JP3918777B2

JP3918777B2 - Pulse width modulation circuit

Info

Publication number: JP3918777B2
Application number: JP2003137123A
Authority: JP
Inventors: 雅俊杉本
Original assignee: Fuji Electric Device Technology Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2003-05-15
Filing date: 2003-05-15
Publication date: 2007-05-23
Anticipated expiration: 2023-05-15
Also published as: JP2004343395A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ｍ（ｍは２以上の整数）ビットのディジタル信号に応じて、パルス幅を調整するパルス幅変調回路に関し、特に、インバータの遅延誤差をなくして高精度なパルス幅変調信号を実現したパルス幅変調回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、従来のパルス幅変調（ＰＷＭ変調）方式（例えば特許文献１）による回路構成の一例を示すブロック図である。
【０００３】
図７のパルス幅変調回路は、２５６（＝２⁸）個のバッファＢＦ１〜ＢＦ２５６と１個のインバータＩＮＶとを直列に接続したリングオシレータ１０１と、リングオシレータ１０１を構成する各バッファＢＦ１〜ＢＦ２５６の出力端子と接続され、それらの遅延入力の１つを選択して出力するセレクタ１０２と、セレクタ１０２における入出力遅延時間と同じ遅延時間を入出力信号間で発生させる遅延回路１０３と、リングオシレータ１０１の出力信号の立上り、立下りのタイミングを検出する状変検出回路１０４と、セレクタ１０２の出力信号ＳＥＬＯＵＴの立上り、立下りのタイミングを検出する状変検出回路１０５と、それぞれ状変検出回路１０４，１０５に接続したセットリセット回路（ＲＳフリップフロップ）１０６とによって構成されている。このパルス幅変調（ＰＷＭ変調）回路は、８ビットのディジタル信号Ｓ１〜Ｓ８に応じて可変パルス幅のＰＷＭ信号を出力する例である。
【０００４】
図８は、パルス幅変調回路の動作を説明するためのタイミング図である。
リングオシレータ１０１を構成するバッファＢＦ１〜ＢＦ２５６は、ノンインバーティングタイプのバッファであって、実際は偶数段のインバータなどを用いて構成する。リングオシレータ１０１では、その最終段のバッファＢＦ２５６の出力端子をインバータＩＮＶに接続し、インバータＩＮＶの出力信号が初段のバッファＢＦ１の入力信号となっている。このリングオシレータ１０１の発振周期Ｔは、バッファＢＦ１〜ＢＦ２５６の遅延時間ｔ１（ｎｓ）とインバータＩＮＶの遅延時間ｔ２（ｎｓ）とにより決定される。一般に、リングオシレータ１０１を複数のバッファ（ｎ段）を縦続接続して構成した場合には、その発振周期Ｔは次の式（１）に示すような関係となる。
【０００５】
【数１】
Ｔ＝（ｎ×ｔ１＋ｔ２）×２（ｎｓ） …（１）
上述したパルス幅変調回路の場合には、２５６段のバッファＢＦ１〜ＢＦ２５６が接続されているので、リングオシレータ１０１の発振周期Ｔは、
【０００６】
【数２】
Ｔ＝（２５６×ｔ１＋ｔ２）×２（ｎｓ） …（２）
となる。セレクタ１０２には、その入力端子Ｄ１〜Ｄ２５５，Ｄ０にリングオシレータ１０１の各バッファＢＦ１〜ＢＦ２５６の出力端子が接続されるとともに、８ビットのディジタル信号Ｓ１〜Ｓ８が入力している。このセレクタ１０２では、８ビットのディジタル信号Ｓ１〜Ｓ８の論理値に基づいて、入力端子Ｄ１〜Ｄ２５６への入力信号の１つを選択し、それを選択信号ＳＥＬＯＵＴとして状変検出回路１０５に出力している。
【０００７】
図９は、パルス幅変調回路におけるセレクタの機能を説明するための図である。図７のパルス幅変調回路では、入力端子Ｄ０〜Ｄ２５５のそれぞれにリングオシレータ１０１から入力する２⁸＝２５６個のいずれかひとつが８ビットのディジタル信号Ｓ１〜Ｓ８に応じて選択され、選択信号ＳＥＬＯＵＴが状変検出回路１０５に出力される。セレクタ１０２において、このディジタル信号Ｓ１〜Ｓ８によって選択される選択信号ＳＥＬＯＵＴの番号をｎとすると、以下の論理式（３）で選択されるｎの値により、状変検出回路１０５に入力する選択信号ＳＥＬＯＵＴが決定される。
【０００８】
【数３】
ｎ＝Ｓ８×２⁷＋Ｓ７×２⁶＋Ｓ６×２⁵
＋Ｓ５×２⁴＋Ｓ４×２³＋Ｓ３×２²＋Ｓ２×２＋Ｓ１…（３）
例えば、セレクタ１０２にディジタル信号が（Ｓ８，Ｓ７，Ｓ６，Ｓ５，Ｓ４，Ｓ３，Ｓ２，Ｓ１）＝（０，０，０，０，１，１，０，１）のように入力した場合には、入力端子Ｄ１３に入力した信号が選択信号ＳＥＬＯＵＴとなる。また、ディジタル信号が（Ｓ８，Ｓ７，Ｓ６，Ｓ５，Ｓ４，Ｓ３，Ｓ２，Ｓ１）＝（１，１，１，１，１，１，１，１）であれば、入力端子Ｄ２５５に入力した信号が選択信号ＳＥＬＯＵＴとなる。
【０００９】
図１０は、状変検出回路の一例を示すブロック図、図１１は、状変検出回路の動作を示すタイミング図である。
状変検出回路１０４，１０５では、いずれも発振周期Ｔで出力するリングオシレータ１０１からの信号が入力信号Ａとなっており、遅延回路１１１により時間ｔｄ（ｎｓ）だけ遅れた信号Ｂが形成される。これらの信号Ａ，Ｂは、それぞれ排他的論理和（ＥＸＯＲ）回路１１２に入力し、そこで論理和演算された演算結果が、状変検出回路１０４，１０５から信号Ｃとして出力される。すなわち、この排他的論理和（ＥＸＯＲ）回路１１２から出力される信号Ｃは、入力信号Ａの立上りと立下りに応じてパルス幅ｔｄ（ｎｓ）で２つのパルスを出力することにより、それぞれ入力信号Ａの立上りと立下りのタイミングを検出できる。
【００１０】
さらに、図７に示した従来のパルス幅変調回路の動作を、図８のタイミング図を用いて説明する。
リングオシレータ１０１は、周期Ｔ／２（ｎｓ）でハイレベルとローレベルを交互に繰り返して発振する。このリングオシレータ１０１を構成するインバータＩＮＶの出力信号は、セレクタ１０２の入力端子Ｄ０への入力信号と、遅延回路１０３を介して状変検出回路１０４の入力信号となる。状変検出回路１０４では、その発振信号の立上りと立下りを検出しパルス信号を出力する。このパルス信号は、周期Ｔ／２（ｎｓ）ごとに繰り返し出力され、フリップフロップ１０６のセット入力Ｓとなる。
