CN203747801U - 音频数模转换系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种音频数模转换系统，其包括时钟产生电路、共模电压产生电路及转换主电路，转换主电路包括采样子电路及积分子电路，且积分子电路由积分电容与运算放大器构成，采样子电路的输入端与外部差分信号输出端连接，其输出端分别与运算放大器的输入端及积分电容的一端连接，积分电容的另一端与运算放大器的输出端连接，且转换主电路关于运算放大器对称设置，其中，转换主电路还包括互补开关子电路，互补开关子电路的一端连接于外部差分信号输出端与采样子电路的采样电容之间，另一端与运算放大器的输出端连接，当转换主电路处于积分状态时，互补开关子电路导通。本实用新型的音频数模转换系统运算放大器的功耗低，整个系统的谐波失真低。

Description

音频数模转换系统

技术领域

本实用新型涉及集成电路领域，更具体地涉及一种音频数模转换系统。 

背景技术

随着多媒体技术的发展,对音频数模转换系统的需求越来越大，决定音质的关键是主控解码芯片里面的数模转换电路(DAC)及功率放大器电路。DAC主要负责把便于数据存储的数据流转换成模拟信号，而功率放大器电路主要是把DAC转换后的模拟信号放大到可推动耳机或喇叭的功率。因此，DAC电路作为音频主控解码芯片中重要组成部分，其功耗，性能是现阶段音频数模转换器着重关注的部分。传统的数模转换电路，积分过程中，采样电容与积分电容在电荷转移过程中需要的充放电电流全部由放大器提供，大大增加了放大器的功耗，同时对放大器的摆率、速度等都有较高的要求。 

因此，有必要提供一种改进的音频数模转换系统来克服上述缺陷。 

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种音频数模转换系统，本实用新型的音频数模转换系统运算放大器的功耗低，整个系统的谐波失真(THD)低。 

为实现上述目的，本实用新型提供一种音频数模转换系统，其包括时钟产生电路、共模电压产生电路及转换主电路，所述时钟产生子电路与所述转换主电路连接，以产生时钟脉冲控制所述转换主电路的工作，且所述时钟产生子电路具有第一输出端与第二输出端，所述第一输出端与第二输出端输出互补的时钟脉冲，所述共模电压产生电路与外部电源及所述转换主电路连接，以产生所述转换主电路正常工作所需的共模电压，所述转换主电路包括采样子电路及积 分子电路，且所述积分子电路由积分电容与运算放大器构成，所述采样子电路的输入端与外部差分信号输出端连接，其输出端分别与所述运算放大器的输入端及所述积分电容的一端连接，所述积分电容的另一端与所述运算放大器的输出端连接并输出转换后的模拟信号，且所述转换主电路关于所述运算放大器对称设置，其中，所述转换主电路还包括互补开关子电路，所述互补开关子电路的一端连接于外部差分信号输出端与采样子电路的采样电容之间，另一端与所述运算放大器的输出端连接，当所述转换主电路处于积分状态时，所述互补开关子电路导通。 

较佳地，所述互补开关子电路还与所述第二输出端连接，所述第二输出端输出的时钟脉冲控制所述互补开关子电路的导通或关闭。 

较佳地，所述互补开关子电路包括反相器、第一场效应管及第二场效应管，所述反相器的输入端分别与所述第二输出端及第二场效应管的栅极连接，所述第一场效应管的漏极与第二场效应管的源极共同连接于外部差分信号输出端与采样子电路的采样电容之间，所述第二场效应管的漏极与第一场效应管的源极与所述运算放大器的输出端连接。 

较佳地，所述第一场效应管为P型场效应管，所述第二场效应管为N型场效应管。 

较佳地，所述采样子电路还包括第一开关、第二开关及第三开关，所述第一开关一端与外部信号输出端连接，另一端与第一场效应管的漏极、第二场效应管的源极及所述采样电容的一端连接，所述采样电容的另一端与所述第二开关及第三开关的一端连接，所述第二开关的另一端与所述共模电压产生电路的输出端连接，所述第三开关的另一端与所述积分电容的一端及运算放大器的正相输入端连接，所述积分电容的另一端与所述运算放大器的输出端连接。 

