CN1744442A - 数字·模拟转换电路 - Google Patents

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Abstract

具备：被输入从脉宽调制电路(51)产生的PWM信号的CMOS反相器(70)；以及，被供给CMOS反相器(71)的输出的低通滤波器(53)。CMOS反相器(71)，具备：串联连接在输入电位(Vin)和接地电位(Vss)之间、且各自的栅极上被施加PWM信号的P沟道型的MOS晶体管(M1)及N沟道型的MOS晶体管(M2)；以及，与P沟道型MOS晶体管(M1)并联连接、且与P沟道型MOS晶体管一起构成CMOS传输门的N沟道型MOS晶体管(M3)。从而，即使在反相器的高电位(输入电位Vin)低时，也可不使用大规模的电路，能得到与PWM信号的占空比成比例的输出电压。

Description

数字·模拟转换电路
技术领域
本发明涉及一种能够在数字AV机器等中使用的数字·模拟转换电路。
背景技术
以往，公知一种输出模拟电压的数字·模拟转换电路，该模拟电压，是与作为脉宽调制电路的输出的、具有与数字数据的大小相对应的脉宽的脉冲(以下，称作PWM信号)的占空比(Duty比)成比例的模拟电压。
图3是这种数字·模拟转换电路的电路图。50是施加数字数据的输入端子；51是对该数字数据施以脉宽调制来输出PWM信号的脉宽调制电路；52是根据PWM信号的电平来进行切换、以便将输入电位Vin或者接地电位Vss(0V)输出给低通滤波器53的开关。低通滤波器53，由电阻54和电容器55构成。开关52的输出，被通过低通滤波器53除去其高频成分，并从输出端子56获得输出信号Vout。
参照图4、图5对该数字·模拟转换电路的动作进行说明。如图4(a)所示，设在PWM信号为高电平时，通过开关52的切换、输入电位Vin施加在低通滤波器53上的状态为相1。另外，如图4(b)所示，设在PWM信号为低电平时，通过开关52的切换、接地电位Vss施加在低通滤波器53上的状态为相2。若到该电路稳定为止、反复相1和相2，则在相1中流入电容器55的电荷量ΔQ1、与在相2中从电容器55中流出的电荷量ΔQ2相等，与PWM信号的占空比成比例的电压，表现为输出电压Vout。
以下，用公式证明输出电压Vout与PWM信号的占空比成比例。如图5所示，从脉宽调制电路51中输出周期t、占空比＝n的PWM信号，在到电路稳定为止反复相1和相2。此外，在相1中，电容器55中流有电流I1，通过电容器55被充电从而输出电压Vout变动ΔV1。当ΔV1足够小，且能够忽略ΔV1所引起的电流I1的变动时，下式(1)成立。
I1＝(Vin-Vout)/R  …(1)
在此，R为电阻54的电阻值。由于PWM信号的高电平的期间为t·n，因此ΔQ1由下式(2)表示。
ΔQ1＝I1·t·n＝(Vin-Vout)t·n/R  …(2)
此外，对于电容器55，下式(3)成立。
ΔQ1＝C·ΔV1  …(3)
C是电容器55的电容值。因此，根据式(2)、(3)，可推导出下式(4)。
C·ΔV1＝(Vin-Vout)t·n/R    …(4)
如果将式(4)对ΔV1对求解，则可推导出式(5)。
ΔV1＝(Vin-Vout)t·n/(C·R)   …(5)
接着，设PWM信号变为低电平，成为相2。此时，电流I2从电容器55中流出，通过电容器55被放电从而输出电压变动ΔV2。当ΔV2足够小、且能够忽略ΔV2所引起的电流I2的变动时，下式(6)成立。
I2＝Vout/R    …(6)
由于PWM信号为低电平的期间为t·(1-n)，因此若将式(6)代入，则此时流入电容器55中的电荷量ΔQ2，由下式表示。