【００１１】
例えば、ディジタル信号が（Ｓ８，Ｓ７，Ｓ６，Ｓ５，Ｓ４，Ｓ３，Ｓ２，Ｓ１）＝（０，０，０，０，１，１，０，１）のようにセレクタ１０２に入力した場合、セレクタ１０２では入力端子Ｄ１３への信号が選択されるから、リングオシレータ１０１のバッファＢＦ１３の出力信号が選択信号ＳＥＬＯＵＴとなる。状変検出回路１０５では、選択信号ＳＥＬＯＵＴの立上りと立下りを検出しパルス信号を出力する。このパルス信号は、状変検出回路１０４の出力パルスに対し１３段のバッファ遅延時間分、すなわち１３×ｔ１（ｎｓ）だけ遅れて出力され、フリップフロップ１０６のリセット入力Ｒとなる。
【００１２】
フリップフロップ１０６は、状変検出回路１０４から出力されるパルス信号によりセットされ、状変検出回路１０５から出力されるパルス信号によりリセットされる。その結果、フリップフロップ１０６の出力信号Ｑとして、１３段のバッファ遅延分の時間幅１３×ｔ１（ｎｓ）を有するパルス信号が周期Ｔ／２ごとに出力される。
【００１３】
ここで、一般に出力信号Ｑのパルス幅Ｔｎと８ビットのディジタル信号Ｓ１〜Ｓ８との関係は、以下の式（４）のようになる。変数ｎは、上述した式（３）により決定される。
【００１４】
【数４】
Ｔｎ＝ｎ×ｔ１（ｎｓ） …（４）
このように、図７のパルス幅変調回路では、フリップフロップ１０６の出力信号Ｑとして、８ビットのディジタル信号Ｓ１〜Ｓ８に応じたパルス幅ＴｎのＰＷＭ信号が出力できる。
【００１５】
【特許文献１】
特開２０００−２３２３４６号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
従来のパルス幅変調回路では、リングオシレータ１０１を発振させるために、所定の遅延時間ｔ１（ｎｓ）を発生するためのバッファＢＦ１〜ＢＦ２５６以外に、インバータＩＮＶを必要としているから、そのインバータＩＮＶでの遅延時間が発振周期の誤差をもたらす。そのため、高精度なパルス幅変調を実現することを難しくしている。
【００１７】
また、ディジタル信号Ｓ１〜Ｓ８により決定されるパルス幅の分解能を高くするためには、ディジタル信号の本数ｎに対応して、２ⁿ段のバッファを必要とするために、パルス幅変調回路の規模が大きくなってしまうという問題があった。
【００１８】
この発明の目的は、回路規模を大きくすることなしにパルス幅の分解能を上げて、高精度なパルス幅変調を可能とするパルス幅変調回路を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記目的を達成するために、ｍ（ｍは２以上の整数）ビットのディジタル信号に応じて、パルス幅を調整するパルス幅変調回路が提供される。このパルス幅変調回路は、ｎ（ｎは２以上の整数）個のリング状に縦続接続された差動バッファＢＦ１〜ＢＦ８を有し、それぞれの差動バッファの出力端子から互いに位相の異なる双対する発振信号を出力する発振信号生成手段と、ｍビットのディジタル信号の下位ｓビット（ｓ＜ｍ）により、前記発振信号生成手段の２ｎ個の発振信号のいずれか一つを選択する信号選択手段と、前記発振信号生成手段の特定の発振信号に基づいてセット信号を出力するとともに、ｍビットのディジタル信号のうち、上位（ｍ−ｓ）ビットに対応するカウント数のタイミングでパルス信号を出力し、前記信号選択手段で選択された発振信号と前記パルス信号との間で論理積演算を行うことによりリセット信号を出力するパルス生成手段とから構成される。
【００２０】
この発明のパルス幅変調回路では、ｍビットの分解能を有するパルス幅でパルス幅変調信号を生成することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は、この発明の実施の形態に係るパルス幅変調回路を示すブロック図である。ここでは、図７の従来回路に対応する８ビットのディジタル信号Ｓ１〜Ｓ８に応じたパルス幅でＰＷＭ信号を出力する例を示している。
【００２２】
リングオシレータ１は、８個の差動バッファＤＢＦ１〜ＤＢＦ８が縦続接続され、最終段の差動バッファＤＢＦ８では一対の出力端子がそれぞれ初段の差動バッファＤＢＦ１の一対の入力端子に反転信号を供給するように接続され、発振信号出力手段を構成する。セレクタ２は、リングオシレータ１の各差動バッファＤＢＦ１〜ＤＢＦ８の出力端子から位相の異なる双対する発振信号が入力端子Ｄ０〜Ｄ１５に供給され、ディジタル信号Ｓ１〜Ｓ４により選択された発振信号を選択信号ＳＥＬＯＵＴとして出力する選択手段を構成する。
【００２３】
また、パルス生成手段は、リングオシレータ１の発振信号により４ビットのカウントを繰り返すカウンタ３、ディジタル信号Ｓ５〜Ｓ８をロードして、カウントダウンするカウンタ４、カウンタ３の出力信号ＣＡ〜ＣＤの論理積条件をとるＡＮＤゲート５，６、カウンタ４の出力信号ＱＡ〜ＱＤとセレクタ２の選択信号ＳＥＬＯＵＴとの論理積条件をとるＡＮＤゲート７、ＡＮＤゲート５の出力信号の立上りタイミングを検出して、パルス信号を出力する立上り検出回路８、ＡＮＤゲート７の出力信号の立上りタイミングを検出して、パルス信号を出力する立上り検出回路９、及びセットリセット回路（ＲＳフリップフロップ）１０によって構成される。
【００２４】
図２は、１段分の差動バッファの構成を示す回路図である。一対の入力端子１１，１２は、それぞれＦＥＴ１３，１４のゲート端子と接続され、入力信号ＩＮ，ＩＮ＿Ｂが入力する。ＦＥＴ１３，１４は、電源ＶＣＣと接地間でそれぞれＦＥＴ１５，１６と直列に接続され、ＦＥＴ１３，１５の接続点にはＦＥＴ１６のゲート端子が接続され、ＦＥＴ１４，１６の接続点にはＦＥＴ１５のゲート端子が接続される。一対の出力端子１７，１８は、それぞれＦＥＴ１３，１５の接続点、及びＦＥＴ１４，１６の接続点と接続され、そこから出力信号ＯＵＴ，ＯＵＴ＿Ｂが出力する。このような一対の入出力端子を備えたバッファ回路として、１段分の差動バッファＤＢＦｎ（ｎ＝１〜８）が構成される。
【００２５】
リングオシレータ１では、縦続接続された８段の差動バッファＤＢＦ１〜ＤＢＦ８のうち、初段の差動バッファＤＢＦ１から最終段の差動バッファＤＢＦ８までの縦続接続では、それぞれ信号論理が反転しないように接続されている。一方で、最終段の差動バッファＤＢＦ８の出力端子は、初段の差動バッファＤＢＦ１の入力端子にその信号論理が反転するように接続する。そのため、各段での出力信号はリングオシレータ１を１周すると反転し、２周目で同一論理となる。したがって、各差動バッファＤＢＦ１〜ＤＢＦ８での遅延時間をｔ１（ｎｓ）とすれば、差動バッファＤＢＦｎを複数（ｎ段）縦続接続することにより、リングオシレータ１の発振周期Ｔ１は、
