專利名稱：寬帶數(shù)字單一到差分轉(zhuǎn)換器及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于單一到差分(single-to-differential)轉(zhuǎn) 換的裝置和方法，并且更具體地涉及用于實(shí)現(xiàn)好的相位噪聲性能的寬 帶數(shù)字單一到差分轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
差分信號傳送是通過一對電線發(fā)送信號的方法，用于通過抑 制共模干擾來減少電氣連接上的噪聲。 一般地，差分信號傳送基于第 一電線承載第一信號而第二電線承載與第一信號反相的第二信號的概 念。因此，第一和第二電線的電壓的和始終是常數(shù)。典型地，第一和 第二電線彼此接近以便它們經(jīng)受相同的干擾?！愕?，在集成模擬電路中優(yōu)選完全差分信號路徑，特別是 在高頻應(yīng)用中。利用完全差分信號路徑有益的一個原因是其眾所周知 的特性即對共模干擾的抗擾性、對寄生耦合的抑制以及增加的動態(tài) 范圍。通常，必須將單信號轉(zhuǎn)換為差分信號以獲得這些益處。這可以 通過使用單一到差分類型轉(zhuǎn)換器來完成。參考圖1， 一般地用10示出了用于單一到差分轉(zhuǎn)換器的現(xiàn) 有技術(shù)電路圖。該單一到差分轉(zhuǎn)換器IO具有第一級， 一般地用12指 示，以及第二級， 一般地用14指示。單端電壓信號K施加在第一級12 的輸入。差分電壓信號& ,由第一級12輸出，并由第二級14接收。由 于第一級12的差分信號路徑引起的不對稱的效果在第二級14得到補(bǔ) 償。然而，基準(zhǔn)電流源/^對于電源的噪聲敏感，并且/《,的尾電
6流的變化將增加時間延遲抖動，其造成相位噪聲性能的下降。單一到 差分轉(zhuǎn)換器10的帶寬能夠隨著較高靜態(tài)電流而增加。給定靜態(tài)電流增
益的最大化需要晶體管器件(M1和M2)的長徑比的增加和/或負(fù)載電 阻^的增加。然而，Ml和M2的長徑比的增加導(dǎo)致輸出電容的增加， 這造成第一級12較低的頻率響應(yīng)性能。更進(jìn)一步，較大的負(fù)載電阻^ 由于其上高的電壓降而降低輸出擺動。此外；單一到差分轉(zhuǎn)換器10利 用差分對跨導(dǎo)放大器造成在這種設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)寬帶性能的困難。因此， 在單一到差分轉(zhuǎn)換器IO中存在增益、帶寬、相位噪聲以及電流消耗之 間的折衷。軟件定義無線電(SDR)體系結(jié)構(gòu)一般需要從幾百兆赫茲到 幾千兆赫茲的寬帶支持，其具有嚴(yán)格的相位噪聲性能偏移，電源消耗 可與單窄帶體系結(jié)構(gòu)相比。如在此所述，單一到差分轉(zhuǎn)換器IO典型地
不能夠在上述條件下操作。因此，存在開發(fā)單一到差分級的需要，其 具有大的帶寬范圍并且實(shí)現(xiàn)期望的相位噪聲性能情況下的低功率消 耗。


附圖用于進(jìn)一步說明各種實(shí)施例以及解釋全部根據(jù)本發(fā)明 的各種原理和益處，在這里，貫穿單獨(dú)的視圖，類似的附圖標(biāo)記指相 同或者功能相似的元件，并且附圖與下面詳細(xì)的描述被并入說明書并 形成說明書的一部分。圖1是現(xiàn)有技術(shù)單一到差分轉(zhuǎn)換器的電路圖。
圖2是說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的單一到差分轉(zhuǎn)換器的框圖。 [OOIO]圖3是說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的單一到差分轉(zhuǎn)換方法的示 例的流程圖。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的是為了簡明和清晰來說明附圖中 的元件，而不必按比例繪制這些元件。例如，附圖中一些元件的尺寸
7可以相對于其它元件放大，從而有助于提高對本發(fā)明實(shí)施例的理解。
