專利名稱：運(yùn)算放大器的噪聲降低方案的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及差分信號結(jié)構(gòu)中運(yùn)算放大器(op amp)的使用。更具體地說，本發(fā)明提供可以增強(qiáng)產(chǎn)生差分信號的運(yùn)算放大器的性能的技術(shù)。
在模擬集成電路中，通常以差分形式處理電信號，即每個(gè)信號都有幅度相同和相位相反的成對信號。使用差分結(jié)構(gòu)出于許多原因，包括諸如差分結(jié)構(gòu)顯示出明顯好于單端設(shè)計(jì)的電源供給噪聲抑制。運(yùn)算放大器是差分系統(tǒng)中最常用的電路元件。

圖1示出差分設(shè)計(jì)中常用的運(yùn)算放大器電路。
圖1示出用于把輸入的單端信號Vin變換為表示為V+和V-的差分信號的電路100。這樣的電路是常見的，諸如，帶有差分結(jié)構(gòu)的集成電路嵌入在較大系統(tǒng)中，其中該系統(tǒng)必須與單端信號接口。單端信號到差分信號的轉(zhuǎn)換包括使用第一運(yùn)算放大器1作為輸入緩沖器，使用第二運(yùn)算放大器產(chǎn)生Vin的反相信號。原始的同相信號(V-)和反相信號(V+)都被送入后面的差分電路(諸如運(yùn)算放大器3)中。運(yùn)算放大器1提供的緩沖為后面的電路提供了低阻信號。雖然這是理想的，但是它不可能不付出代價(jià)。那就是，增加一級放大會(huì)增加噪聲、失真、偏移和可能其它不希望的結(jié)果。
如圖1所示，參考運(yùn)算放大器1，對于在此描述的每一個(gè)圖中的運(yùn)算放大器，假設(shè)每一個(gè)運(yùn)算放大器相關(guān)的噪聲電壓被建模為一個(gè)有關(guān)輸入的噪聲電壓源Vn。特定運(yùn)算放大器的有關(guān)輸入的噪聲源可以用參考數(shù)字下標(biāo)標(biāo)識。也就是說，運(yùn)算放大器1的噪聲源可以表示為Vn1。噪聲值由平方噪聲電壓給出，例如Vn12。將會(huì)理解，假設(shè)噪聲源是不相關(guān)的，按平方和的方根來計(jì)算這些噪聲電壓的加權(quán)和。將會(huì)理解，通過電阻值R2對電阻值R1的比值來設(shè)置輸入增益。電阻R3和電阻R4的電阻值相等以保證V+和V-幅值相等及相位相反。運(yùn)算放大器3和電阻R5至R8表示差分電路，它可能跟在單端到差分轉(zhuǎn)換的后面，但這里不做進(jìn)一步討論。感興趣的關(guān)鍵參數(shù)是表示為差分電路等效輸入的噪聲電壓，即Vdif＝(V+)－(V-)。
V-端的噪聲電壓表達(dá)式為Vn2(V-)＝Vn12(1＋R2/R1) (1)V+端的噪聲電壓表達(dá)式為Vn2(V+)＝Vn22(1＋R4/R3)－Vn12(1＋R2/R1)(R4/R3)(2)因?yàn)镽3＝R4，因而Vn2(V+)＝2Vn22－Vn12(1＋R2/R1)(3)在運(yùn)算放大器3輸入端的噪聲可以表示如下Vndiff2＝Vn2(V+)－Vn2(V-) (4)＝2Vn22－Vn12(1＋R2/R1)－Vn12(1＋R2/R1) (5)＝2Vn22－2Vn12(1＋R2/R1) (6)可見，運(yùn)算放大器1的非反相增益配置放大了輸入緩沖放大器的噪聲電壓Vn12并把它施加到差分電路V-的輸入端。這一相同的放大器噪聲電壓還被反相并被施加到差分電路V+的輸入端。因此，運(yùn)算放大器1和運(yùn)算放大器2實(shí)際上都放大了Vn12。為了減少運(yùn)算放大器的噪聲影響，在運(yùn)算放大器1的位置需要特別低噪聲的運(yùn)算放大器。將會(huì)理解，在錢和硅方面，低噪聲放大器都是昂貴的。