【００２６】
【数５】
Ｔ１＝２×ｎ×ｔ１（ｎｓ） …（５）
となる。図１の回路構成では、差動バッファＤＢＦｎは８段となっているので、リングオシレータ１の発振周期Ｔ１は、
【００２７】
【数６】
Ｔ１＝１６×ｔ１（ｎｓ） …（６）
となる。
【００２８】
図３は、図１のパルス幅変調回路におけるセレクタの機能を説明するための図である。
図１のパルス幅変調回路では、リングオシレータ１の各差動バッファＤＢＦ１〜ＤＢＦ８からの双対する出力信号ＯＵＴ，ＯＵＴ＿Ｂが、セレクタ２の入力端子Ｄ０〜Ｄ１５へ供給される。セレクタ２では、４ビットのディジタル信号Ｓ１〜Ｓ４に基づいて、入力端子Ｄ０〜Ｄ１５に入力した出力信号ＯＵＴ，ＯＵＴ＿Ｂのいずれか１つを選択して、選択信号ＳＥＬＯＵＴを出力する。すなわち、リングオシレータ１から入力する２⁴＝１６個のいずれかひとつが、ディジタル信号Ｓ１〜Ｓ４により選択され、それが選択信号ＳＥＬＯＵＴとしてＡＮＤゲート７に出力される。ここで選択される選択信号ＳＥＬＯＵＴの番号をｎとすると、以下の論理式（７）で選択されるｎの値により、ＡＮＤゲート７に入力する選択信号ＳＥＬＯＵＴが決定される。
【００２９】
【数７】
ｎ＝Ｓ４×２³＋Ｓ３×２²＋Ｓ２×２＋Ｓ１ …（７）
例えば、セレクタ２にディジタル信号が（Ｓ４，Ｓ３，Ｓ２，Ｓ１）＝（１，１，０，０）のように入力した場合、入力端子Ｄ１２に入力した信号が選択信号ＳＥＬＯＵＴとなる。また、ディジタル信号が（Ｓ４，Ｓ３，Ｓ２，Ｓ１）＝（１，１，１，１）であれば、入力端子Ｄ１５に入力した信号が選択信号ＳＥＬＯＵＴとなる。
【００３０】
リングオシレータ１の差動バッファＤＢＦ１〜ＤＢＦ８のうち、最終段の差動バッファＤＢＦ８の出力信号ＯＵＴ，ＯＵＴ＿Ｂのひとつ（図１では、出力信号ＯＵＴ）が、セレクタ２の入力端子Ｄ０とカウンタ３，４のＣＬＫ入力端子へ供給される。
【００３１】
４ビットのカウンタ３は、最終段の差動バッファＤＢＦ８の出力信号ＯＵＴをクロック信号ＣＬＫとして、４ビットのカウンタ値を繰り返しカウントダウンする（１５→１４→……→１→０→１５→１４→…）。４ビットのカウント値は、下位ビットから順に出力端子ＣＡ，ＣＢ，ＣＣ，ＣＤにそれぞれ出力される。
【００３２】
このカウンタ３は、出力端子ＣＡ，ＣＢ，ＣＣ，ＣＤがそれぞれＡＮＤゲート５とＡＮＤゲート６の入力端子と接続される。したがって、カウンタ３の出力端子ＣＡ，ＣＢ，ＣＣ，ＣＤの信号がすべてＨＩＧＨとなるカウント値になるとき、ＡＮＤゲート５からＨＩＧＨの信号が立上り検出回路８に出力される。また、カウンタ３の出力端子ＣＡ，ＣＢ，ＣＣ，ＣＤの信号がすべてＬＯＷとなるカウント値になるとき、ＡＮＤゲート６からＨＩＧＨの信号がカウンタ４へのＬＯＡＤ信号として出力される。
【００３３】
４ビットのカウンタ４は、カウンタ３とは異なり、ＬＯＡＤ信号の入力端子を備えており、ＬＯＡＤ信号がＨＩＧＨになるとともにクロック信号ＣＬＫが立上がるとき、入力端子Ａ〜Ｄへのディジタル信号Ｓ５〜Ｓ８が出力端子ＱＡ，ＱＢ，ＱＣ，ＱＤにセットされる。また、ＬＯＡＤ信号がＬＯＷになったときには、クロック信号ＣＬＫが立上るたびにカウントダウンする。
【００３４】
ＡＮＤゲート６の出力信号は、カウンタ４にＬＯＡＤ信号として供給される。したがって、このカウンタ４は、カウンタ３の出力端子ＣＡ，ＣＢ，ＣＣ，ＣＤの信号がすべてＬＯＷとなるカウント値で、ＬＯＡＤ信号がＨＩＧＨとなって、そのクロック信号ＣＬＫの立上りタイミングで、入力端子Ａ〜Ｄに供給された４ビットのディジタル信号Ｓ５〜Ｓ８が出力端子ＱＡ，ＱＢ，ＱＣ，ＱＤにセットされる。また、ＬＯＡＤ信号がＬＯＷとなるときは、カウンタ３と同様に、最終段の差動バッファＤＢＦ８の出力信号ＯＵＴをクロック信号ＣＬＫとして、４ビットのカウンタ値を繰り返しカウントダウンする。
【００３５】
ＡＮＤゲート７は、カウンタ４の出力端子ＱＡ，ＱＢ，ＱＣ，ＱＤがすべてＬＯＷ、すなわちそのカウント値が０になるとき、セレクタ２の選択信号ＳＥＬＯＵＴがＨＩＧＨとなるタイミングで、出力信号をＨＩＧＨとして立上り検出回路９に出力する。
【００３６】
ＡＮＤゲート５とＡＮＤゲート７の出力信号は、それぞれ立上り検出回路８，９において立上りタイミングが検出され、そこで生成されるパルス信号がそれぞれフリップフロップ１０のセット入力Ｓとリセット入力Ｒとなる。
【００３７】
図４は、立上り検出回路の一例を示すブロック図であり、図５は、立上り検出回路の動作を示すタイミング図である。立上り検出回路８，９は、いずれも遅延回路２１、インバータ回路２２、及びＡＮＤ（論理積）回路２３から構成される。立上り検出回路８，９の入力信号Ａは、遅延回路２１とＡＮＤ回路２３にそれぞれ入力され、遅延回路２１ではｔｄ（ｎｓ）だけ遅れた信号Ｂとなってインバータ回路２２に出力される。その結果、ＡＮＤ回路２３では入力信号Ａと反転した信号Ｂとが論理積演算された信号Ｃを出力する。この信号Ｃは、入力信号Ａの立上りタイミングを検出して、パルス幅ｔｄ（ｎｓ）のパルスを出力する。
【００３８】
図６は、パルス幅変調回路の動作を説明するためのタイミング図である。ＰＷＭ信号のパルス幅を決定するディジタル信号が、例えば３Ｃｈ（Ｓ８，Ｓ７，Ｓ６，Ｓ５，Ｓ４，Ｓ３，Ｓ２，Ｓ１）＝（０，０，１，１，１，１，０，０）として入力された場合の動作を、図６のタイムチャートを用いて説明する。ここで、ｈは「３Ｃ」が１６進数であることを示している。
【００３９】
リングオシレータ１は、発振周期Ｔ１（ｎｓ）で繰り返し発振する発振信号を生成する。リングオシレータ１の差動バッファＤＢＦ８では、一方の出力信号ＯＵＴがセレクタ２の入力端子Ｄ０とカウンタ３，４のクロック信号ＣＬＫとなる。ディジタル信号３Ｃｈが（Ｓ８，Ｓ７，Ｓ６，Ｓ５，Ｓ４，Ｓ３，Ｓ２，Ｓ１）＝（０，０，１，１，１，１，０，０）の場合には、最終段の差動バッファＤＢＦ８の出力信号ＯＵＴは、各段の差動バッファＤＢＦ１〜ＤＢＦ８を１２回通ることにより、遅延時間ｔｌ×１２（ｎｓ）だけ遅延された出力信号となるが、セレクタ２では、これに対応する入力端子Ｄ１２が選択されて、選択信号ＳＥＬＯＵＴとして出力される。カウンタ３は、クロック信号ＣＬＫでカウントダウンを繰り返し、出力端子ＣＡ，ＣＢ，ＣＣ，ＣＤの信号が全てＨＩＧＨとなるカウント値が１５に変わるタイミングで、ＡＮＤゲート５からパルス信号が発生するから、それが立上り検出回路８において検出されて、フリップフロップ１０のセット入力Ｓとして出力される。したがって、このタイミングでフリップフロップ１０のＰＷＭ信号をＨＩＧＨにセツトする。また、カウンタ３の出力端子ＣＡ，ＣＢ，ＣＣ，ＣＤがすべてＬＯＷとなり、クロック信号ＣＬＫが立上るタイミングで、カウンタ４には、４ビットのディジタル信号Ｓ５〜Ｓ８のディジタル値３が出力端子ＱＡ，ＱＢ，ＱＣ，ＱＤにセットされ、最終段の差動バッファＤＢＦ８の出力信号ＯＵＴがクロック信号ＣＬＫとなってカウントダウンを開始する。
