运算放大器10的输出端送出。
然而，由于传统差动转单端转换器采用运算放大器会浪费很大的芯片空间，并且会受到速度上的限制，因此并不适合于集成电路的应用。
美国专利第5,432,476号则揭露一种不需要运算放大器的差动转单端转换器。图2表示揭露于美国专利第5,432,476号的差动转单端转换器的框图。如图2所示，差动输入信号Vin送到输入缓冲器22。输入缓冲器22则分别将差动信号Vin中的数据信号及其反相信号送到电压/电流转换器(V/Iconverter)24及26。接着，电压/电流转换器24的输出则送到电流镜组件28。另外，直流电平设定器30则建立一直流电压电平，并且送到电阻组件32。最后，将电流镜组件28、电阻组件32和电压/电流转换器26的输出结合产生单端输出信号Vout。虽然此一公知差动转单端转换器没有使用到运算放大器，然而却采用了太多电阻来实现其功能。
有鉴于此，本实用新型的目的则在于提出一种新的差动转单端转换器，能够在不使用到运算放大器的情况下，将差动信号转换成单端信号，同时在电路实现上也没有美国专利第5,432,476号的问题。
根据上述目的，本实用新型提供一种差动转单端转换器，其包括一转导放大器(transconductance amplifier)，与一差动电压信号相连，并且将上述差动电压信号转换成差动电流信号，其中上述转导放大器具有一退化电阻；一电流镜及缓冲电路(current mirror and buffer circuit)，耦接至上述转导放大器，用以传递上述差动电流信号为一单端电流信号；以及一转阻放大器(transimpedance amplifier)，耦接至上述电流镜及缓冲电路，用以接收上述单端电流信号并且将上述单端电流信号转换成单端电压信号，其中上述转阻放大器具有一并联反馈电阻。其中上述电流镜及缓冲电路提供上述转导放大器及上述转阻放大器间的隔离。
上述差动转单端转换器的增益由上述退化电阻与上述并联反馈电阻的电阻值所决定。
上述转导放大器包括第一及第二金属氧化物半导体晶体管，其栅极与上述差动电压信号相连，其漏极输出上述差动电流信号；一退化电阻，其耦接于上述第一及第二金属氧化物半导体晶体管的源极；以及第三及第四金属氧化物半导体晶体管，其漏极分别耦接于上述第一及第二金属氧化物半导体晶体管的源极，其源极耦接至第一电源端，其栅极则接收第一偏压电压。
上述电流镜及缓冲电路包括第五及第六金属氧化物半导体晶体管，其栅极与第二偏压电压相连，其源极耦接第二电源端，其漏极与上述差动电流信号相连；第七及第八金属氧化物半导体晶体管，其栅极与一第三偏压电压相连，其源极分别耦接至上述第五及第六金属氧化物半导体晶体管的漏极；第九金属氧化物半导体晶体管，其漏极和栅极耦接至上述第七金属氧化物半导体晶体管的漏极，其源极耦接至第一电源端；以及第十金属氧化物半导体晶体管，其栅极耦接至上述第七金属氧化物半导体晶体管的漏极，其源极耦接至上述第一电源端，其漏极耦接至上述第八金属氧化物半导体晶体管的漏极并且提供上述单端电流信号。
上述转阻放大器包括第十一金属氧化物半导体晶体管，其栅极与上述单端电流信号相连，其源极耦接第二电源端；第十二金属氧化物半导体晶体管，其栅极耦接至上述第十一金属氧化物半导体晶体管的栅极，其源极耦接至第一电源端，其漏极耦接至上述第十一金属氧化物半导体晶体管的漏极，用以提供上述单端电压信号；以及一并联反馈电路，其耦接于上述第十一及第十二金属氧化物半导体晶体管的栅极和漏极之间。
