宽带数字单一到差分转换器及其形成方法

专利名称：宽带数字单一到差分转换器及其形成方法
技术领域：
本发明一般涉及用于单一到差分(single-to-differential)转 换的装置和方法，并且更具体地涉及用于实现好的相位噪声性能的宽 带数字单一到差分转换器。
背景技术：
差分信号传送是通过一对电线发送信号的方法，用于通过抑 制共模干扰来减少电气连接上的噪声。 一般地，差分信号传送基于第 一电线承载第一信号而第二电线承载与第一信号反相的第二信号的概 念。因此，第一和第二电线的电压的和始终是常数。典型地，第一和 第二电线彼此接近以便它们经受相同的干扰。—般地，在集成模拟电路中优选完全差分信号路径，特别是 在高频应用中。利用完全差分信号路径有益的一个原因是其众所周知 的特性即对共模干扰的抗扰性、对寄生耦合的抑制以及增加的动态 范围。通常，必须将单信号转换为差分信号以获得这些益处。这可以 通过使用单一到差分类型转换器来完成。参考图1， 一般地用10示出了用于单一到差分转换器的现 有技术电路图。该单一到差分转换器IO具有第一级， 一般地用12指 示，以及第二级， 一般地用14指示。单端电压信号K施加在第一级12 的输入。差分电压信号& ,由第一级12输出，并由第二级14接收。由 于第一级12的差分信号路径引起的不对称的效果在第二级14得到补 偿。然而，基准电流源/^对于电源的噪声敏感，并且/《,的尾电
6流的变化将增加时间延迟抖动，其造成相位噪声性能的下降。单一到 差分转换器10的带宽能够随着较高静态电流而增加。给定静态电流增
益的最大化需要晶体管器件(M1和M2)的长径比的增加和/或负载电 阻^的增加。然而，Ml和M2的长径比的增加导致输出电容的增加， 这造成第一级12较低的频率响应性能。更进一步，较大的负载电阻^ 由于其上高的电压降而降低输出摆动。此外；单一到差分转换器10利 用差分对跨导放大器造成在这种设计中实现宽带性能的困难。因此， 在单一到差分转换器IO中存在增益、带宽、相位噪声以及电流消耗之 间的折衷。软件定义无线电(SDR)体系结构一般需要从几百兆赫兹到 几千兆赫兹的宽带支持，其具有严格的相位噪声性能偏移，电源消耗 可与单窄带体系结构相比。如在此所述，单一到差分转换器IO典型地
不能够在上述条件下操作。因此，存在开发单一到差分级的需要，其 具有大的带宽范围并且实现期望的相位噪声性能情况下的低功率消 耗。


附图用于进一步说明各种实施例以及解释全部根据本发明 的各种原理和益处，在这里，贯穿单独的视图，类似的附图标记指相 同或者功能相似的元件，并且附图与下面详细的描述被并入说明书并 形成说明书的一部分。图1是现有技术单一到差分转换器的电路图。
图2是说明根据本发明实施例的单一到差分转换器的框图。 [OOIO]图3是说明根据本发明实施例的单一到差分转换方法的示 例的流程图。本领域技术人员将理解的是为了简明和清晰来说明附图中 的元件，而不必按比例绘制这些元件。例如，附图中一些元件的尺寸
7可以相对于其它元件放大，从而有助于提高对本发明实施例的理解。
具体实施例方式在详细描述根据本发明的实施例之前，应当注意的是实施例 主要在于与单一到差分转换相关的方法步骤和装置组件的组合。从而， 在附图中通过常规的符号适当地描述了装置组件和方法步骤，仅示出 那些与理解本发明实施例相关的特定细节，以免那些对于具有这里所 描述的益处的本领域技术人员来说显而易见的细节混淆本发明。在本文中，诸如第一和第二、顶部和底部等关系术语可以仅 用来将一个实体或者动作区分于另一实体或者动作，而不必要求或者 暗示任何这些实体或者动作之间的实际这种关系或者顺序。术语"包括" 或者其任何其它变形旨在覆盖非排他的内含物，使得包括一系列元件 的过程、方法、物品或者装置，不仅仅包括这些元件，还可以包括其 它未明确列出或者这些过程、方法、物品或者装置所固有的其他元件。 在没有更多约束的情况下，跟随着"包括…一"的元件不排除在包括该元 件的过程、方法、物品或者装置中其他相同元件的存在。将被理解的是，在此描述的本发明的实施例可以由一个或多 个常规处理器和唯一存储的程序指令组成，该程序指令控制一个或多 个处理器与特定的非处理器电路结合来实现此处所描述的单一到差分 转换器的一些、大部分或者所有功能。非处理器电路可以包括，但不 限于，无线电接收器、无线电发射器、信号驱动器、时钟电路、电源 电路以及用户输入设备。