具體實(shí)施例方式在詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例之前，應(yīng)當(dāng)注意的是實(shí)施例 主要在于與單一到差分轉(zhuǎn)換相關(guān)的方法步驟和裝置組件的組合。從而， 在附圖中通過常規(guī)的符號適當(dāng)?shù)孛枋隽搜b置組件和方法步驟，僅示出 那些與理解本發(fā)明實(shí)施例相關(guān)的特定細(xì)節(jié)，以免那些對于具有這里所 描述的益處的本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的細(xì)節(jié)混淆本發(fā)明。在本文中，諸如第一和第二、頂部和底部等關(guān)系術(shù)語可以僅 用來將一個實(shí)體或者動作區(qū)分于另一實(shí)體或者動作，而不必要求或者 暗示任何這些實(shí)體或者動作之間的實(shí)際這種關(guān)系或者順序。術(shù)語"包括" 或者其任何其它變形旨在覆蓋非排他的內(nèi)含物，使得包括一系列元件 的過程、方法、物品或者裝置，不僅僅包括這些元件，還可以包括其 它未明確列出或者這些過程、方法、物品或者裝置所固有的其他元件。 在沒有更多約束的情況下，跟隨著"包括…一"的元件不排除在包括該元 件的過程、方法、物品或者裝置中其他相同元件的存在。將被理解的是，在此描述的本發(fā)明的實(shí)施例可以由一個或多 個常規(guī)處理器和唯一存儲的程序指令組成，該程序指令控制一個或多 個處理器與特定的非處理器電路結(jié)合來實(shí)現(xiàn)此處所描述的單一到差分 轉(zhuǎn)換器的一些、大部分或者所有功能。非處理器電路可以包括，但不 限于，無線電接收器、無線電發(fā)射器、信號驅(qū)動器、時鐘電路、電源 電路以及用戶輸入設(shè)備。同樣，這些功能可以被理解為執(zhí)行單一到差 分轉(zhuǎn)換的方法步驟?？蛇x地， 一些或者所有功能可以由不具有存儲的 程序指令的狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，或者在一個或多個專用集成電路(ASIC)中 實(shí)現(xiàn)，其中每個功能或者功能的一些特定組合可以被實(shí)現(xiàn)為定制邏輯。 當(dāng)然，可以使用兩種方法的組合。因此，在此描述了用于這些功能的 方法和裝置。更進(jìn)一步，可以預(yù)料的是， 一個普通技術(shù)人員，盡管可 能由例如可用時間、當(dāng)前技術(shù)以及經(jīng)濟(jì)考慮等激勵而做出巨大努力并且得出多種設(shè)計(jì)選擇，但當(dāng)由本發(fā)明揭示的概念和原理指導(dǎo)時，很容 易能夠通過最小的實(shí)驗(yàn)生成這樣的軟件指令以及程序和IC。參考圖2，示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的單一到差分轉(zhuǎn)換器20 的框圖。單一到差分轉(zhuǎn)換器20包括單一到差分級，通常用22指示， 相位平衡級(phase balancing stage)通常用24指示，并且緩沖器級通 常用26指示。單一到差分級20將單輸入信號J^轉(zhuǎn)換為第一輸出信號p; 和第二輸出信號^。第一輸出信號r"和第二輸出信號^彼此對應(yīng)，使 得第二輸出信號^與第一輸出信號K反相。相位平衡級24電氣連接到單一到差分級22。相位平衡級24
接收并平衡第一輸出信號和第二輸出信號K、 p;的相位，并且輸出第
一平衡輸出信號r+和第二平衡輸出信號r一。第一平衡輸出信號和第二 平衡輸出信號K、 r一是相對應(yīng)的，使得第二平衡輸出信號K與第一平 衡輸出信號r+反相。緩沖器級26電氣連接到相位平衡級24。緩沖器級26將第 一平衡輸出信號和第二平衡輸出信號K+、 K整形至預(yù)定形狀，例如但 不限于，方波。典型地，緩沖器級26用于再整形第一平衡輸出信號和 第二平衡輸出信號K、匸，并且輸出第一整形及平衡輸出信號^ ,+ 。第 二整形及平衡輸出信號^ ,_與第一整形及平衡輸出信號)^,+相對應(yīng)，使 得第二整形及平衡輸出信號r。u,-與第一整形及平衡輸出信號f^+反相。單一到差分級22包括反相器28、非反相放大器30以及背 對背(back-to-back)反相器32。反相器28和非反相放大器30接收單 輸入信號^t 。反相器28和非反相放大器30分別生成輸入時鐘信號的 反相以及非反相復(fù)制。典型地，輸入時鐘信號^^的非反相復(fù)制具有差 的軌對軌(rail-to-mil)性能。背對背反相器32用于推進(jìn)輸入時鐘信號 P"的非反相復(fù)制&以獲得軌對軌擺幅。因此，相位平衡級24輸出第 --輸出信號和第二輸出信號K、 ^，它們是非對稱的并且不是平衡的。