本实用新型的目的还在于提供一种差动转单端转换器，其包括第一及第二电源端；第一及第二金属氧化物半导体晶体管，其栅极与一差动电压信号相连；一退化电阻，其耦接于上述第一及第二金属氧化物半导体晶体管的源极；以及第三及第四金属氧化物半导体晶体管，其漏极分别耦接于上述第一及第二金属氧化物半导体晶体管的源极，其源极耦接至上述第一电源端，其栅极则与第一偏压电压相连。
第五及第六金属氧化物半导体晶体管，其栅极与第二偏压电压相连，其源极耦接上述第二电源端，其漏极分别耦接上述第一及第二金属氧化物半导体晶体管的漏极；
第七及第八金属氧化物半导体晶体管，其栅极与第三偏压电压相连，其源极分别耦接至上述第一及第二金属氧化物半导体晶体管的漏极；第九及第十金属氧化物半导体晶体管，其漏极分别耦接至上述第七及第八金属氧化物半导体晶体管的漏极，其栅极耦接至上述第九金属氧化物半导体晶体管的漏极，其源极耦接至上述第一电源端；第十一金属氧化物半导体晶体管，其栅极耦接上述第十金属氧化物半导体晶体管的漏极，其源极耦接上述第二电源端；第十二金属氧化物半导体晶体管，其栅极耦接至上述第十金属氧化物半导体晶体管的漏极，其源极耦接至上述第一电源端，其漏极耦接至上述第十一金属氧化物半导体晶体管的漏极；以及一并联反馈电路，其耦接于上述第十一及第十二金属氧化物半导体晶体管的栅极和漏极之间；其中在上述第十一及第十二金属氧化物半导体晶体管的相连漏极则提供一单端输出信号。
上述第一及第二金属氧化物半导体晶体管，上述第三及第四金属氧化物半导体晶体管，上述第九及第十金属氧化物半导体晶体管以及第十二金属氧化物半导体晶体管为PMOS晶体管；上述第五及第六金属氧化物半导体晶体管，上述第七及第八金属氧化物半导体晶体管以及上述第金属氧化物半导体晶体管为NMOS晶体管。
上述差动转单端转换器的增益是由上述退化电阻与上述并联反馈电阻的电阻值比率所决定。
本实用新型相比现有技术具有如下优点本实用新型由一转导放大器、一电流镜及缓冲电路以及一转阻放大器所组成。其中一差动电压信号提供至转导放大器的输入端，并且转换成一差动电流信号。电流镜及缓冲电路则作为一差动转单端电流递送器(currentconveyer)，并且用以隔离前级的转导放大器以及后级的转阻放大器。最后，单端电流信号则送到转阻放大器的输入端，并且转换成单端电压信号。
而本实用新型差动转单端转换器的整体增益则是由退化电阻与并联反馈电阻的电阻值比率所决定，由于在半导体制程中要控制两个电阻间的电阻比例较为容易，因此此特性可以使得电路设计更为容易。
图1表示公知技术中使用运算放大器的差动转单端转换器的电路图。
图2表示公知技术中不使用运算放大器的差动转单端转换器的框图。
图3表示本实用新型实施例中差动转单端转换器的框图。
图4表示本实用新型实施例中差动转单端转换器的电路图。
图中标号说明如下1～差动转单端转换器；2～转导放大器；4～电流镜及缓冲电路；6～转阻放大器；10～运算放大器；22～缓冲器；24、26～电压/电流转换器；28～电流镜组件；30～直流位准设定器；32～电阻组件；Vin～差动电压信号；I1、I2～差动电流信号；I3～单端电流信号；Vout～单端电压信号。
具体的实施方式图3表示本实用新型实施例中差动转单端转换器1的框图。图3所示，差动转单端转换器1包括一转导放大器2、一电流镜及缓冲电路4以及一转阻放大器6。差动电压信号Vin则送到转导放大器2，用以将此差动电压信号Vin转换成一对应的差动电流信号I1、I2。接着，差动电流信号I1、I2则被送到电流镜及缓冲电路4的输入端。电流镜及缓冲电路4则是做为一差动转单端电流递送器，并且用以隔离转导放大器2以及转阻放大器6。电流镜及缓冲电路4处理后送出一单端电流信号I3，并且送至转阻放大器6，将此单端电流信号I3转换成单端输出电压信号Vout。