【００４０】
クロック信号ＣＬＫの３周期後であるＴ１×３（ｎｓ）後に、カウンタ４のカウント値は０となる。そこで、カウンタ４の出力端子ＱＡ，ＱＢ，ＱＣ，ＱＤからの信号とセレクタ２の選択信号ＳＥＬＯＵＴとがＡＮＤゲート７に入力され、その論理積をとった出力信号が立上り検出回路９によりリセット入力Ｒにパルス信号を出力するから、フリップフロップ１０がリセットされて、ＰＷＭ信号がＬＯＷに反転する。
【００４１】
ここで、フリップフロップ１０をセット状態にするセット入力Ｓが発生してから、リセット入力Ｒが発生するまでの遅延時間Ｔｄは、
【００４２】
【数８】
Ｔｄ＝Ｔ１×３＋ｔ１×１２（ｎｓ） …（８）
となる。いま、Ｔ１＝ｔ１×１６であるから、
【００４３】
【数９】
Ｔｄ＝６０×ｔ１＝３Ｃｈ×ｔ１（ｎｓ） …（９）
となる。
【００４４】
このようにディジタル信号Ｓ１〜Ｓ８＝３Ｃｈは、立上り検出回路８でのセットパルスＳの発生から、立上り検出回路９でのリセットパルスＲの発生までの遅延時間との間で一定の関係が保持される。したがって、８ビットのディジタル信号Ｓ１〜Ｓ８に応じてＰＷＭ信号のパルス幅の調整を精度良く行うことができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上に説明したように、この発明のパルス幅変調回路によれば、差動バッファによりリングオシレータを構成するようにしたので、従来方式での回路構成に必要としていたインバータを不要とするから、遅延時間の生成を高精度に設定制御することができる。また、カウンタと組合わせることにより、リングオシレータのみで構成するものより高ビットディジタルＰＷＭ信号発生回路の規模を小さくすることが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態に係るパルス幅変調回路を示すブロック図である。
【図２】１段分の差動バッファの構成を示す回路図である。
【図３】図１のパルス幅変調回路におけるセレクタの機能を説明するための図である。
【図４】立上り検出回路の一例を示すブロック図である。
【図５】立上り検出回路の動作を示すタイミング図である。
【図６】図１のパルス幅変調回路の動作を説明するためのタイミング図である。
【図７】従来のパルス幅変調（ＰＷＭ変調）方式による回路構成の一例を示すブロック図である。
【図８】パルス幅変調回路の動作を説明するためのタイミング図である。
【図９】パルス幅変調回路におけるセレクタの機能を説明するための図である。
【図１０】状変検出回路の一例を示すブロック図である。
【図１１】状変検出回路の動作を示すタイミング図である。
【符号の説明】
１リングオシレータ
２セレクタ
３，４カウンタ
５，６，７ＡＮＤゲート
８，９立上り検出回路
１０フリップフロップ
ＤＢＦ１〜ＤＢＦ８差動バッファ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a pulse width modulation circuit that adjusts a pulse width according to an m (m is an integer of 2 or more) bit digital signal, and in particular, realizes a highly accurate pulse width modulation signal by eliminating an inverter delay error. The present invention relates to a pulse width modulation circuit.
[0002]
[Prior art]
FIG. 7 is a block diagram showing an example of a circuit configuration according to a conventional pulse width modulation (PWM modulation) method (for example, Patent Document 1).
[0003]
The pulse width modulation circuit of FIG. 7 includes a ring oscillator 101 in which 256 (= 2 ⁸ ) buffers BF1 to BF256 and one inverter INV are connected in series, and each of the buffers BF1 to BF256 constituting the ring oscillator 101. A selector 102 that is connected to the output terminal and selects and outputs one of the delay inputs, a delay circuit 103 that generates the same delay time as the input / output delay time in the selector 102, and the ring oscillator 101 A state change detection circuit 104 for detecting the rising and falling timings of the output signal, a state change detecting circuit 105 for detecting the rising and falling timings of the output signal SELOUT of the selector 102, and a state change detecting circuit 104, respectively. And a set / reset circuit (RS flip-flop) 106 connected to 105. It is. This pulse width modulation (PWM modulation) circuit is an example of outputting a PWM signal having a variable pulse width in accordance with 8-bit digital signals S1 to S8.
