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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