在本实用新型所揭露的转换方式中，是先将一差动电压信号转换成一对应的差动电流信号，再利用电流镜及缓冲电路4转成一单端电流信号，最后再转换成单端电压信号。在中间级的电流镜及缓冲电路4则可以采用折叠式电流镜架构(folded current mirror structure)加以实现，用以转换差动电流信号成为单端电流信号，并且隔离其前级(转导放大器2)及其后级(转阻放大器6)。
图4表示本实用新型实施例中差动转单端转换器1的电路图，然而此电路结构并非用以限定本实用新型，对于熟知此技艺者而言，本实用新型的差动转单端转换器亦可以由其它各种转导放大器、电流镜及缓冲电路及转阻放大器来实施。如图4所示，差动转单端转换器是由PMOS晶体管M1、M2、M3、M4、M9、M10和M12、NMOS晶体管M5、M6、M7、M8和M11、电阻Re以及电阻Rf。在图4所示的差动转单端转换器的组成及操作方式，则配合图3的内容详细说明如下。
PMOS晶体管M1、M2、M3及M4以及电阻Re构成一具有退化架构的转导放大器，其对应于图3中所示的转导放大器2。PMOS晶体管M1和M2的栅极接收差动电压信号Vin。PMOS晶体管M1和M2的源极则耦接于PMOS晶体管M3和M4的漏极。PMOS晶体管M3和M4的源极和栅极则分别耦接至电源端VDD以及偏压电压Vb1。另外，电阻Re则做为PMOS晶体管M1和M2的源极退化电阻，并且耦接于PMOS晶体管M1和M2的源极间。差动电流信号I1、I2则由PMOS晶体管M1和M2的漏极所提供。因此，由源极退化电阻Re的电阻值所决定的转导放大器2的转导值gm，可以表示成gm=gm1,m21+gm1,m2RE-----(1)]]>其中gm1，m2表示晶体管M1和M2的转导值，RE表示退化电阻Re的电阻值。
NMOS晶体管M5、M6、M7和M8以及PMOS晶体管M9和M10则构成图3所示的电流镜及缓冲电路4。NMOS晶体管M5和M6的栅极彼此相连，并且由偏压电压Vb2提供偏压。NMOS晶体管M5和M6的漏极和源极则分别耦接至PMOS晶体管M1和M2的漏极和接地端GND。另外，NMOS晶体管M7和M8的栅极彼此相连，并且由偏压电压Vb3提供偏压，而其源极同样也是耦接至PMOS晶体管M1和M2的漏极。NMOS晶体管M7和M8的漏极则分别耦接至PMOS晶体管M9和M10的漏极。PMOS晶体管M9和M10则做为一电流镜，其源极则耦接至电源端VDD。如图4所示，用以代表差动电流信号的电流I1和I2，分别送到NMOS晶体管M5和M7的接点以及NMOS晶体管M6和M8的接点。另外，用以代表单端电流信号的电流I3，则从NMOS晶体管M8和PMOS晶体管M10的接点，送到下一级。利用折叠式架构来实现电流镜及缓冲电路4可以增加电压振幅并且隔离相邻两级。如上所述，电流镜及缓冲电路的作用是来递送一差动电流信号I1、I2，成为一单端电流信号I3。
NMOS晶体管M11、PMOS晶体管M12以及电阻Rf则构成一并联反馈放大器电路，其对应于图3所示的转阻放大器6。NMOS晶体管M11和PMOS晶体管M12的栅极彼此相连，并且耦接至NMOS晶体管M8和PMOS晶体管M10的漏极接点。NMOS晶体管M11和PMOS晶体管M12的漏极亦彼此相连。NMOS晶体管M11和PMOS晶体管M12的源极则分别耦接至接地端GND和电源端VDD。电阻Rf则是并联反馈电阻，其耦接于NMOS晶体管M11和PMOS晶体管M12的栅极和漏极。单端电压信号Vout则是由NMOS晶体管M11和PMOS晶体管M12的漏极接点输出。由并联反馈电阻Rf的电阻值所决定的转阻放大器6的转阻值Rzi，可以表示为Rzi=RFgm11+m12RF1+gm11+m12RF----(2)]]>其中gm11+m12表示晶体管M11和M12的转导值和，并且RF表示并联反馈电阻Rf的电阻值。
