專利名稱：運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)中運算放大器(op amp)的使用。更具體地說，本發(fā)明提供可以增強產(chǎn)生差分信號的運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)計的電源供給噪聲抑制。運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)計中常用的運算放大器電路。
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)換包括使用第一運算放大器1作為輸入緩沖器，使用第二運算放大器產(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(諸如運算放大器3)中。運算放大器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。那就是，增加一級放大會增加噪聲、失真、偏移和可能其它不希望的結(jié)果。
如圖1所示，參考運算放大器1，對于在此描述的每一個圖中的運算放大器，假設(shè)每一個運算放大器相關(guān)的噪聲電壓被建模為一個有關(guān)輸入的噪聲電壓源Vn。特定運算放大器的有關(guān)輸入的噪聲源可以用參考數(shù)字下標標識。也就是說，運算放大器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。將會理解，假設(shè)噪聲源是不相關(guān)的，按平方和的方根來計算這些噪聲電壓的加權(quán)和。將會理解，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-端的噪聲電壓表達式為Vn2(V-)＝Vn12(1＋R2/R1) (1)V+端的噪聲電壓表達式為Vn2(V+)＝Vn22(1＋R4/R3)－Vn12(1＋R2/R1)(R4/R3)(2)因為R3＝R4，因而Vn2(V+)＝2Vn22－Vn12(1＋R2/R1)(3)在運算放大器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，運算放大器1和運算放大器2實際上都放大了Vn12。為了減少運算放大器的噪聲影響，在運算放大器1的位置需要特別低噪聲的運算放大器。將會理解，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)中的運算放大器性能的技術(shù)。根據(jù)所述各種實施例，配置第一和第二運算放大器以產(chǎn)生差分信號，第一運算放大器產(chǎn)生差分信號的一端，第二運算放大器產(chǎn)生另一端?？梢耘渲眠\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算放大器。還可以在“偽”差分布置中配置運算放大器，其中每個op amp接收半個差分信號、并對其進行緩沖和/或放大以產(chǎn)生差分輸出信號。在每個配置中，運算放大器其中之一的反相輸入端耦合到另一個運算放大器的非反相輸入端。也就是說，不是把第二運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)具體的實施例，根據(jù)不同的應(yīng)用，提供多個開關(guān)，這些開關(guān)改變兩個運算放大器不同的配置。
下面將要詳細描述，該配置的作用是第一運算放大器的有關(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。事實上，噪聲改善并非本發(fā)明得到的唯一優(yōu)點。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。第一運算放大器的輸出端對應(yīng)于差分信號的一端。第二運算放大器的輸出端對應(yīng)于差分信號的另一端。第一運算放大器的反相輸入端耦合到第二運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一步理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點。
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)明的另一個具體實施例簡化示意圖；和圖5是本發(fā)明的又一個具體實施例的詳細示意圖。
具體實施例的詳細說明圖2是根據(jù)本發(fā)明的具體實施例設(shè)計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所示把運算放大器2的非反相輸入端接地，而是把運算放大器的非反相輸入端連接到運算放大器1的反相輸入端。
計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， 因為R3＝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R2’/R1’，比值減小時，由Vn1，即運算放大器1的有關(guān)輸入的噪聲引起的剩余的噪聲影響也會減小，實際上由系統(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。例如，如果Vin由傳統(tǒng)的+15/-15音頻運算放大器設(shè)計驅(qū)動，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)。在這樣一個系統(tǒng)中，R2’/R1’約等于1/6，運算放大器1的剩余噪聲影響將非常小。
當有關(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，可以看到該配置的其它優(yōu)點。對于這種替代，上述分析仍然正確，并且運算放大器1的其它異常的有害影響也被減小。電路設(shè)計者使用它可以獲得實質(zhì)性的優(yōu)點，因為使用本發(fā)明，可以放松運算放大器1的噪聲、失真、偏移等要求，允許用一個更小、更便宜、更低功率的運算放大器替代它而不損害整個系統(tǒng)的性能。另一方面，可以在不放松對運算放大器1的性能要求的情況下使用本發(fā)明，以便基本上免費地增強整個系統(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。輸入信號通過兩個增益分別配置為R12/R11和R14/R13的獨立運算放大器，即運算放大器4和運算放大器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，運算放大器4和運算放大器5兩個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，運算放大器4和運算放大器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，運算放大器5’的非反相輸入端不是接地，而是連接到運算放大器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)輸入的電壓源的運算放大器1中的不理想也會消失。
圖5是本發(fā)明又一個具體實施例的詳細示意圖。電路500采用左邊和右邊的運算放大器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)。“compress_in”輸入端口不是本發(fā)明的部件并假設(shè)為OV。標明為“spltmux2_esd”的電路單元是cmos選通門。進行小信號分析時，V、G和S端可以忽略，當它們的“ent1”輸入端處于邏輯1時，使“t1”端口和“t0”端口之間導通，而處于邏輯0時，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是每個運算放大器的非反相輸入端，INM是每個運算放大器的反相輸入端，而OUTP是每個運算放大器的輸出端。小信號分析時可以忽慮運算放大器的所有其它端。所示兩個運算放大器都有兩個區(qū)，盡管這不是本發(fā)明的部件。標明為“fb_resbank”’的電路單元是12個反饋電阻的組合，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)明的具體實施例，兩個運算放大器的反饋電阻值保持相等，即一起跟蹤。注意，通過標記建立某種連接，例如圖中點間的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施例進行形式和細節(jié)上的改變。例如，可以使用分立元件實現(xiàn)本發(fā)明的各種實施例，或者利用傳統(tǒng)的半導體制作技術(shù)實現(xiàn)為集成電路。而且，本發(fā)明的集成電路實現(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，它包括第一運算放大器，所述第一運算放大器的輸出端對應(yīng)于所述差分信號的一端；和第二運算放大器，所述第二運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算放大器中的另一個的非反相輸入端。
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開關(guān)，用于將所述第一和第二運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；和多個開關(guān)，它們耦合到所述第一和第二運算放大器；其中，在第一方式，所述多個開關(guān)配置所述第一和第二運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，所述多個開關(guān)配置所述第一和第二運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，所述第一和第二運算放大器中的一個的反相輸入端耦合到所述第一和第二運算放大器中另一個的非反相輸入端。
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算放大器，所述第一運算放大器的輸出端對應(yīng)所述差分信號的一端；和第二運算放大器，所述第二運算放大器的輸出端對應(yīng)所述差分信號的另一端；其中所述第一運算放大器的反相輸入端耦合到所述第二運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，它包括第一運算放大器，它具有信號輸入端和偏置輸入端，所述第一運算放大器的輸出端對應(yīng)于所述差分信號的一端；和第二運算放大器，它具有信號輸入端和偏置輸入端，所述第二運算放大器的輸出端對應(yīng)于所述差分信號的另一端；其中所述第一運算放大器的所述信號輸入端耦合到所述第二運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。第一運算放大器(opamp 1’)的輸出端對應(yīng)于差分信號的一端。第二運算放大器(opamp 2’)的輸出端對應(yīng)于差分信號的另一端。第一運算放大器的反相輸入端耦合到第二運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