因而希望提供一種可以改善差分結(jié)構(gòu)中運(yùn)算放大器噪聲性能的技術(shù)。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明，提供了一種顯著提高差分結(jié)構(gòu)中的運(yùn)算放大器性能的技術(shù)。根據(jù)所述各種實(shí)施例，配置第一和第二運(yùn)算放大器以產(chǎn)生差分信號，第一運(yùn)算放大器產(chǎn)生差分信號的一端，第二運(yùn)算放大器產(chǎn)生另一端。可以配置運(yùn)算放大器使它接收單端信號并將其轉(zhuǎn)換為差分信號。根據(jù)單端到差分的應(yīng)用，可以配置為反相的或非反相的運(yùn)算放大器。還可以在“偽”差分布置中配置運(yùn)算放大器，其中每個(gè)op amp接收半個(gè)差分信號、并對其進(jìn)行緩沖和/或放大以產(chǎn)生差分輸出信號。在每個(gè)配置中，運(yùn)算放大器其中之一的反相輸入端耦合到另一個(gè)運(yùn)算放大器的非反相輸入端。也就是說，不是把第二運(yùn)算放大器的非反相輸入端偏置到地或恒定偏置電壓，它被連接到其伴隨裝置的信號輸入端。根據(jù)具體的實(shí)施例，根據(jù)不同的應(yīng)用，提供多個(gè)開關(guān)，這些開關(guān)改變兩個(gè)運(yùn)算放大器不同的配置。
下面將要詳細(xì)描述，該配置的作用是第一運(yùn)算放大器的有關(guān)輸入的噪聲的顯著成分在差分輸出端表示為共模信號，因此例如其它放大器的下游設(shè)備可以消除該成分，這些設(shè)備可能擁有良好的共模抑制。事實(shí)上，噪聲改善并非本發(fā)明得到的唯一優(yōu)點(diǎn)。也就是說，如下所述，建模為有關(guān)輸入的電壓源的任何異常的運(yùn)算放大器情況的有害影響，例如失真，也可以被此處所述的技術(shù)消除。
因而，本發(fā)明提供了用于產(chǎn)生差分信號的方法和裝置。第一運(yùn)算放大器的輸出端對應(yīng)于差分信號的一端。第二運(yùn)算放大器的輸出端對應(yīng)于差分信號的另一端。第一運(yùn)算放大器的反相輸入端耦合到第二運(yùn)算放大器的非反相輸入端。
參考說明書的剩下部份和附圖可以進(jìn)一步理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)。
附圖簡述圖1是把單端信號轉(zhuǎn)換為差分信號的電路的簡化示意圖；圖2是本發(fā)明的具體實(shí)施例的簡化示意圖；圖3是緩沖和/或放大差分信號的電路的簡化示意圖；圖4是本發(fā)明的另一個(gè)具體實(shí)施例簡化示意圖；和圖5是本發(fā)明的又一個(gè)具體實(shí)施例的詳細(xì)示意圖。
具體實(shí)施例的詳細(xì)說明圖2是根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例設(shè)計(jì)的用于將單端信號轉(zhuǎn)換為差分信號的電路200的簡化示意圖。不是如圖1所示把運(yùn)算放大器2的非反相輸入端接地，而是把運(yùn)算放大器的非反相輸入端連接到運(yùn)算放大器1的反相輸入端。
計(jì)算該配置的電路噪聲，我們得到Vn2(V-)＝Vn12(1＋R2’/R1’) (7)可見，圖1所示電路中的該項(xiàng)保持不變，見等式(1)。但是，Vn2(V+)＝Vn22(1＋R4’/R3’)-Vn12(1＋R2’/R1’)(R(4’/R3’)＋Vn12(1＋R4’/R3’) (8)并且， 因?yàn)镽3＝R4， 因而Vn2(V+)＝2Vn22－Vn12(1＋R2’/R1’)＋2Vn12(9)Vndiff2＝Vn2(V+)－Vn2(V-) (10)＝2Vn22－Vn12(1＋R2’/R1’)＋2Vn12－Vn12(1＋R2’/R1’) (11)＝2Vn22－2Vn12(1＋R2’/R1’)＋2Vn12(12)＝2Vn22－2Vn12(R2’/R1’) (13)可見，電路200的Vndiff2比電路100的Vndiff2小2Vn12。