根据公式(1)和(2)，差动转单端转换器的整体电压增益AV可以由下列方式推导AV=gmRzi]]>=gm1,m21+gm1,m2RE×RF×gm11+m12RF1+gm11+m12RF-----(3)]]>≅RFRE]]>在公式(3)中的近似成立条件是gm1，m2＞＞1并且gm11+m12＞＞1。选择正确的偏压电流可以使得gm1，m2和gm11+m12得到较大的数值，借此便可以满足其近似条件。在本实用新型的差动转单端转换器中，整体电压增益是由电阻Re和电阻Rf的电阻值比例所决定。因此，要获得准确比率的电压增益并不需使用到大电阻值的电阻，如此可以节省在集成电路实现上所需要的芯片空间。另外，即使是存在较大制程变异的情况下，仍然能够维持电压增益的准确度。
为了维持输入信号的特性，线性度(linearity)对于差动转单端转换器而言是相当重要的课题。在本实用新型的较佳实施例中，则是采用了负载电阻退化及并联反馈的技术来获得较佳的线性度。如上所述，输出摆幅可以利用退化电阻Re和并联反馈电阻Rf的电阻比率加以控制。这两个电阻可以随着不同的应用，利用被动组件或主动组件来实现。
最后，在本实施例中的差动转单端转换器中，由于采用了电流镜及缓冲电路来隔离其前后级，因此输入的共模电压与单端输出信号是无关的。在实际应用上，输出信号几乎完全由MOS晶体管M11和M12以及并联反馈电阻Rf所控制，不需要考虑到输入共模电压的改变。
虽然本实用新型已以一较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型，任何熟习此技艺者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰。例如，电流镜及缓冲电路可以被分开成一电流镜电路及一电流缓冲电路，并且差动转单端转换器中的各组件间可以整合在一起，或是分开设计。因此本实用新型的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。
权利要求1.一种差动转单端转换器，其包括一转导放大器，与一差动电压信号相连，并且将上述差动电压信号转换成差动电流信号，其中上述转导放大器具有一退化电阻；一电流镜及缓冲电路，耦接至上述转导放大器，用以传递上述差动电流信号为一单端电流信号；以及一转阻放大器，耦接至上述电流镜及缓冲电路，用以接收上述单端电流信号并且将上述单端电流信号转换成单端电压信号，其中上述转阻放大器具有一并联反馈电阻。
2.如权利要求1所述的差动转单端转换器，其特征在于上述差动转单端转换器的增益由上述退化电阻与上述并联反馈电阻的电阻值所决定。
3.如权利要求1所述的差动转单端转换器，其特征在于上述转导放大器包括第一及第二金属氧化物半导体晶体管，其栅极与上述差动电压信号相连，其漏极输出上述差动电流信号；一退化电阻，其耦接于上述第一及第二金属氧化物半导体晶体管的源极；以及第三及第四金属氧化物半导体晶体管，其漏极分别耦接于上述第一及第二金属氧化物半导体晶体管的源极，其源极耦接至第一电源端，其栅极则接收第一偏压电压。