较佳地，所述第一开关及第二开关的控制端与所述第一输出端连接，所述第三开关的控制端与所述第二输出端连接，且各个所述开关均在其控制端的时钟脉冲为高电平时闭合，低电平时断开。 

与现有技术相比，本实用新型的音频转换系统，由于所述互补开关子电路的一端连接于外部差分信号输出端与采样子电路的采样电容之间，另一端与所述运算放大器的输出端连接，当所述转换主电路处于积分状态时，所述互补开关子电路导通；从而，当本实用新型的音频转换系统处于积分状态时，所述采样电容通过所述互补开关子电路而向所述积分电容转移电荷，使得所述积分电容的充电不是仅通过所述运算放大器来实现，减小了运算放大器的功耗，同时，通过设计与积分电容相连的互补开关子电路，提高互补开关子电路的线性度，降低音频数模转换系统的谐波失真。 

通过以下的描述并结合附图，本实用新型将变得更加清晰，这些附图用于解释本实用新型。 

附图说明

图1为本实用新型音频数模转换系统的结构示意图。 

具体实施方式

现在参考附图描述本实用新型的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如上所述，本实用新型提供了一种低功耗、低谐波失真(THD)的音频数模转换系统。 

请参考图1，图1为本实用新型音频数模转换系统的结构示意图。如图所示，本实用新型的音频数模转换系统，包括时钟产生电路、共模电压产生电路及转换主电路；所述时钟产生子电路与所述转换主电路连接，以产生时钟脉冲控制所述转换主电路的工作，且所述时钟产生子电路具有第一输出端Φ1与第二输出端Φ2，所述第一输出端Φ1与第二输出端Φ2输出互补的时钟脉冲；所述共模电压产生电路与外部电源及所述转换主电路连接，从而外部电源输出电压VDD至所述共模电压产生电路，以使所述共模电压产生电路产生所述转换主电路正常工作所需的共模电压；所述转换主电路与外部差分信号输出端连接，以对外部差分信号输出端输出的数字信号进行采样保持并进行积分，以完成对外部差 分信号输出端输出的数字信号的数模转换。其中，所述转换主电路包括采样子电路及积分子电路，且所述积分子电路由积分电容与运算放大器构成；所述采样子电路的输入端与外部差分信号输出端连接，其输出端分别与所述运算放大器的输入端及所述积分电容的一端连接，即所述采样子电路对外部差分信号输出端输出的数字信号进行采样，并将采样后的信号保持；所述积分电容的另一端与所述运算放大器的输出端连接，从而所述积分电容与所述运算放大器共同实现对所述采样子电路采样后的信号进行积分，并输出转换后的模拟信号；所述互补开关子电路的一端连接于外部差分信号输出端与采样子电路的采样电容之间，另一端与所述运算放大器的输出端连接，当所述转换主电路处于积分状态时，所述互补开关子电路导通，也即使得当所述转换主电路处于积分状态时(所述积分子电路工作时)，所述采样子电路的采样电容也可对所述积分电容进行充电，从而节省了运算放大器的驱动功耗，降低了系统的谐波失真。 