而且，當(dāng)R2’/R1’，比值減小時(shí)，由Vn1，即運(yùn)算放大器1的有關(guān)輸入的噪聲引起的剩余的噪聲影響也會(huì)減小，實(shí)際上由系統(tǒng)而定，所述剩余的噪聲影響相對于Vn2的影響可以忽略不計(jì)。例如，如果Vin由傳統(tǒng)的+15/-15音頻運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)，圖2的電路是+5V電路，則R2’/R1’要小到使大的30Vpp信號能限制在5Vpp內(nèi)。在這樣一個(gè)系統(tǒng)中，R2’/R1’約等于1/6，運(yùn)算放大器1的剩余噪聲影響將非常小。
當(dāng)有關(guān)輸入的噪聲電壓源Vn1被可以建模為有關(guān)輸入的電壓源的其它異常情況，例如偏移和失真所替代時(shí)，可以看到該配置的其它優(yōu)點(diǎn)。對于這種替代，上述分析仍然正確，并且運(yùn)算放大器1的其它異常的有害影響也被減小。電路設(shè)計(jì)者使用它可以獲得實(shí)質(zhì)性的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槭褂帽景l(fā)明，可以放松運(yùn)算放大器1的噪聲、失真、偏移等要求，允許用一個(gè)更小、更便宜、更低功率的運(yùn)算放大器替代它而不損害整個(gè)系統(tǒng)的性能。另一方面，可以在不放松對運(yùn)算放大器1的性能要求的情況下使用本發(fā)明，以便基本上免費(fèi)地增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的性能。
現(xiàn)在參考圖3和圖4介紹本發(fā)明的另一實(shí)施例。圖3示出用于緩沖和/或放大由Vin+和Vin-表示的已有差分信號的電路300。輸入信號通過兩個(gè)增益分別配置為R12/R11和R14/R13的獨(dú)立運(yùn)算放大器，即運(yùn)算放大器4和運(yùn)算放大器5。它們的輸出一起組成放大的差分信號，該差分信號通過表示任何一般差分接收電路的一般差分放大器單元202。
在這種情況下，運(yùn)算放大器4和運(yùn)算放大器5兩個(gè)放大器的噪聲影響是Vn2(V-)＝Vn42(1＋R12/R11) (14)Vn2(V+)＝Vn52(1＋R14/R13) (15)Vndiff2＝Vn2(V+)－Vn2(V-)＝Vn52(1＋R14/R13)－Vn42(1＋R12/R11)(16)比較圖1的電路100，運(yùn)算放大器4和運(yùn)算放大器5都有明顯的噪聲影響。
圖4是根據(jù)本發(fā)明另一具體實(shí)施例的用于緩沖和/或放大已有差分信號的電路400的簡化示意圖。和圖3所示不同，運(yùn)算放大器5’的非反相輸入端不是接地，而是連接到運(yùn)算放大器4’的反相輸入端。圖4配置的噪聲總和為Vn2(V-)＝Vn4’2(1＋R12’/R11’) (17)可見，與圖3相比該項(xiàng)沒有變化(見等式(14))。但是，Vn2(V+)＝Vn5’2(1＋R14’/R13’)＋Vn4’2(1＋R13’/R14’) (18)Vndiff2＝Vn2(V+)－Vn2(V-)＝Vn5’2(1＋R14’/R13’)+Vn4’2(1＋R13’/R14’)－Vn4’2(1＋R12’/R11’) (19)
對于實(shí)際的差分對稱，R14’/R13’＝R12’/R11’， 因而Vndiff2＝Vn2(V+)－Vn2(V-)＝Vn5’2(1＋R14’/R13’) (20)可見，重新配置使運(yùn)算放大器4’的噪聲影響消失。如果Vn4’2和Vn5’2不相關(guān)的，該(偽)差分放大級的噪聲影響可以減少3dB。此外，在上述單端到差分轉(zhuǎn)換電路的情況下，任何可以建模為有關(guān)輸入的電壓源的運(yùn)算放大器1中的不理想也會(huì)消失。