4.如权利要求1所述的差动转单端转换器，其特征在于上述电流镜及缓冲电路包括第五及第六金属氧化物半导体晶体管，其栅极与第二偏压电压相连，其源极耦接第二电源端，其漏极与上述差动电流信号相连；第七及第八金属氧化物半导体晶体管，其栅极与一第三偏压电压相连，其源极分别耦接至上述第五及第六金属氧化物半导体晶体管的漏极；第九金属氧化物半导体晶体管，其漏极和栅极耦接至上述第七金属氧化物半导体晶体管的漏极，其源极耦接至第一电源端；以及第十金属氧化物半导体晶体管，其栅极耦接至上述第七金属氧化物半导体晶体管的漏极，其源极耦接至上述第一电源端，其漏极耦接至上述第八金属氧化物半导体晶体管的漏极并且提供上述单端电流信号。
5.如权利要求1所述的差动转单端转换器，其特征在于上述转阻放大器包括第十一金属氧化物半导体晶体管，其栅极与上述单端电流信号相连，其源极耦接第二电源端；第十二金属氧化物半导体晶体管，其栅极耦接至上述第十一金属氧化物半导体晶体管的栅极，其源极耦接至第一电源端，其漏极耦接至上述第十一金属氧化物半导体晶体管的漏极，用以提供上述单端电压信号；以及一并联反馈电路，其耦接于上述第十一及第十二金属氧化物半导体晶体管的栅极和漏极之间。
6.一种差动转单端转换器，其包括第一及第二电源端；第一及第二金属氧化物半导体晶体管，其栅极与一差动电压信号相连；一退化电阻，其耦接于上述第一及第二金属氧化物半导体晶体管的源极；以及第三及第四金属氧化物半导体晶体管，其漏极分别耦接于上述第一及第二金属氧化物半导体晶体管的源极，其源极耦接至上述第一电源端，其栅极则与第一偏压电压相连。第五及第六金属氧化物半导体晶体管，其栅极与第二偏压电压相连，其源极耦接上述第二电源端，其漏极分别耦接上述第一及第二金属氧化物半导体晶体管的漏极；第七及第八金属氧化物半导体晶体管，其栅极与第三偏压电压相连，其源极分别耦接至上述第一及第二金属氧化物半导体晶体管的漏极；第九及第十金属氧化物半导体晶体管，其漏极分别耦接至上述第七及第八金属氧化物半导体晶体管的漏极，其栅极耦接至上述第九金属氧化物半导体晶体管的漏极，其源极耦接至上述第一电源端；第十一金属氧化物半导体晶体管，其栅极耦接上述第十金属氧化物半导体晶体管的漏极，其源极耦接上述第二电源端；第十二金属氧化物半导体晶体管，其栅极耦接至上述第十金属氧化物半导体晶体管的漏极，其源极耦接至上述第一电源端，其漏极耦接至上述第十一金属氧化物半导体晶体管的漏极；以及一并联反馈电路，其耦接于上述第十一及第十二金属氧化物半导体晶体管的栅极和漏极之间；其中在上述第十一及第十二金属氧化物半导体晶体管的相连漏极则提供一单端输出信号。
7.如权利要求6所述的差动转单端转换器，其特征在于上述第一及第二金属氧化物半导体晶体管，上述第三及第四金属氧化物半导体晶体管，上述第九及第十金属氧化物半导体晶体管以及第十二金属氧化物半导体晶体管为PMOS晶体管；上述第五及第六金属氧化物半导体晶体管，上述第七及第八金属氧化物半导体晶体管以及上述第金属氧化物半导体晶体管为NMOS晶体管。
8.如权利要求6所述的差动转单端转换器，其特征在于上述差动转单端转换器的增益是由上述退化电阻与上述并联反馈电阻的电阻值比率所决定。
专利摘要本实用新型涉及一种高速差动转单端转换器，其由转导放大器、电流镜及缓冲电路以及转阻放大器所组成；其中差动电压信号被送到转导放大器的输入端，并且转换成一差动电流信号；电流镜及缓冲电路则做为一差动转单端电流递送器，并且用以隔离转导放大器和后级的转阻放大器。最后，单端电流信号被送到转阻放大器的输入端，并且转换成一单端电压信号。
文档编号H03K3/45GK2632940SQ0324402
公开日2004年8月11日 申请日期2003年4月10日 优先权日2003年4月10日
发明者陈宜惠, 黄柏钧 申请人:集程通讯科技股份有限公司