具体地，所述采样子电路包括第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3及采样电容Csp，其中，所述第一开关S1及第二开关S2的控制端与所述第一输出端Φ1连接，所述第三开关S3的控制端与所述第二输出端Φ2连接，从而所述时钟产生电路输出的两互补的时钟脉冲控制各个所述开关的闭合与断开，且各个所述开关均在其控制端的时钟脉冲为高电平时闭合，低电平时断开，例如，当第一输出端Φ1输出的时钟脉冲为低电平时，也即所述第二输出端Φ2输出时钟脉冲为高电平时，所述第一开关S1与第二开关S2均断开，而所述第三开关S3，反之亦然；所述第一开关S1的一端(即所述采样子电路的输入端)与外部信号输出端连接，另一端与采样电容Csp的一端连接，外部信号输出端输出差分信号VINP至所述采样子电路，且当所述第一开关S1闭合时，所述采样电容Csp对差分信号VINP进行采样，并将采样后的信号保持；所述采样电容Csp的另一端与所述第二开关S2及第三开关S3的一端连接，所述第二开关S2的另一端与所述共模电压产生电路的输出端连接，所述共模电压产生电路通过所述第二开关S2输出共模电压VCM至所述采样子电路；所述第三开关S3的另一端(即所述采样子电路的输出端)与所述积分电容Cintp的一端及运算放大器OP的正 相输入端连接，从而当所述第三开关S3闭合时，所述积分电容Cintp与运算放大器OP可对采样后的信号进行积分转换；所述积分电容Cintp的另一端与所述运算放大器OP的输出端连接，从而将积分转换后的模拟信号VOUTN输出。所述互补开关子电路包括反相器INV1、第一场效应管M1及第二场效应管M2，且所述第一场效应管M1为P型场效应管，所述第二场效应管M2为N型场效应管；所述反相器INV1的输入端分别与所述第二输出端Φ2及第二场效应管M2的栅极连接，所述第一场效应管M1的漏极与第二场效应管M2的源极(即所述互补开关子电路的一端)共同连接所述采样电容Csp的一端，所述第二场效应管M2的漏极与第一场效应管M1的源极(即所述互补开关子电路的另一端)与所述运算放大器OP的输出端连接,当所述第二输出端Φ2输出的时钟脉冲为高电平时，所述第一场效应管M1与第二场效应管M2导通，即使得整个所述互补开关子电路导通，此时所述采样电容Csp可通过所述互补开关子电路向所述积分电容Cintp转移电荷，也即向所述积分电容Cintp充电。在本实用新型中，所述转换主电路关于所述运算放大器OP对称设置，即所述转换主电路包括两组采样子电路、积分电容及互补子电路，且分别设置于所述运算放大器OP的两侧；另组的采样子电路包括第一开关S4、第二开关S5、第三开关S6及采样电容Csn，另组的积分电容为Cintn，另组的互补开关子电路包括反相器INV2、第一场效应管M3及第二场效应管M4；该两组结构相同，连接关系相同，不同仅在于，外部差分信号输出端输出差分信号VINN至所述采样子电路，所述第三开关S6的另一端及所述积分电容Cintn的一端与所述运算放大器OP的反相输入端连接，所述积分电容Cintn的另一端与所述运算放大器的另一输出端输出转换后的模拟信号VOUTP。 

下面结合参考图1，描述本实用新型音频数模转换系统的工作原理： 

本实用新型的转换主电路关于所述运算放大器OP对称设置，即为关于所述运算计算放大器OP上下对称的结构，原理介绍时只对上半部分描述，下半部分原理相同。采样过程，第一输出端Φ1输出的时钟脉冲为高电平时，第二输出端Φ2输出的时钟脉冲为低电平，所述采样子电路的第一开关S1与第二开关S2闭 合，第三开关S3断开，而所述互补开关子电路的第一场效应管M1与第二场效应管M2均关闭，此时对输入数字信号VINP进行采样，并把采样电压转换成电荷保存在采样电容Csp中，即完成采样过程。积分过程，第二输出端Φ2输出的时钟脉冲为高电平，第一输出端Φ1输出的时钟脉冲为低电平，所述采样子电路的第一开关S1与第二开关S2断开，第三开关S3闭合，而所述互补开关子电路的第一场效应管M1与第二场效应管M2均导通，此时采样电容Csp与积分电容Cintp并联，采样电容Csp通过积分电容Cintp的右极板转移部分采样电荷至积分电容Cintp，同时运算放大器OP对积分电容Cintp的右极板充电，即节省了运算放大器OP的功耗，降低了谐波失真。 

本实用新型的音频数模转换系统的z域传递函数为 

$\frac{\mathrm{VOUTN}\left(z\right)}{\mathrm{VINP}\left(z\right)}=\frac{C_{\mathrm{sp}}\×z^{-1}}{C_{\mathrm{sp}}+C_{\mathrm{intp}}-C_{\mathrm{intp}}\×z^{-1}}---\left(1\right)$

所述运算放大器的下半部分，工作原理与上半部分相同，其z域的传递函数为 

$\frac{\mathrm{VOUTP}\left(z\right)}{\mathrm{VINN}\left(z\right)}=\frac{C_{\mathrm{sn}}\×z^{-1}}{C_{\mathrm{sn}}+C_{\mathrm{intn}}-C_{\mathrm{intn}}\×z^{-1}}---\left(2\right)$