[0004]
FIG. 8 is a timing chart for explaining the operation of the pulse width modulation circuit.
The buffers BF1 to BF256 constituting the ring oscillator 101 are non-inverting type buffers, and are actually configured using an even number of stages of inverters. In the ring oscillator 101, the output terminal of the final stage buffer BF256 is connected to the inverter INV, and the output signal of the inverter INV is the input signal of the first stage buffer BF1. The oscillation period T of the ring oscillator 101 is determined by the delay time t1 (ns) of the buffers BF1 to BF256 and the delay time t2 (ns) of the inverter INV. In general, when the ring oscillator 101 is configured by cascading a plurality of buffers (n stages), the oscillation period T has a relationship as shown in the following equation (1).
[0005]
[Expression 1]
T = (n × t1 + t2) × 2 (ns) (1)
In the case of the pulse width modulation circuit described above, since 256 stages of buffers BF1 to BF256 are connected, the oscillation period T of the ring oscillator 101 is
[0006]
[Expression 2]
T = (256 × t1 + t2) × 2 (ns) (2)
It becomes. The selector 102 has input terminals D1 to D255 and D0 connected to output terminals of the buffers BF1 to BF256 of the ring oscillator 101 and 8-bit digital signals S1 to S8. The selector 102 selects one of the input signals to the input terminals D1 to D256 based on the logical values of the 8-bit digital signals S1 to S8, and outputs it to the state change detection circuit 105 as the selection signal SELOUT. ing.
[0007]
FIG. 9 is a diagram for explaining the function of the selector in the pulse width modulation circuit. In the pulse width modulation circuit of FIG. 7, any one of 2 ⁸ = 256 input from the ring oscillator 101 to the input terminals D0 to D255 is selected according to the 8-bit digital signals S1 to S8, and the selection signal SELOUT Is output to the state change detection circuit 105. In the selector 102, if the number of the selection signal SELOUT selected by the digital signals S1 to S8 is n, the selection signal input to the state change detection circuit 105 by the value of n selected by the following logical expression (3). SELOUT is determined.
[0008]
[Equation 3]
n = S8 × 2 ⁷ + S7 × 2 ⁶ + S6 × 2 ⁵
+ S5 × 2 ⁴ + S4 × 2 ³ + S3 × 2 ² + S2 × 2 + S1 (3)
For example, when a digital signal is input to the selector 102 as (S8, S7, S6, S5, S4, S3, S2, S1) = (0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 1). The signal input to the input terminal D13 is the selection signal SELOUT. If the digital signal is (S8, S7, S6, S5, S4, S3, S2, S1) = (1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1), it is input to the input terminal D255. The signal becomes the selection signal SELOUT.