同样，这些功能可以被理解为执行单一到差 分转换的方法步骤。可选地， 一些或者所有功能可以由不具有存储的 程序指令的状态机实现，或者在一个或多个专用集成电路(ASIC)中 实现，其中每个功能或者功能的一些特定组合可以被实现为定制逻辑。 当然，可以使用两种方法的组合。因此，在此描述了用于这些功能的 方法和装置。更进一步，可以预料的是， 一个普通技术人员，尽管可 能由例如可用时间、当前技术以及经济考虑等激励而做出巨大努力并且得出多种设计选择，但当由本发明揭示的概念和原理指导时，很容 易能够通过最小的实验生成这样的软件指令以及程序和IC。参考图2，示出根据本发明实施例的单一到差分转换器20 的框图。单一到差分转换器20包括单一到差分级，通常用22指示， 相位平衡级(phase balancing stage)通常用24指示，并且缓冲器级通 常用26指示。单一到差分级20将单输入信号J^转换为第一输出信号p; 和第二输出信号^。第一输出信号r"和第二输出信号^彼此对应，使 得第二输出信号^与第一输出信号K反相。相位平衡级24电气连接到单一到差分级22。相位平衡级24
接收并平衡第一输出信号和第二输出信号K、 p;的相位，并且输出第
一平衡输出信号r+和第二平衡输出信号r一。第一平衡输出信号和第二 平衡输出信号K、 r一是相对应的，使得第二平衡输出信号K与第一平 衡输出信号r+反相。缓冲器级26电气连接到相位平衡级24。缓冲器级26将第 一平衡输出信号和第二平衡输出信号K+、 K整形至预定形状，例如但 不限于，方波。典型地，缓冲器级26用于再整形第一平衡输出信号和 第二平衡输出信号K、匸，并且输出第一整形及平衡输出信号^ ,+ 。第 二整形及平衡输出信号^ ,_与第一整形及平衡输出信号)^,+相对应，使 得第二整形及平衡输出信号r。u,-与第一整形及平衡输出信号f^+反相。单一到差分级22包括反相器28、非反相放大器30以及背 对背(back-to-back)反相器32。反相器28和非反相放大器30接收单 输入信号^t 。反相器28和非反相放大器30分别生成输入时钟信号的 反相以及非反相复制。典型地，输入时钟信号^^的非反相复制具有差 的轨对轨(rail-to-mil)性能。背对背反相器32用于推进输入时钟信号 P"的非反相复制&以获得轨对轨摆幅。因此，相位平衡级24输出第 --输出信号和第二输出信号K、 ^，它们是非对称的并且不是平衡的。
相位平衡级24包括弱驱动(weak-drive)反相器34、弱驱 动非反相放大器36、强驱动(strong-drive)反相器38以及强驱动非反 相放大器40。典型地，第一输出信号&比第二输出信号F/决。因此， 第一输出信号K连接到弱驱动反相器34和弱驱动非反相放大器36。较 慢的第二输出信号^连接到强驱动反相器38和强驱动非反相放大器 40。弱驱动反相器34和强驱动非反相放大器40输出第一平衡输出信 号K+。此外，弱驱动非反相放大器36接收第一输出信号r"并且强驱动 反相器38接收第二输出信号^。弱驱动非反相放大器36和强驱动反 相器38输出第二平衡输出信号r一。相位平衡级24的第一平衡输出信 号和第二平衡输出信号p;、 是对称且平衡的，并且因此，产生相同 的驱动性。典型地，为了平衡第一平衡输出信号和第二平衡输出信号 r+、 ，预先确定非反相放大器36、 40和反相器34、 38的长径比。缓冲器级26包括第一反相器42和第二反相器44。第一反 相器42从相位平衡级24接收第一平衡输出信号r+。第二反相器44从 相位平衡级24接收第二平衡输出信号K。第一反相器42和第二反相 器44再整形第一平衡输出信号r+和第二平衡输出信号K的波形。第一 反相器42输出第一平衡及整形输出信号^ ,_ 。第二反相器44输出第二
平衡及整形输出信号。第一和第二平衡及整形输出信号r。 ,—、 是 相对应的，使得「，与输出信号已 ,+反相。典型地，第一和第二平衡及 整形输出信号7。 卜、r(吣被再整形为方波。通过解释而非限制的方式，以上所有反相器28、 34、 38、 42、 44和非反相放大器30、 36、 40可以是互补金属氧化物半导体 (CMOS)门。由于电源电压可以通过CMOS处理技术按比例降低，通 过利用CMOS数字门，单一到差分转换器20可以容易地与其它电路互 换。然而，本领域技术人员将意识到可以使用其它适合的反相器或者 非反相放大器。