圖5是本發(fā)明又一個(gè)具體實(shí)施例的詳細(xì)示意圖。電路500采用左邊和右邊的運(yùn)算放大器502和504，根據(jù)它們的配置，電路500可以按三種模式運(yùn)作。這三種模式是(1)偽差分放大；(2)非反相單端到差分變換；和(3)反相單端到差分變換。
在正常運(yùn)算中，MUTE輸入端口處于邏輯0狀態(tài)，CAL_ONB輸入端口處于邏輯1狀態(tài)?！癱ompress_in”輸入端口不是本發(fā)明的部件并假設(shè)為OV。標(biāo)明為“spltmux2_esd”的電路單元是cmos選通門。進(jìn)行小信號分析時(shí)，V、G和S端可以忽略，當(dāng)它們的“ent1”輸入端處于邏輯1時(shí)，使“t1”端口和“t0”端口之間導(dǎo)通，而處于邏輯0時(shí)，使“t1”端口和“t0”端口之間開路。VCM是共模偏置電壓，本例中取值為2.4V。INP是每個(gè)運(yùn)算放大器的非反相輸入端，INM是每個(gè)運(yùn)算放大器的反相輸入端，而OUTP是每個(gè)運(yùn)算放大器的輸出端。小信號分析時(shí)可以忽慮運(yùn)算放大器的所有其它端。所示兩個(gè)運(yùn)算放大器都有兩個(gè)區(qū)，盡管這不是本發(fā)明的部件。標(biāo)明為“fb_resbank”’的電路單元是12個(gè)反饋電阻的組合，所述電阻組合從10.62k到20k之間取值以便以0.5dB的臺階產(chǎn)生增益控制。這里使用的特定反饋電阻配置不是本發(fā)明的關(guān)鍵，盡管，根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例，兩個(gè)運(yùn)算放大器的反饋電阻值保持相等，即一起跟蹤。注意，通過標(biāo)記建立某種連接，例如圖中點(diǎn)間的INM1和INM2“跳轉(zhuǎn)”。
電路如表1所示工作。
表1雖然參照本發(fā)明的具體實(shí)施例具體表示和說明了本發(fā)明，然而本領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白可以不脫離本發(fā)明的精神或范圍而對公開的實(shí)施例進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的改變。例如，可以使用分立元件實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的各種實(shí)施例，或者利用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制作技術(shù)實(shí)現(xiàn)為集成電路。而且，本發(fā)明的集成電路實(shí)現(xiàn)可以使用任何合適的技術(shù)，諸如CMOS技術(shù)。此外，本發(fā)明中運(yùn)算方大器之間的連接可以永久地硬連線，或者是可編程的，如上面參照圖5所述的那樣。然而，應(yīng)該參照后附的權(quán)利要求書來確定本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于產(chǎn)生差分信號的電路，它包括第一運(yùn)算放大器，所述第一運(yùn)算放大器的輸出端對應(yīng)于所述差分信號的一端；和第二運(yùn)算放大器，所述第二運(yùn)算放大器的輸出端對應(yīng)于所述差分信號的另一端；其中所述第一和第二運(yùn)算放大器的其中之一的反相輸入端耦合到所述第一和第二運(yùn)算放大器中的另一個(gè)的非反相輸入端。
2.權(quán)利要求1的電路，其特征在于所述第一和第二運(yùn)算放大器被配置為接收單端輸入信號并產(chǎn)生所述差分信號。
3.權(quán)利要求2的電路，其特征在于所述第一和第二運(yùn)算放大器被配置為反相電路。