[0009]
FIG. 10 is a block diagram illustrating an example of a state change detection circuit, and FIG. 11 is a timing diagram illustrating the operation of the state change detection circuit.
In the state change detection circuits 104 and 105, the signal from the ring oscillator 101 that is output at the oscillation period T is the input signal A, and the delay circuit 111 forms the signal B delayed by time td (ns). . These signals A and B are respectively input to an exclusive OR (EXOR) circuit 112, and the result of the OR operation is output from the state change detection circuits 104 and 105 as a signal C. That is, the signal C output from the exclusive OR (EXOR) circuit 112 outputs two pulses with a pulse width td (ns) according to the rising and falling edges of the input signal A, whereby each of the input signals A rising and falling timing of A can be detected.
[0010]
Further, the operation of the conventional pulse width modulation circuit shown in FIG. 7 will be described with reference to the timing chart of FIG.
The ring oscillator 101 oscillates by alternately repeating a high level and a low level at a cycle T / 2 (ns). An output signal of the inverter INV constituting the ring oscillator 101 becomes an input signal to the input terminal D0 of the selector 102 and an input signal of the state change detection circuit 104 via the delay circuit 103. The state change detection circuit 104 detects the rise and fall of the oscillation signal and outputs a pulse signal. This pulse signal is repeatedly output every cycle T / 2 (ns) and becomes the set input S of the flip-flop 106.
[0011]
For example, when a digital signal is input to the selector 102 as (S8, S7, S6, S5, S4, S3, S2, S1) = (0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 1), Since the selector 102 selects a signal to the input terminal D13, the output signal of the buffer BF13 of the ring oscillator 101 becomes the selection signal SELOUT. The state change detection circuit 105 detects the rise and fall of the selection signal SELOUT and outputs a pulse signal. This pulse signal is output with a delay of 13 stages of buffer delay time with respect to the output pulse of the state change detection circuit 104, that is, 13 × t1 (ns), and becomes the reset input R of the flip-flop 106.
[0012]
The flip-flop 106 is set by a pulse signal output from the state change detection circuit 104 and is reset by a pulse signal output from the state change detection circuit 105. As a result, as an output signal Q of the flip-flop 106, a pulse signal having a time width 13 × t1 (ns) corresponding to 13 stages of buffer delay is output every period T / 2.
[0013]
Here, in general, the relationship between the pulse width Tn of the output signal Q and the 8-bit digital signals S1 to S8 is expressed by the following equation (4). The variable n is determined by the above equation (3).
[0014]
[Expression 4]
Tn = n × t1 (ns) (4)
7 can output a PWM signal having a pulse width Tn corresponding to the 8-bit digital signals S1 to S8 as the output signal Q of the flip-flop 106.
[0015]
[Patent Document 1]
JP 2000-232346 A [0016]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional pulse width modulation circuit, in order to oscillate the ring oscillator 101, an inverter INV is required in addition to the buffers BF1 to BF256 for generating a predetermined delay time t1 (ns). The delay time causes an error in the oscillation period. For this reason, it is difficult to realize highly accurate pulse width modulation.
[0017]
Further, in order to increase the resolution of the pulse width determined by the digital signals S1 to S8, 2 ⁿ stages of buffers are required corresponding to the number n of the digital signals. There was a problem that would become larger.
[0018]
An object of the present invention is to provide a pulse width modulation circuit capable of increasing the pulse width resolution without enlarging the circuit scale and enabling highly accurate pulse width modulation.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a pulse width modulation circuit that adjusts a pulse width in accordance with a digital signal of m (m is an integer of 2 or more) bits. This pulse width modulation circuit includes n (n is an integer of 2 or more) differential buffers BF1 to BF8 cascaded in a ring shape, and the output terminals of the respective differential buffers have dual phases different from each other. An oscillation signal generating means for outputting an oscillation signal; and a signal selecting means for selecting one of 2n oscillation signals of the oscillation signal generating means by a lower s bit (s <m) of the m-bit digital signal; And outputting a set signal based on a specific oscillation signal of the oscillation signal generating means, and outputting a pulse signal at the timing of the count corresponding to the upper (ms) bits of the m-bit digital signal, It comprises pulse generation means for outputting a reset signal by performing an AND operation between the oscillation signal selected by the signal selection means and the pulse signal.
[0020]
In the pulse width modulation circuit of the present invention, a pulse width modulation signal can be generated with a pulse width having an m-bit resolution.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a pulse width modulation circuit according to an embodiment of the present invention. In this example, a PWM signal is output with a pulse width corresponding to 8-bit digital signals S1 to S8 corresponding to the conventional circuit of FIG.
[0022]
In the ring oscillator 1, eight differential buffers DBF1 to DBF8 are cascade-connected, and in the last-stage differential buffer DBF8, a pair of output terminals respectively supply an inverted signal to a pair of input terminals of the first-stage differential buffer DBF1. Thus, the oscillation signal output means is configured. The selector 2 is supplied with dual oscillation signals having different phases from the output terminals of the differential buffers DBF1 to DBF8 of the ring oscillator 1 to the input terminals D0 to D15, and selects the oscillation signal selected by the digital signals S1 to S4 as a selection signal. Selection means for outputting as SELOUT is configured.
[0023]
Further, the pulse generating means loads the counter 3, which repeats 4-bit counting by the oscillation signal of the ring oscillator 1, and the digital signals S5 to S8, and counts down the counter 4. The logical product condition of the output signals CA to CD of the counter 3 AND gates 5 and 6 that detect the output signal QA to QD of the counter 4 and the selection signal SELOUT of the selector 2 and the AND gate 7 and AND gate 5 that detect the rise timing of the output signal are detected to detect pulse signals. , A rise detection circuit 9 that detects the rise timing of the output signal of the AND gate 7 and outputs a pulse signal, and a set reset circuit (RS flip-flop) 10.