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通过解释而非限制的方式，由于单一到差分转换器20与跨 导放大器转换器相比较小的电流消耗，单一到差分转换器20可以用在 软件定义无线电(SDR)体系结构中，其中，为了实现相位噪声性能跨 导放大器转换器需要大的尾电流。此外，单一到差分转换器20具有期 望的SDR体系结构操作特性，诸如，但不限于，非常好的占空比以及 差分相位移位误差。而且，单一到差分转换器20可以实现使用大约1.8V 电源电压消耗大约3.2mW电能，在1MHz偏移处近似-155dBc/Hz的严 格相位噪声性能。进一步地，单一到差分转换器20具有从几兆赫兹到 几千兆赫兹的宽带设计。典型地，单一到差分转换器20的操作频率上 限由所使用的特殊处理技术中的设备的截止频率限定，诸如，但不限 于SDR体系结构等。参考图2和3，用于信号的单一到差分转换的方法通常用50 指示。方法50在步骤52开始并且进行到步骤54，在此单信号在单一 到差分级22被转换为差分信号。因此，单一到差分级20输出第一输 出信号和第二输出信号^、 &，在此第二输出信号^具有差的轨对轨 性能。接下来，在步骤56，输出信号p;被推至轨对轨。随后，方法50进行到步骤58，在此第一输出信号和第二输 出信号^、 ^的相位由相位平衡级24平衡。此外，这产生第一输出信 号和第二输出信号^、 ^的相同的驱动性。相位平衡级24输出第一平 衡输出信号和第二平衡输出信号r+、 K。接下来，在步骤60差分信号的波形由缓冲器级26再整形。 方法50在步骤62结束。通过解释而非限制的方式，方法50可以生成 近似-155dBc/Hz的可接受的相位噪声性能。依靠所使用的处理技术， 方法50还能够提供从几兆赫兹到几千兆赫兹的带宽。处理技术越小， 操作频率上限越高。例如，且决不是限制，由方法50提供的带宽在0.18 微米(/mi) CMOS处理技术中范围近似为100MHz到3GHz。
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因此，本发明针对单一到差分转换器20，其包括用于将单输入信号f^转换为第一和第二对应输出信号r"、 p;的单一到差分级 22。相位平衡级24接收和平衡输出信号巳、^的相位，巳、p;随后去往与相位平衡级24 —起使用的缓冲器级26，该相位平衡级24用于整 形平衡输出信号r+、 K和输出第一和第二平衡及整形输出^,+ 、乙,, 。 由于本发明在提供低相位噪声和电耗的CMOS中容易实现，因此是有益的。
在上述说明书中，描述了本发明的特定实施例。然而，本领 域普通技术人员意识到在不脱离所附权利要求所阐述的本发明范围的 前提下可以进行各种修改和改变。从而，说明书和附图被认为是示例 性的而非限制性的，并且所有这些修改将认为被包括在本发明范围内。 益处、优点、问题的解决方案以及任何可以导致益处、优点或者解决 方案出现或者变得明显的元素不被解释为任何或者所有权利要求的关 键的、要求的或者本质的特征或者元素。本发明仅被所附的权利要求 所限定，其包括在该申请的未决期间所作的任何修改以及所公布的这 些权利要求的所有等价物。
权利要求
1.一种单一到差分转换器，包括单一到差分级，所述单一到差分级将单输入信号转换为第一输出信号和第二输出信号，其中所述第一输出信号和第二输出信号彼此相对应；电气连接到所述单一到差分级的相位平衡级，其中所述相位平衡级接收和平衡所述第一输出信号和第二输出信号的相位，并且输出对应的第一平衡输出信号和第二平衡输出信号；以及电气连接到所述相位平衡级的缓冲器级，用于整形所述第一平衡输出信号和第二平衡输出信号。
2. 如权利要求l所述的转换器，其中所述单一到差分级包括反相器、非反相放大器以及背对背反相器，其中所述反相器和所述非反相放大器接收所述单输入信号。
3. 如权利要求2所述的转换器，其中所述反相器和所述背对背反相器输出所述第一输出信号。
4. 如权利要求2所述的转换器，其中所述非反相放大器和所述背对背反相器输出所述第二输出信号。
5. 如权利要求l所述的转换器，其中所述相位平衡级包括电气连接到强驱动非反相放大器的弱驱动反相器；以及，电气连接到强驱动反相器的弱驱动非反相放大器。
6. 如权利要求5所述的转换器，其中所述弱驱动反相器接收所述第一输出信号，并且所述强驱动非反相放大器接收所述第二输出信号，以及所述弱驱动反相器和所述强驱动非反相放大器输出所述第一平衡输出信号。
7. 如权利要求5所述的转换器，其中所述弱驱动非反相放大器接收所述第一输出信号，并且所述强驱动反相器接收所述第二输出信号，以及所述弱驱动非反相放大器和所述强驱动反相器输出所述第二平衡输出信号。
8. 如权利要求1所述的转换器，其中所述缓冲器级包括第一反相器和第二反相器，其中所述第一反相器从所述相位平衡级接收所述第一平衡输出信号，以及所述第二反相器从所述相位平衡级接收所述第二平衡输出信号。
9. 一种单一到差分转换器，包括单一到差分级，所述单一到差分级至少包括反相器、非反相放大器以及背对背反相器，其中所述反相器和所述非反相放大器接收单输入信号，并且所述单一到差分级将所述单输入信号转换为对应的第一输出信号和第二输出信号；电气连接到所述单一到差分级的相位平衡级，所述相位平衡级至少包括电气连接到强驱动非反相放大器的弱驱动反相器以及电气连接到强驱动反相器的弱驱动非反相放大器，其中所述相位平衡级接收和平衡所述第一输出信号和第二输出信号，并且输出对应的第一平衡输出信号和第二平衡输出信号；以及缓冲器级，所述缓冲器级至少包括第一反相器和第二反相器，所述缓冲器级用于整形所述第一平衡输出信号和第二平衡输出信号，其中所述缓冲器级电气连接到所述相位平衡级。
10. 如权利要求9所述的转换器，其中所述单一到差分级的所述反相器和所述背对背反相器输出所述第一输出信号。
11. 如权利要求9所述的转换器，其中所述单一到差分级的所述非反相放大器和所述背对背反相器输出所述第二输出信号。
12. 如权利要求9所述的转换器，其中所述弱驱动反相器接收所述第一输出信号，并且所述强驱动非反相放大器接收所述第二输出信号，以及所述弱驱动反相器和所述强驱动非反相放大器输出所述第一平衡输出信号。
13. 如权利要求9所述的转换器，其中所述弱驱动非反相放大器接收所述第一输出信号，并且所述强驱动反相器接收所述第二输出信号，以及所述弱驱动非反相放大器和所述强驱动反相器输出所述第二平衡输出信号。
14. 如权利要求9所述的转换器，其中所述缓冲器级的所述第一反相器接收所述第一平衡输出信号，以及所述缓冲器级的所述第二反相器接收所述第二平衡输出信号。
15. 如权利要求9所述的转换器，其中所有的所述反相器和所述非反相放大器均是CMOS门。
16. —种用于信号的单一到差分转换的方法，所述方法包括下述步骤将单输入信号转换为差分信号，其中所述差分信号至少具有彼此相对应的第一信号和第二信号；平衡所述差分信号的相位，使得所述第一信号与所述第二信号对称；以及再整形所述差分信号的所述第一信号和所述第二信号的波形。
17. 如权利要求16所述的方法，进一步包括以下步骤当将所述单输入信号转换为差分信号时，将所述差分信号中的一个推至轨对轨。
18. 如权利要求16所述的方法，进一步包括以下步骤当平衡所述差分信号的相位时，产生所述差分信号的相同驱动性。
19. 如权利要求16所述的方法，进一步包括以下步骤提供在大约1MHz偏移处的近似于-155dBc/Hz的相位噪声性能。
20. 如权利要求16所述的方法，进一步包括以下步骤提供范围大约为100MHz到3GHz的带宽。
全文摘要
一种用于单一到差分转换的方法和装置，包括单一到差分级(22)、相位平衡级(24)和缓冲器级(26)。单一到差分级(22)将单输入信号(Vclk)转换为第一输出信号和第二输出信号(Vn、Vp)，其中该第一输出信号和第二输出信号(Vn、Vp)彼此相对应。相位平衡级(24)电气连接到单一到差分级(22)，平衡和接收第一输出信号和第二输出信号(Vn、Vp)，并且输出第一平衡输出信号和第二平衡输出信号(V+、V-)。缓冲器级(26)电气连接到相位平衡级(24)，用于整形第一平衡输出信号和第二平衡输出信号(V+、V-)。单一到差分转换器(20)可在相当大的带宽上操作并且实现低电源消耗和好的相位噪声性能。
文档编号H03F3/45GK101636903SQ200880007285
公开日2010年1月27日 申请日期2008年2月21日 优先权日2007年3月7日
发明者蔼音婉 申请人:摩托罗拉公司