相位平衡級24包括弱驅(qū)動(weak-drive)反相器34、弱驅(qū) 動非反相放大器36、強(qiáng)驅(qū)動(strong-drive)反相器38以及強(qiáng)驅(qū)動非反 相放大器40。典型地，第一輸出信號&比第二輸出信號F/決。因此， 第一輸出信號K連接到弱驅(qū)動反相器34和弱驅(qū)動非反相放大器36。較 慢的第二輸出信號^連接到強(qiáng)驅(qū)動反相器38和強(qiáng)驅(qū)動非反相放大器 40。弱驅(qū)動反相器34和強(qiáng)驅(qū)動非反相放大器40輸出第一平衡輸出信 號K+。此外，弱驅(qū)動非反相放大器36接收第一輸出信號r"并且強(qiáng)驅(qū)動 反相器38接收第二輸出信號^。弱驅(qū)動非反相放大器36和強(qiáng)驅(qū)動反 相器38輸出第二平衡輸出信號r一。相位平衡級24的第一平衡輸出信 號和第二平衡輸出信號p;、 是對稱且平衡的，并且因此，產(chǎn)生相同 的驅(qū)動性。典型地，為了平衡第一平衡輸出信號和第二平衡輸出信號 r+、 ，預(yù)先確定非反相放大器36、 40和反相器34、 38的長徑比。緩沖器級26包括第一反相器42和第二反相器44。第一反 相器42從相位平衡級24接收第一平衡輸出信號r+。第二反相器44從 相位平衡級24接收第二平衡輸出信號K。第一反相器42和第二反相 器44再整形第一平衡輸出信號r+和第二平衡輸出信號K的波形。第一 反相器42輸出第一平衡及整形輸出信號^ ,_ 。第二反相器44輸出第二
平衡及整形輸出信號。第一和第二平衡及整形輸出信號r。 ,—、 是 相對應(yīng)的，使得「，與輸出信號已 ,+反相。典型地，第一和第二平衡及 整形輸出信號7。 卜、r(吣被再整形為方波。通過解釋而非限制的方式，以上所有反相器28、 34、 38、 42、 44和非反相放大器30、 36、 40可以是互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS)門。由于電源電壓可以通過CMOS處理技術(shù)按比例降低，通 過利用CMOS數(shù)字門，單一到差分轉(zhuǎn)換器20可以容易地與其它電路互 換。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到可以使用其它適合的反相器或者 非反相放大器。
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通過解釋而非限制的方式，由于單一到差分轉(zhuǎn)換器20與跨 導(dǎo)放大器轉(zhuǎn)換器相比較小的電流消耗，單一到差分轉(zhuǎn)換器20可以用在 軟件定義無線電(SDR)體系結(jié)構(gòu)中，其中，為了實(shí)現(xiàn)相位噪聲性能跨 導(dǎo)放大器轉(zhuǎn)換器需要大的尾電流。此外，單一到差分轉(zhuǎn)換器20具有期 望的SDR體系結(jié)構(gòu)操作特性，諸如，但不限于，非常好的占空比以及 差分相位移位誤差。而且，單一到差分轉(zhuǎn)換器20可以實(shí)現(xiàn)使用大約1.8V 電源電壓消耗大約3.2mW電能，在1MHz偏移處近似-155dBc/Hz的嚴(yán) 格相位噪聲性能。進(jìn)一步地，單一到差分轉(zhuǎn)換器20具有從幾兆赫茲到 幾千兆赫茲的寬帶設(shè)計(jì)。典型地，單一到差分轉(zhuǎn)換器20的操作頻率上 限由所使用的特殊處理技術(shù)中的設(shè)備的截止頻率限定，諸如，但不限 于SDR體系結(jié)構(gòu)等。參考圖2和3，用于信號的單一到差分轉(zhuǎn)換的方法通常用50 指示。方法50在步驟52開始并且進(jìn)行到步驟54，在此單信號在單一 到差分級22被轉(zhuǎn)換為差分信號。因此，單一到差分級20輸出第一輸 出信號和第二輸出信號^、 &，在此第二輸出信號^具有差的軌對軌 性能。接下來，在步驟56，輸出信號p;被推至軌對軌。隨后，方法50進(jìn)行到步驟58，在此第一輸出信號和第二輸 出信號^、 ^的相位由相位平衡級24平衡。此外，這產(chǎn)生第一輸出信 號和第二輸出信號^、 ^的相同的驅(qū)動性。相位平衡級24輸出第一平 衡輸出信號和第二平衡輸出信號r+、 K。接下來，在步驟60差分信號的波形由緩沖器級26再整形。 方法50在步驟62結(jié)束。通過解釋而非限制的方式，方法50可以生成 近似-155dBc/Hz的可接受的相位噪聲性能。依靠所使用的處理技術(shù)， 方法50還能夠提供從幾兆赫茲到幾千兆赫茲的帶寬。處理技術(shù)越小， 操作頻率上限越高。例如，且決不是限制，由方法50提供的帶寬在0.18 微米(/mi) CMOS處理技術(shù)中范圍近似為100MHz到3GHz。
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因此，本發(fā)明針對單一到差分轉(zhuǎn)換器20，其包括用于將單輸入信號f^轉(zhuǎn)換為第一和第二對應(yīng)輸出信號r"、 p;的單一到差分級 22。相位平衡級24接收和平衡輸出信號巳、^的相位，巳、p;隨后去往與相位平衡級24 —起使用的緩沖器級26，該相位平衡級24用于整 形平衡輸出信號r+、 K和輸出第一和第二平衡及整形輸出^,+ 、乙,, 。 由于本發(fā)明在提供低相位噪聲和電耗的CMOS中容易實(shí)現(xiàn)，因此是有益的。
在上述說明書中，描述了本發(fā)明的特定實(shí)施例。然而，本領(lǐng) 域普通技術(shù)人員意識到在不脫離所附權(quán)利要求所闡述的本發(fā)明范圍的 前提下可以進(jìn)行各種修改和改變。從而，說明書和附圖被認(rèn)為是示例 性的而非限制性的，并且所有這些修改將認(rèn)為被包括在本發(fā)明范圍內(nèi)。 益處、優(yōu)點(diǎn)、問題的解決方案以及任何可以導(dǎo)致益處、優(yōu)點(diǎn)或者解決 方案出現(xiàn)或者變得明顯的元素不被解釋為任何或者所有權(quán)利要求的關(guān) 鍵的、要求的或者本質(zhì)的特征或者元素。本發(fā)明僅被所附的權(quán)利要求 所限定，其包括在該申請的未決期間所作的任何修改以及所公布的這 些權(quán)利要求的所有等價物。
權(quán)利要求
1.一種單一到差分轉(zhuǎn)換器，包括單一到差分級，所述單一到差分級將單輸入信號轉(zhuǎn)換為第一輸出信號和第二輸出信號，其中所述第一輸出信號和第二輸出信號彼此相對應(yīng)；電氣連接到所述單一到差分級的相位平衡級，其中所述相位平衡級接收和平衡所述第一輸出信號和第二輸出信號的相位，并且輸出對應(yīng)的第一平衡輸出信號和第二平衡輸出信號；以及電氣連接到所述相位平衡級的緩沖器級，用于整形所述第一平衡輸出信號和第二平衡輸出信號。
2. 如權(quán)利要求l所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述單一到差分級包括反相器、非反相放大器以及背對背反相器，其中所述反相器和所述非反相放大器接收所述單輸入信號。
3. 如權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述反相器和所述背對背反相器輸出所述第一輸出信號。
4. 如權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述非反相放大器和所述背對背反相器輸出所述第二輸出信號。
5. 如權(quán)利要求l所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述相位平衡級包括電氣連接到強(qiáng)驅(qū)動非反相放大器的弱驅(qū)動反相器；以及，電氣連接到強(qiáng)驅(qū)動反相器的弱驅(qū)動非反相放大器。
6. 如權(quán)利要求5所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述弱驅(qū)動反相器接收所述第一輸出信號，并且所述強(qiáng)驅(qū)動非反相放大器接收所述第二輸出信號，以及所述弱驅(qū)動反相器和所述強(qiáng)驅(qū)動非反相放大器輸出所述第一平衡輸出信號。
7. 如權(quán)利要求5所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述弱驅(qū)動非反相放大器接收所述第一輸出信號，并且所述強(qiáng)驅(qū)動反相器接收所述第二輸出信號，以及所述弱驅(qū)動非反相放大器和所述強(qiáng)驅(qū)動反相器輸出所述第二平衡輸出信號。
8. 如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述緩沖器級包括第一反相器和第二反相器，其中所述第一反相器從所述相位平衡級接收所述第一平衡輸出信號，以及所述第二反相器從所述相位平衡級接收所述第二平衡輸出信號。
9. 一種單一到差分轉(zhuǎn)換器，包括單一到差分級，所述單一到差分級至少包括反相器、非反相放大器以及背對背反相器，其中所述反相器和所述非反相放大器接收單輸入信號，并且所述單一到差分級將所述單輸入信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的第一輸出信號和第二輸出信號；電氣連接到所述單一到差分級的相位平衡級，所述相位平衡級至少包括電氣連接到強(qiáng)驅(qū)動非反相放大器的弱驅(qū)動反相器以及電氣連接到強(qiáng)驅(qū)動反相器的弱驅(qū)動非反相放大器，其中所述相位平衡級接收和平衡所述第一輸出信號和第二輸出信號，并且輸出對應(yīng)的第一平衡輸出信號和第二平衡輸出信號；以及緩沖器級，所述緩沖器級至少包括第一反相器和第二反相器，所述緩沖器級用于整形所述第一平衡輸出信號和第二平衡輸出信號，其中所述緩沖器級電氣連接到所述相位平衡級。
10. 如權(quán)利要求9所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述單一到差分級的所述反相器和所述背對背反相器輸出所述第一輸出信號。
11. 如權(quán)利要求9所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述單一到差分級的所述非反相放大器和所述背對背反相器輸出所述第二輸出信號。
12. 如權(quán)利要求9所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述弱驅(qū)動反相器接收所述第一輸出信號，并且所述強(qiáng)驅(qū)動非反相放大器接收所述第二輸出信號，以及所述弱驅(qū)動反相器和所述強(qiáng)驅(qū)動非反相放大器輸出所述第一平衡輸出信號。
13. 如權(quán)利要求9所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述弱驅(qū)動非反相放大器接收所述第一輸出信號，并且所述強(qiáng)驅(qū)動反相器接收所述第二輸出信號，以及所述弱驅(qū)動非反相放大器和所述強(qiáng)驅(qū)動反相器輸出所述第二平衡輸出信號。
14. 如權(quán)利要求9所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述緩沖器級的所述第一反相器接收所述第一平衡輸出信號，以及所述緩沖器級的所述第二反相器接收所述第二平衡輸出信號。
15. 如權(quán)利要求9所述的轉(zhuǎn)換器，其中所有的所述反相器和所述非反相放大器均是CMOS門。
16. —種用于信號的單一到差分轉(zhuǎn)換的方法，所述方法包括下述步驟將單輸入信號轉(zhuǎn)換為差分信號，其中所述差分信號至少具有彼此相對應(yīng)的第一信號和第二信號；平衡所述差分信號的相位，使得所述第一信號與所述第二信號對稱；以及再整形所述差分信號的所述第一信號和所述第二信號的波形。
17. 如權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟當(dāng)將所述單輸入信號轉(zhuǎn)換為差分信號時，將所述差分信號中的一個推至軌對軌。
18. 如權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟當(dāng)平衡所述差分信號的相位時，產(chǎn)生所述差分信號的相同驅(qū)動性。
19. 如權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟提供在大約1MHz偏移處的近似于-155dBc/Hz的相位噪聲性能。
20. 如權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟提供范圍大約為100MHz到3GHz的帶寬。
全文摘要
一種用于單一到差分轉(zhuǎn)換的方法和裝置，包括單一到差分級(22)、相位平衡級(24)和緩沖器級(26)。單一到差分級(22)將單輸入信號(Vclk)轉(zhuǎn)換為第一輸出信號和第二輸出信號(Vn、Vp)，其中該第一輸出信號和第二輸出信號(Vn、Vp)彼此相對應(yīng)。相位平衡級(24)電氣連接到單一到差分級(22)，平衡和接收第一輸出信號和第二輸出信號(Vn、Vp)，并且輸出第一平衡輸出信號和第二平衡輸出信號(V+、V-)。緩沖器級(26)電氣連接到相位平衡級(24)，用于整形第一平衡輸出信號和第二平衡輸出信號(V+、V-)。單一到差分轉(zhuǎn)換器(20)可在相當(dāng)大的帶寬上操作并且實(shí)現(xiàn)低電源消耗和好的相位噪聲性能。
文檔編號H03F3/45GK101636903SQ200880007285
公開日2010年1月27日 申請日期2008年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月7日
發(fā)明者藹音婉 申請人:摩托羅拉公司