[0024]
FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of a differential buffer for one stage. The pair of input terminals 11 and 12 are connected to the gate terminals of the FETs 13 and 14, respectively, and input signals IN and IN_B are input thereto. The FETs 13 and 14 are connected in series with the FETs 15 and 16 between the power supply VCC and the ground, respectively, the gate terminal of the FET 16 is connected to the connection point of the FETs 13 and 15, and the gate terminal of the FET 15 is connected to the connection point of the FETs 14 and 16. Connected. The pair of output terminals 17 and 18 are connected to the connection points of the FETs 13 and 15 and the connection points of the FETs 14 and 16, respectively, and output signals OUT and OUT_B are output therefrom. As a buffer circuit having such a pair of input / output terminals, a differential buffer DBFn (n = 1 to 8) for one stage is configured.
[0025]
In the ring oscillator 1, among the eight stages of cascaded differential buffers DBF1 to DBF8, the cascade connection from the first stage differential buffer DBF1 to the last stage differential buffer DBF8 is connected so that the signal logic is not inverted. Has been. On the other hand, the output terminal of the last-stage differential buffer DBF8 is connected to the input terminal of the first-stage differential buffer DBF1 so that its signal logic is inverted. For this reason, the output signal at each stage is inverted when the ring oscillator 1 makes one round, and becomes the same logic in the second round. Therefore, if the delay time in each of the differential buffers DBF1 to DBF8 is t1 (ns), a plurality of (n stages) differential buffers DBFn are connected in cascade, so that the oscillation period T1 of the ring oscillator 1 is
[0026]
[Equation 5]
T1 = 2 × n × t1 (ns) (5)
It becomes. In the circuit configuration of FIG. 1, since the differential buffer DBFn has eight stages, the oscillation period T1 of the ring oscillator 1 is
[0027]
[Formula 6]
T1 = 16 × t1 (ns) (6)
It becomes.
[0028]
FIG. 3 is a diagram for explaining the function of the selector in the pulse width modulation circuit of FIG.
In the pulse width modulation circuit of FIG. 1, dual output signals OUT and OUT_B from the differential buffers DBF 1 to DBF 8 of the ring oscillator 1 are supplied to the input terminals D 0 to D 15 of the selector 2. The selector 2 selects one of the output signals OUT and OUT_B inputted to the input terminals D0 to D15 based on the 4-bit digital signals S1 to S4, and outputs the selection signal SELOUT. That is, any one of 2 ⁴ = 16 input from the ring oscillator 1 is selected by the digital signals S1 to S4, and is output to the AND gate 7 as the selection signal SELOUT. If the number of the selection signal SELOUT selected here is n, the selection signal SELOUT to be input to the AND gate 7 is determined by the value of n selected by the following logical expression (7).
[0029]
[Expression 7]
n = S4 × 2 ³ + S3 × 2 ² + S2 × 2 + S1 (7)
For example, when a digital signal is input to the selector 2 as (S4, S3, S2, S1) = (1, 1, 0, 0), the signal input to the input terminal D12 becomes the selection signal SELOUT. If the digital signal is (S4, S3, S2, S1) = (1, 1, 1, 1), the signal input to the input terminal D15 becomes the selection signal SELOUT.
[0030]
Among the differential buffers DBF1 to DBF8 of the ring oscillator 1, one of the output signals OUT and OUT_B (the output signal OUT in FIG. 1) of the differential buffer DBF8 at the final stage is the input terminal D0 of the selector 2 and the counters 3 and 4 To the CLK input terminal.
[0031]
The 4-bit counter 3 repeatedly counts down the 4-bit counter value using the output signal OUT of the differential buffer DBF8 at the final stage as the clock signal CLK (15 → 14 → …… → 1 → 0 → 15 → 14 →... ). The 4-bit count value is output to the output terminals CA, CB, CC, and CD in order from the lower bits.
[0032]
In the counter 3, output terminals CA, CB, CC, and CD are connected to input terminals of the AND gate 5 and the AND gate 6, respectively. Therefore, when the signals at the output terminals CA, CB, CC, and CD of the counter 3 all have a high count value, a HIGH signal is output from the AND gate 5 to the rising edge detection circuit 8. Further, when the signals at the output terminals CA, CB, CC, and CD of the counter 3 all become LOW, a HIGH signal is output from the AND gate 6 as a LOAD signal to the counter 4.
[0033]
Unlike the counter 3, the 4-bit counter 4 has a LOAD signal input terminal. When the LOAD signal becomes HIGH and the clock signal CLK rises, the digital signals S5 to S8 to the input terminals A to D are provided. Are set at the output terminals QA, QB, QC and QD. When the LOAD signal becomes LOW, it counts down every time the clock signal CLK rises.
[0034]
The output signal of the AND gate 6 is supplied to the counter 4 as a LOAD signal. Therefore, the counter 4 has a count value at which the signals at the output terminals CA, CB, CC, and CD of the counter 3 all become LOW, the LOAD signal becomes HIGH, and the input terminal A at the rising timing of the clock signal CLK. The 4-bit digital signals S5 to S8 supplied to .about.D are set to the output terminals QA, QB, QC and QD. When the LOAD signal becomes LOW, similarly to the counter 3, the output signal OUT of the final-stage differential buffer DBF8 is used as the clock signal CLK, and the 4-bit counter value is repeatedly counted down.
[0035]
The AND gate 7 rises with the output signal as HIGH at the timing when the selection signal SELOUT of the selector 2 becomes HIGH when the output terminals QA, QB, QC, and QD of the counter 4 are all LOW, that is, when the count value becomes 0. Output to the detection circuit 9.
[0036]
The output signals of the AND gate 5 and the AND gate 7 are detected by the rising detection circuits 8 and 9, respectively, and the pulse signals generated there become the set input S and the reset input R of the flip-flop 10, respectively.
[0037]
FIG. 4 is a block diagram showing an example of the rising edge detection circuit, and FIG. 5 is a timing chart showing the operation of the rising edge detection circuit. The rise detection circuits 8 and 9 are each composed of a delay circuit 21, an inverter circuit 22, and an AND (logical product) circuit 23. Input signals A of the rise detection circuits 8 and 9 are respectively input to the delay circuit 21 and the AND circuit 23, and the delay circuit 21 outputs a signal B delayed by td (ns) to the inverter circuit 22. As a result, the AND circuit 23 outputs a signal C obtained by ANDing the input signal A and the inverted signal B. The signal C detects the rising timing of the input signal A and outputs a pulse having a pulse width td (ns).