4.權(quán)利要求2的電路，其特征在于所述第一和第二運(yùn)算放大器被配置為非反相電路。
5.權(quán)利要求1的電路，其特征在于所述第一和第二運(yùn)算放大器被配置為接收差分輸入信號并產(chǎn)生所述差分信號。
6.權(quán)利要求1的電路，其特征在于還包括多個(gè)開關(guān)，用于將所述第一和第二運(yùn)算放大器配置為多種配置。
7.權(quán)利要求6的電路，其特征在于所述多種配置包括第一配置，在所述第一配置中，所述第一和第二運(yùn)算放大器被配置為接收單端輸入信號并產(chǎn)生所述差分信號。
8.權(quán)利要求7的電路，其特征在于在所述第一配置中，所述第一和第二運(yùn)算放大器被配置為反相電路。
9.權(quán)利要求7的電路，其特征在于在所述第一配置中，所述第一和第二運(yùn)算放大器被配置為非反相電路。
10.權(quán)利要求6的電路，其特征在于所述多種配置包括第一配置，在所述第一配置中，所述第一和第二運(yùn)算放大器被配置為接收差分輸入信號并產(chǎn)生所述差分信號。
11.權(quán)利要求6的電路，其特征在于由耦合到第一和第二邏輯輸入端的開關(guān)控制邏輯電路控制所述多個(gè)開關(guān)。
12.權(quán)利要求11的電路，其特征在于所述開關(guān)控制邏輯電路對應(yīng)真值表，所述真值表如下
13.權(quán)利要求1的電路，其特征在于用分立元件實(shí)現(xiàn)所述電路。
14.權(quán)利要求1的電路，其特征在于所述電路是集成電路。
15.一種用于產(chǎn)生差分輸出信號的電路，它包括第一運(yùn)算放大器，它具有對應(yīng)所述差分輸出信號的一端的輸出端；第二運(yùn)算放大器，它具有對應(yīng)所述差分輸出信號的另一端的輸出端；和多個(gè)開關(guān)，它們耦合到所述第一和第二運(yùn)算放大器；其中，在第一方式，所述多個(gè)開關(guān)配置所述第一和第二運(yùn)算放大器以接收單端輸入信號并產(chǎn)生所述差分輸出信號，而在第二方式，所述多個(gè)開關(guān)配置所述第一和第二運(yùn)算放大器以接收差分輸入信號并產(chǎn)生所述差分輸出信號，在所述第一和第二方式的每一種方式中，所述第一和第二運(yùn)算放大器中的一個(gè)的反相輸入端耦合到所述第一和第二運(yùn)算放大器中另一個(gè)的非反相輸入端。
16.一種電子設(shè)備包括用于產(chǎn)生差分信號的電路，所述電路包括第一運(yùn)算放大器，所述第一運(yùn)算放大器的輸出端對應(yīng)所述差分信號的一端；和第二運(yùn)算放大器，所述第二運(yùn)算放大器的輸出端對應(yīng)所述差分信號的另一端；其中所述第一運(yùn)算放大器的反相輸入端耦合到所述第二運(yùn)算放大器的非反相輸入端。
17.一種用于產(chǎn)生差分信號的電路，它包括第一運(yùn)算放大器，它具有信號輸入端和偏置輸入端，所述第一運(yùn)算放大器的輸出端對應(yīng)于所述差分信號的一端；和第二運(yùn)算放大器，它具有信號輸入端和偏置輸入端，所述第二運(yùn)算放大器的輸出端對應(yīng)于所述差分信號的另一端；其中所述第一運(yùn)算放大器的所述信號輸入端耦合到所述第二運(yùn)算放大器的所述偏置輸入端。
全文摘要
說明了產(chǎn)生或放大差分信號的方法和設(shè)備。第一運(yùn)算放大器(opamp 1’)的輸出端對應(yīng)于差分信號的一端。第二運(yùn)算放大器(opamp 2’)的輸出端對應(yīng)于差分信號的另一端。第一運(yùn)算放大器的反相輸入端耦合到第二運(yùn)算放大器的非反相輸入端。
文檔編號H03F3/45GK1336035SQ99816354
公開日2002年2月13日 申請日期1999年12月28日 優(yōu)先權(quán)日1999年1月4日
發(fā)明者W·D·勒維利恩 申請人:三路技術(shù)有限公司