由于Csp＝Csn，Cintp＝Cintnt，当输入输出都为全差分信号时，采样子电路与积分子电路的z域传输函数STF(z)为 

$\mathrm{STF}\left(z\right)=\frac{\mathrm{VOUTP}\left(z\right)-\mathrm{VOUTN}\left(z\right)}{\mathrm{VINN}\left(z\right)-\mathrm{VINP}\left(z\right)}=\frac{C_s\×z^{-1}}{C_s+C_{\mathrm{int}}-C_{\mathrm{int}}\×z^{-1}}---\left(3\right)$

由式(3)看出，采样子电路及积分子电路的z域传输函数STF(z)为一个低通滤波函数，转换主电路为一个DAC低通滤波器。因为DAC采用过采样技术，因此数模转换时钟产生电路的时钟频率fCLK远大于DAC低通滤波器-3dB频率(即DAC低通滤波器带宽)，则由(3)式可以求得DAC低通滤波器带宽频率f_{DAC_-3dB}近似为 

$f_{\mathrm{DAC}\_-3\mathrm{dB}}\≈\frac{C_s}{2\mathrm{\π}{C}_{\mathrm{int}}}{f}_{\mathrm{CLK}}---\left(4\right)$

而系统设计时，要求f_{DAC_-3dB}要大于音频信号带宽，以保证20～20KHz音频信号全通。 

对于所述互补开关子电路，当第二输出端Φ2输出的时钟脉冲为高电平时，所述互补开关子电路导通，其导通的等效阻抗为第一场效应管M1的导通阻抗R_on,M1与第二场效应管M2导通阻抗R_on,M2并联构成，等效导通阻抗为 

$\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{on},\mathrm{eq}}=R_{\mathrm{on},M1}//R_{\mathrm{on},M2}\\ =\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_n{c}_{\mathrm{ox}}{\left(\frac{W}{L}\right)}_{M2}(\mathrm{VDD}-V_{\mathrm{THN}})-[{\mathrm{\μ}}_n{c}_{\mathrm{ox}}{\left(\frac{W}{L}\right)}_{M2}-{\mathrm{\μ}}_p{c}_{\mathrm{ox}}{\left(\frac{W}{L}\right)}_{M1}]\mathrm{VOUTN}-{\mathrm{\μ}}_p{c}_{\mathrm{ox}}{\left(\frac{W}{L}\right)}_{M1}\left|V_{\mathrm{THP}}\right|}\end{array}---\left(5\right)$

其中μ_n、μ_p分别为N型场效应管与P型场效应管的载流子迁移率、c_ox为栅极氧化物单位面积电容量，V_THN、V_THP分别为N型场效应与P型场效应的阈值电压，(W/L)_M2与(W/L)_M1分别为第二场效应M2与第一场效应管M1的宽长比，VDD为高电平电压(外部电源电压)。在同一批次的工艺制造中，μ_n、μ_p，c_ox、V_THN、V_THP，(W/L)_M2及(W/L)_M1为相对固定的值，因此为了提高互补开关子电路的场效应管的线性度，需要消除掉(5)式中的变量VOUTN(VOUTN为在共模电平上下变动的电压信号)，因此互补开关子电路的场效应管只要满足 

${\mathrm{\μ}}_n{\left(\frac{W}{L}\right)}_{M2}={\mathrm{\μ}}_p{\left(\frac{W}{L}\right)}_{M1}---\left(6\right)$

即可以使(5)式为一个相对恒定的值；而可以通过选择具有合适宽长比的第一场效应管M1与第二场效应M2即可使(6)式成立，因此互补开关子电路的场效应管的线性度可很简单地得到提高。 

当第一场效应管M1与第二场效应和M2由导通到关闭时，P型管的第一场效应管M1沟道会产生一个电荷量为Δq1的空穴注入到积分电容Cintp的右极板，而N型管的第二场效应管M2沟道会产生一个电荷量为Δq2的电子注入到积分电容Cintp的右极板，因为电子与空穴电荷极性相反，如果Δq1＝Δq2，那么就会相互抵消，如果两者不相等，那么就会有部分多余的电荷注入到积分电容Cintp右极板，影响电路的精度，因此需要满足Δq1＝Δq2，即 

(W*L)_M2c_ox(VDD-VOUTN-V_THN)＝(W*L)_M1c_ox(VOUTN-|V_THP|)   (7) 

其中，(W*L)_M2与(W*L)_M1分别为第二场效应M2与第一场效应管M1的宽长比之积。因为输出信号VOUTN是一个在共模电压VCM上下变化的信号，而(7)式只对一种输入电平起作用，因此为了尽可能减小电荷注入的影响，选取电平为共模电平VCM。电路设计中一般VCM为0.5倍电源电压VDD，因此(7)式可以修正为 

(W*L)_M2(0.5VDD-V_THN)＝(W*L)_M1(0.5VDD-|V_THP|)   (8) 

因此，整个系统在设计时选取合适宽长比的第一场效应管M1与第二场效应管，使之满足式(6)(8)，可以大大提高互补开关子电路的线性度，并减小沟道电荷注入对DAC电路精度的影响，降低了DAC电路的谐波失真。 

以上结合最佳实施例对本实用新型进行了描述，但本实用新型并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本实用新型的本质进行的修改、等效组合。 

Claims (6)

1.一种音频数模转换系统，包括时钟产生电路、共模电压产生电路及转换主电路，所述时钟产生子电路与所述转换主电路连接，以产生时钟脉冲控制所述转换主电路的工作，且所述时钟产生子电路具有第一输出端与第二输出端，所述第一输出端与第二输出端输出互补的时钟脉冲，所述共模电压产生电路与外部电源及所述转换主电路连接，以产生所述转换主电路正常工作所需的共模电压，所述转换主电路包括采样子电路及积分子电路，且所述积分子电路由积分电容与运算放大器构成，所述采样子电路的输入端与外部差分信号输出端连接，其输出端分别与所述运算放大器的输入端及所述积分电容的一端连接，所述积分电容的另一端与所述运算放大器的输出端连接并输出转换后的模拟信号，且所述转换主电路关于所述运算放大器对称设置，其特征在于，所述转换主电路还包括互补开关子电路，所述互补开关子电路的一端连接于外部差分信号输出端与采样子电路的采样电容之间，另一端与所述运算放大器的输出端连接，当所述转换主电路处于积分状态时，所述互补开关子电路导通。 

2.如权利要求1所述的音频数模转换系统，其特征在于，所述互补开关子电路还与所述第二输出端连接，所述第二输出端输出的时钟脉冲控制所述互补开关子电路的导通或关闭。 

3.如权利要求2所述的音频数模转换系统，其特征在于，所述互补开关子电路包括反相器、第一场效应管及第二场效应管，所述反相器的输入端分别与所述第二输出端及第二场效应管的栅极连接，所述第一场效应管的漏极与第二场效应管的源极共同连接于外部差分信号输出端与采样子电路的采样电容之间，所述第二场效应管的漏极与第一场效应管的源极与所述运算放大器的输出端连接。 

4.如权利要求3所述的音频数模转换系统，其特征在于，所述第一场效应管为P型场效应管，所述第二场效应管为N型场效应管。 

5.如权利要求4所述的音频数模转换系统，其特征在于，所述采样子电路还包括第一开关、第二开关及第三开关，所述第一开关一端与外部信号输出端连接，另一端与第一场效应管的漏极、第二场效应管的源极及所述采样电容的一端连接，所述采样电容的另一端与所述第二开关及第三开关的一端连接，所述第二开关的另一端与所述共模电压产生电路的输出端连接，所述第三开关的另一端与所述积分电容的一端及运算放大器的正相输入端连接，所述积分电容的另一端与所述运算放大器的输出端连接。 

6.如权利要求5所述的音频数模转换系统，其特征在于，所述第一开关及第二开关的控制端与所述第一输出端连接，所述第三开关的控制端与所述第二输出端连接，且各个所述开关均在其控制端的时钟脉冲为高电平时闭合，低电平时断开。