ΔQ2＝I2·t·(1-n)＝Vout·t·(1-n)/R…(7)
另外，对于电容器55，下式(8)成立。
ΔQ2＝C·ΔV2    …(8)
因此，根据式(7)、(8)推导出下式(9)。
C·ΔV2＝Vout·t·(1-n)/R    …(9)
如果将式(9)对ΔV2求解，则可推导出式(10)。
ΔV2＝Vout·t·(1-n)/(C·R)    …(10)
在稳定时，下式(11)成立。
ΔV1＝ΔV2        …(11)
若将式(5)、(10)代入式(11)，则下式(12)成立。
(Vin-Vout)t·n/(C·R)＝Vout·t·(1-n)/(C·R)
                             …(12)
若求解式(12)，则得到：
Vout＝n·Vin  …(13)
得到与PWM信号的占空比n成比例的输出电压Vout。
另外，如图6所示，用CMOS反相器60构成图3的电路的开关52的电路已被公知(专利文献1)。在这种情况下，为了与图3的电路等价，追加了用于令来自脉宽调制电路51的PWM信号反相的反相器61。该电路中，在PWM信号为高电平时，CMOS反相器60的P沟道型MOS晶体管M1导通，成为图4(a)的相1的状态；在PWM信号为低电平时，CMOS反相器60的N沟道型MOS晶体管M2导通，成为图4(b)的相2的状态。这里，设PWM信号的高电平为Vdd，低电平为0V。此外，设反相器61的高电位侧的电源为Vdd，低电位侧的电源为0V。此外，设CMOS反相器60的高电位侧的电源为Vin，低电位侧的电源为0V。
然而，如图7所示，CMOS反相器60的P沟道型MOS晶体管M1导通时的栅极源极间电压VGS与输入电位Vin的值相等。从而，在图6的电路中，随着输入电位Vin降低，P沟道型MOS晶体管M1导通时的VGS变小、其导通电阻变得无法忽略。
若设P沟道型MOS晶体管M1的导通电阻为Rp，则可用下式(1A)置换式(1)。
I1＝(Vin-Vout)/(R+Rp)   …(1A)
从而，式(13)可由下式(13A)置换。
Vout＝n·R/((1-n)·(R+Rp)+n·R)×Vin    …(13A)
这样，就无法得到与PWM信号的占空比n成比例的输出电压Vout。
图8是表示图6的电路中的输出电压Vout和PWM信号的占空比n(％)的关系的仿真结果。将Vdd＝3V，R＝1MΩ，PWM周期＝1μs设定为公共条件。
虽然如图8(a)所示，在Vin＝3V时，得到与PWM信号的占空比成比例的理想的输出电压Vout，但如图8(b)所示，在Vin＝1V时，输出电压Vout与理想特性偏差很大。
因此，虽然为了在输入电位Vin较低时也能得到与占空比n成比例的输出电压Vout，可以考虑追加使用了放大器的积分器，但却存在电路规模变大的问题。
【专利文献1】特开平6-77833号公报
发明内容
因此，本发明的数字·模拟转换电路，其特征在于，具备：脉宽调制电路，其产生脉宽与被输入的数字数据的大小相对应的脉冲；反相器，其被输入从所述脉宽调制电路产生的脉冲；以及，低通滤波器，其被供给所述反相器的输出，所述反相器，具备：P沟道型的第一MOS晶体管及N沟道型的第二MOS晶体管，其被串联连接在高电位与低电位之间，且所述脉冲被施加在各自的栅极上；以及，N沟道型的第三MOS晶体管，与所述第一MOS晶体管并联连接，并与所述第一MOS晶体管一起构成CMOS传输门。
根据本发明，即使在反相器的高电位(输入电位Vin)低时，通过与所述第一MOS晶体管一起构成CMOS传输门的N沟道型的第三MOS晶体管导通，不用使用大规模的电路，就能得到与脉冲(PWM信号)的占空比成比例的输出电压。
附图说明
图1是本发明的数字·模拟转换电路的电路图。
图2是表示本发明的数字·模拟转换电路的仿真结果的图。
图3是现有的数字·模拟转换电路的电路图。
图4是说明现有的数字·模拟转换电路的动作的图。
图5是PWM信号的波形图。
图6是现有的数字·模拟转换电路的另一电路图。
图7是表示图6的P沟道型MOS晶体管M1的偏置状态的图。
图8是表示图6的数字·模拟转换电路的仿真结果的图。
图中：50-输入端子；51-脉宽调制电路；52-开关；53-低通滤波器；54-电阻；55-电容器；56-输出端子；61-CMOS反相器；70-CMOS反相器；71-CMOS反相器。
具体实施方式
下面参照附图，对本发明的数字·模拟转换电路进行说明。如图1所示，本发明的数字·模拟转换电路，将图6的电路的CMOS反相器60用CMOS反相器70来置换。即、付加了与P沟道型MOS晶体管M1并联连接的N沟道型MOS晶体管M3。再有，设置将CMOS反相器61的输出反相的CMOS反相器71，并将该反相器71的输出施加在N沟道型MOS晶体管M3的栅极上。
这样，P沟道型MOS晶体管M1和N沟道型MOS晶体管M3构成了CMOS传输门。设CMOS反相器71的高电位侧的电源为Vdd，低电位侧的电源为0V。其他结构，与图6的电路相同。
根据本发明的数字·模拟转换电路，在PWM信号为高电平(相1的状态)时，P沟道型MOS晶体管M1的栅极上被施加0V电压，N沟道型MOS晶体管M3的栅极上被施加Vdd，令两方的MOS晶体管导通。另一方面，在PWM信号为低电平(相2的状态)时，P沟道型MOS晶体管M1的栅极上被施加Vdd，N沟道型MOS晶体管M3的栅极上被施加0V电压，两方的MOS晶体管关断。
从而，在输入电位Vin(CMOS反相器70的高电位侧的电源)低时，虽然P沟道型MOS晶体管M1的导通电阻变高，但N沟道型MOS晶体管M3的导通电阻变得足够低。由此，不管输入电位Vin是高是低，上述式(1)成立，总能得到与占空比n成比例的输出电压Vout。
而且，由于本发明的数字·模拟转换电路，只通过在图6的电路中追加一个N沟道型MOS晶体管M3和CMOS反相器71来构成，因此不需要大规模的电路修正。
图2是表示图1的电路中的输出电压Vout和PWM信号的占空比n(％)的关系的仿真结果。将Vdd＝3V，R＝1MΩ，PWM周期＝1μs设定为公共条件。如图2(a)所示，Vin＝3V时，得到与PWM信号的占空比成比例的理想的输出电压Vout。另外，如图2(b)所示，在Vin＝1V时，也得到理想的输出电压Vout。

Claims (4)

1、一种数字·模拟转换电路，其特征在于，
具备：脉宽调制电路，其产生脉宽与被输入的数字数据的大小相对应的脉冲；反相器，其被输入从所述脉宽调制电路产生的脉冲；以及，低通滤波器，其被供给所述反相器的输出，
所述反相器，具备：P沟道型的第一MOS晶体管及N沟道型的第二MOS晶体管，其被串联连接在高电位与低电位之间，且所述脉冲被施加在各自的栅极上；以及，N沟道型的第三MOS晶体管，与所述第一MOS晶体管并联连接，并与所述第一MOS晶体管一起构成CMOS传输门。
2、根据权利要求1所述的数字·模拟转换电路，其特征在于，
所述高电位比所述脉冲的高电平的电位小。
3、根据权利要求1所述的数字·模拟转换电路，其特征在于，
在所述第三MOS晶体管导通时，对其栅极施加所述脉冲的高电平的电位。
4、根据权利要求1所述的数字·模拟转换电路，其特征在于，
所述低通滤波其由电阻和电容器构成。
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