[0038]
FIG. 6 is a timing chart for explaining the operation of the pulse width modulation circuit. The digital signal that determines the pulse width of the PWM signal is, for example, 3Ch (S8, S7, S6, S5, S4, S3, S2, S1) = (0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0) The operation when input is described with reference to the time chart of FIG. Here, h indicates that “3C” is a hexadecimal number.
[0039]
The ring oscillator 1 generates an oscillation signal that oscillates repeatedly at an oscillation period T1 (ns). In the differential buffer DBF8 of the ring oscillator 1, one output signal OUT becomes the input terminal D0 of the selector 2 and the clock signal CLK of the counters 3 and 4. When the digital signal 3Ch is (S8, S7, S6, S5, S4, S3, S2, S1) = (0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0), the last-stage differential buffer The output signal OUT of the DBF 8 becomes an output signal delayed by a delay time tl × 12 (ns) by passing through the differential buffers DBF 1 to DBF 8 of each stage 12 times. The terminal D12 is selected and output as the selection signal SELOUT. The counter 3 repeats the countdown with the clock signal CLK, and a pulse signal is generated from the AND gate 5 at the timing when the count value at which all the signals of the output terminals CA, CB, CC, CD are HIGH changes to 15. The signal is detected by the rising edge detection circuit 8 and output as the set input S of the flip-flop 10. Therefore, the PWM signal of the flip-flop 10 is set to HIGH at this timing. Further, the output terminals CA, CB, CC and CD of the counter 3 are all LOW, and at the timing when the clock signal CLK rises, the counter 4 receives the digital value 3 of the 4-bit digital signals S5 to S8 as the output terminals QA, QB, QC and QD are set, and the output signal OUT of the differential buffer DBF8 at the final stage becomes the clock signal CLK and starts counting down.
[0040]
After T1 × 3 (ns) after three cycles of the clock signal CLK, the count value of the counter 4 becomes zero. Therefore, the signals from the output terminals QA, QB, QC, and QD of the counter 4 and the selection signal SELOUT of the selector 2 are input to the AND gate 7, and the output signal obtained by the logical product is reset by the rising detection circuit 9 as a reset input R Since the pulse signal is output to the flip-flop 10, the flip-flop 10 is reset and the PWM signal is inverted to LOW.
[0041]
Here, the delay time Td from when the set input S for setting the flip-flop 10 to the set state is generated until the reset input R is generated is:
[0042]
[Equation 8]
Td = T1 × 3 + t1 × 12 (ns) (8)
It becomes. Since T1 = t1 × 16,
[0043]
[Equation 9]
Td = 60 × t1 = 3Ch × t1 (ns) (9)
It becomes.
[0044]
As described above, the digital signals S1 to S8 = 3Ch maintain a certain relationship between the delay time from the generation of the set pulse S in the rising edge detection circuit 8 to the generation of the reset pulse R in the rising edge detection circuit 9. The Therefore, the pulse width of the PWM signal can be adjusted with high accuracy according to the 8-bit digital signals S1 to S8.
[0045]
【The invention's effect】
As described above, according to the pulse width modulation circuit of the present invention, since the ring oscillator is configured by the differential buffer, the inverter required for the circuit configuration in the conventional method is not required, so that the delay Time generation can be set and controlled with high accuracy. Further, by combining with a counter, it is possible to reduce the scale of the high bit digital PWM signal generation circuit as compared with a configuration including only a ring oscillator.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a pulse width modulation circuit according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of a differential buffer for one stage.
3 is a diagram for explaining a function of a selector in the pulse width modulation circuit of FIG. 1; FIG.
FIG. 4 is a block diagram illustrating an example of a rising edge detection circuit.
FIG. 5 is a timing chart showing an operation of a rising edge detection circuit.
6 is a timing diagram for explaining the operation of the pulse width modulation circuit of FIG. 1; FIG.
FIG. 7 is a block diagram showing an example of a circuit configuration based on a conventional pulse width modulation (PWM modulation) method.
FIG. 8 is a timing chart for explaining the operation of the pulse width modulation circuit.
FIG. 9 is a diagram for explaining a function of a selector in the pulse width modulation circuit.
FIG. 10 is a block diagram illustrating an example of a state change detection circuit.
FIG. 11 is a timing chart showing the operation of the state change detection circuit.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ring oscillator 2 Selector 3, 4 Counter 5, 6, 7 AND gate 8, 9 Rise detection circuit 10 Flip-flop DBF1-DBF8 Differential buffer

Claims

In a pulse width modulation circuit that adjusts a pulse width according to a digital signal of m (m is an integer of 2 or more) bits,
oscillation signal generating means having n (n is an integer of 2 or more) differential buffers cascaded in a ring shape and outputting dual oscillation signals having different phases from the output terminals of each differential buffer; ,
signal selection means for selecting any one of 2n oscillation signals of the oscillation signal generation means by lower s bits (s <m) of the m-bit digital signal;
A set signal is output based on a specific oscillation signal of the oscillation signal generating means, and a pulse signal is output at a timing of a count number corresponding to the upper (ms) bits of the m-bit digital signal, Pulse generation means for outputting a reset signal by performing an AND operation between the oscillation signal selected by the signal selection means and the pulse signal;
And a pulse width modulation circuit that generates a pulse width modulation signal with a pulse width having a resolution of m bits.

The pulse generation means includes
A first pulse is output for each maximum value count of a digital signal of upper (ms) bits using the specific oscillation signal output from a plurality of differential buffers connected in cascade as a ring as a clock. A down counter,
A first detection circuit for detecting a rise or fall of an output pulse of the first down counter and outputting a first pulse;
A second down counter that outputs a pulse after counting according to the digital signal of the upper (ms) bits;
A second detection circuit for detecting a rising or falling edge of an output pulse of the second down counter and outputting a second pulse;
A flip-flop circuit that is set by the first pulse and is reset by a logical product signal of the second pulse and the oscillation signal selected by the signal selection means;
The pulse width modulation circuit according to claim 1, comprising: