JP5596582B2 - Class D amplifier - Google Patents
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Description
本発明は、D級増幅器の出力段のトランジスタを駆動制御するための回路技術に関し、特に出力段のトランジスタがDMOS(Double diffused MOS)トランジスタである場合に有効な回路技術に関する。 The present invention relates to a circuit technique for driving and controlling a transistor of an output stage of a class D amplifier, and more particularly to a circuit technique effective when a transistor of an output stage is a DMOS (Double Diffused MOS) transistor.
ハーフブリッジ型またはブリッジ型のD級増幅器は、パワーMOSトランジスタを直列接続したプッシュプル型の出力段により構成されている。この出力段は、直列接続したパワーMOSトランジスタが同時にオンすることを防ぐために、デッドタイムを有する制御信号によりパワーMOSトランジスタを制御する必要がある。しかしながら、デッドタイムを大きくするとLC型ローパスフィルタを通したアナログ出力の歪率が悪化するという問題が生じる。このため、デッドタイムをできる限り小さくする必要がある。デッドタイムが小さいほどD級増幅器の出力波形の歪は低減され音質は向上する。 A half-bridge or bridge-type class D amplifier includes a push-pull output stage in which power MOS transistors are connected in series. This output stage needs to control the power MOS transistor with a control signal having a dead time in order to prevent the power MOS transistors connected in series from being simultaneously turned on. However, when the dead time is increased, there is a problem that the distortion rate of the analog output through the LC type low-pass filter is deteriorated. For this reason, it is necessary to make the dead time as small as possible. As the dead time is smaller, the distortion of the output waveform of the class D amplifier is reduced and the sound quality is improved.
このように、D級増幅器では出力段の貫通電流を低減し、発熱量・無効消費電力を抑えるためにデッドタイムを設ける必要があるが、アナログ出力信号の歪率向上のためにデッドタイムをできる限り小さくしなければならない。 As described above, in the class D amplifier, it is necessary to provide a dead time in order to reduce the through current of the output stage and suppress the heat generation amount and the reactive power consumption. However, the dead time can be increased in order to improve the distortion rate of the analog output signal. Must be as small as possible.
近年、BCD(bipolar CMOS−DMOS)プロセス技術を用いることにより、高集積化が必要なモジュール部(変調部)をCMOSプロセス技術により、高耐圧が必要なドライバ部をDMOSプロセス技術により形成することによってワンチップ上にD級増幅器を形成することが可能になった。しかし、DMOSトランジスタは、構造上の理由からトランジスタのゲート・ソース間に印加できる最大電圧は、ドレイン・ソース間に印加できる最大電圧より低い。このため、出力段のトランジスタの電源電圧を最大電圧値に設定すると、ゲート・ソース間には電源電圧と等しい電圧を印加できない問題点があった。 In recent years, by using a BCD (bipolar CMOS-DMOS) process technology, a module portion (modulation portion) requiring high integration is formed by a CMOS process technology, and a driver portion requiring high breakdown voltage is formed by a DMOS process technology. It has become possible to form a class D amplifier on one chip. However, in a DMOS transistor, the maximum voltage that can be applied between the gate and source of the transistor is lower than the maximum voltage that can be applied between the drain and source for structural reasons. For this reason, when the power supply voltage of the transistor in the output stage is set to the maximum voltage value, there is a problem that a voltage equal to the power supply voltage cannot be applied between the gate and the source.
図6に、従来のD級増幅器のブロック回路図を示す。従来のD級増幅器は、モジュレータ(変調器)と、デッドタイムを生成する機能を備えた出力トランジスタ駆動回路と、Hレベルのゲート電圧でオンする2個の直列接続したNMOSトランジスタ(NH,NL)からなるプッシュプル型の出力段により構成されている。このように、PWM信号をLC型ローパスフィルタを通してアナログ出力信号に変換して負荷のスピーカ(SPK)を鳴らす構成のハーフブリッジ型のD級増幅器においては、出力段の上段のNMOSトランジスタ(NH)のゲートに印加されるスイッチング信号と、下段のNMOSトランジスタ(NL)のゲートに印加されるスイッチング信号にデッドタイムを設けることにより貫通電流を無くしている。 FIG. 6 shows a block circuit diagram of a conventional class D amplifier. A conventional class D amplifier includes a modulator, an output transistor driving circuit having a function of generating a dead time, and two series-connected NMOS transistors (NH, NL) that are turned on with an H level gate voltage. It is comprised by the push pull type output stage which consists of. In this way, in the half-bridge type class D amplifier configured to convert the PWM signal into an analog output signal through the LC low-pass filter and sound the load speaker (SPK), the upper NMOS transistor (NH) of the output stage A through current is eliminated by providing a dead time between the switching signal applied to the gate and the switching signal applied to the gate of the lower NMOS transistor (NL).
図6に示す出力トランジスタ駆動回路は、モジュレータが出力するPWM信号及びインバータ回路で反転した信号と、それぞれの信号を抵抗RとコンデンサCからなる遅延回路により遅延させた信号とをAND回路に入力させることによりゲート信号SH,SLを生成している。このためデッドタイムは抵抗RとコンデンサCの値により決まる。 The output transistor drive circuit shown in FIG. 6 inputs the PWM signal output from the modulator, the signal inverted by the inverter circuit, and the signal obtained by delaying each signal by the delay circuit including the resistor R and the capacitor C to the AND circuit. As a result, the gate signals SH and SL are generated. For this reason, the dead time is determined by the values of the resistor R and the capacitor C.
図5は、特許文献1に開示されているデッドタイムを有するドライバ回路である。ハイサイド側のゲートスイッチ101とロウサイド側のゲートスイッチ102と、ゲートスイッチのオンオフを制御するドライバ回路100を備えている。ハイサイド側のゲートスイッチ101は、上側制御入力に基づいて制御され、ロウサイド側のゲートスイッチ102は、下側制御入力に基づいて制御されている。ハイサイド側のゲートスイッチ101とロウサイド側のゲートスイッチ102は、それぞれ第1の導電性検出回路105と第2の導電性検出回路106によってゲートスイッチの導電性が検出され、自身のゲートスイッチが非導通状態のときに、他方の制御入力がイネーブルになるようにAND論理回路(103、104)を設けている。これによりハイサイド側とロウサイド側のゲートスイッチが同時にオンすることを防いでいる。
FIG. 5 shows a driver circuit having a dead time disclosed in Patent Document 1. In FIG. A high-
図6に示したような抵抗とコンデンサからなる遅延回路によってデッドタイムを生成する方法では、製造ばらつきによって抵抗とコンデンサの値がばらつくため、高精度のデッドタイムを得ることは困難であった。 In the method of generating a dead time using a delay circuit composed of a resistor and a capacitor as shown in FIG. 6, it is difficult to obtain a highly accurate dead time because the values of the resistor and the capacitor vary due to manufacturing variations.
また、特許文献1に係る発明のゲートスイッチは、通常のMOSトランジスタにより構成されている。前述したように、通常のMOSトランジスタは、トランジスタのゲート・ソース間にドレイン・ソース間電圧の最大電圧と等しい電圧を印加することができるが、DMOSトランジスタでは、ゲート・ソース間に印加できる最大電圧がドレイン・ソース間の最大電圧より低い。そのため、図5の回路の出力段のMOSトランジスタをDMOSトランジスタで構成すると、出力段の電源電圧をDMOSトランジスタのドレイン・ソース間の最大電圧にすることができない。このように、特許文献1に係るドライバ回路では高耐圧特性に特長をもつDMOSトランジスタの機能を十分に発揮できない問題点がある。 Further, the gate switch of the invention according to Patent Document 1 is configured by a normal MOS transistor. As described above, a normal MOS transistor can apply a voltage equal to the maximum drain-source voltage between the gate and source of the transistor, but in a DMOS transistor, the maximum voltage that can be applied between the gate and source. Is lower than the maximum drain-source voltage. Therefore, if the MOS transistor at the output stage of the circuit of FIG. 5 is configured by a DMOS transistor, the power supply voltage at the output stage cannot be the maximum voltage between the drain and source of the DMOS transistor. As described above, the driver circuit according to Patent Document 1 has a problem in that the function of the DMOS transistor having a high breakdown voltage characteristic cannot be sufficiently exhibited.
この課題を解決するために、請求項1に係る発明は、高電源電圧と低電源電圧の間に直列に接続されたハイサイドPチャンネルDMOSトランジスタとロウサイドNチャンネルDMOSトランジスタと、前記高電源電圧と第1の中間電源電圧との間に設けられ、ハイサイド制御信号に基づいて前記ハイサイドPチャンネルDMOSトランジスタを駆動するためのハイサイド駆動回路と、第2の中間電源電圧と前記低電源電圧との間に設けられ、ロウサイド制御信号に基づいて前記ロウサイドNチャンネルDMOSトランジスタを駆動するためのロウサイド駆動回路とを備え、前記ハイサイド駆動回路は、前記ロウサイドNチャンネルDMOSトランジスタが非導通のとき、前記ハイサイド制御信号に基づいて、前記第1の中間電源電圧に相当する電圧を生成する第1の電圧変換回路を備え、前記ロウサイド駆動回路は、前記ハイサイドPチャンネルDMOSトランジスタが非導通のとき、前記ロウサイド制御信号に基づいて、前記第2の中間電源電圧に相当する電圧を生成する第2の電圧変換回路を備えたD級増幅器において、前記第1の電圧変換回路は、前記高電源電圧と前記低電源電圧の間に、第1のPMOSトランジスタと第1の抵抗の並列接続回路と、第1のNMOSトランジスタと、第2のPMOSトランジスタと、前記ロウサイドNチャンネルDMOSトランジスタが非導通のときに導通する第2のNMOSトランジスタとを直列に前記高電源電圧側から順に接続し、前記第1のPMOSトランジスタと前記第1のNMOSトランジスタのゲートを共通の入力端子に接続し、前記第2のPMOSトランジスタのゲートを前記第1の中間電源電圧に接続した構成からなり、前記第2の電圧変換回路は、前記高電源電圧と前記低電源電圧の間に、前記ハイサイドPチャンネルDMOSトランジスタが非導通のときに導通する第3のPMOSトランジスタと、第3のNMOSトランジスタと、第4のPMOSトランジスタと、第4のNMOSトランジスタと第2の抵抗の並列接続回路とを直列に前記高電源電圧側から順に接続し、前記第4のPMOSトランジスタと前記第4のNMOSトランジスタのゲートを共通の入力端子に接続し、前記第3のNMOSトランジスタのゲートを前記第2の中間電源電圧に接続した構成からなることを特徴とする。 In order to solve this problem, the invention according to claim 1 includes a high-side P-channel DMOS transistor and a low-side N-channel DMOS transistor connected in series between a high power supply voltage and a low power supply voltage, and the high power supply voltage. A high-side driving circuit for driving the high-side P-channel DMOS transistor based on a high-side control signal, a second intermediate power-supply voltage, and the low power-supply voltage. disposed between, and a low-side drive circuit for driving the low-side N-channel DMOS transistor based on the low side control signal, the high-side drive circuit, when the low-side N-channel DMOS transistor is non-conductive, the Corresponds to the first intermediate power supply voltage based on the high-side control signal A low-side drive circuit that corresponds to the second intermediate power supply voltage based on the low-side control signal when the high-side P-channel DMOS transistor is non-conductive. In the class D amplifier including a second voltage conversion circuit that generates a voltage to be generated , the first voltage conversion circuit includes a first PMOS transistor and a first voltage between the high power supply voltage and the low power supply voltage. A parallel connection circuit of resistors, a first NMOS transistor, a second PMOS transistor, and a second NMOS transistor that is conductive when the low-side N-channel DMOS transistor is non-conductive are connected in series from the high power supply voltage side. Connect the gates of the first PMOS transistor and the first NMOS transistor to a common input terminal. The second PMOS transistor has a configuration in which the gate of the second PMOS transistor is connected to the first intermediate power supply voltage, and the second voltage conversion circuit includes the high side voltage between the high power supply voltage and the low power supply voltage. A third PMOS transistor, a third NMOS transistor, a fourth PMOS transistor, and a parallel connection circuit of the fourth NMOS transistor and the second resistor that are turned on when the P-channel DMOS transistor is non-conductive are connected in series. Are connected in order from the high power supply voltage side, the gates of the fourth PMOS transistor and the fourth NMOS transistor are connected to a common input terminal, and the gate of the third NMOS transistor is connected to the second intermediate power supply. It is characterized by comprising a configuration connected to a voltage .
請求項2に係る発明は、請求項1に記載のD級増幅器において、前記第1の電圧変換回路は、ゲートを前記ロウサイドNチャンネルDMOSトランジスタのゲートと共通接続し、ソースを前記低電源電圧に接続する第1のNチャンネルDMOSトランジスタと、一端を前記第1のNチャンネルDMOSトランジスタのドレインに接続し、他端を直接又は第1のスイッチ手段を介して前記第2の中間電源電圧に接続する第3の抵抗により構成され、前記第1のNチャンネルDMOSトランジスタのドレインと前記第3の抵抗の接続点を出力とする第1の入力レベル検出回路を備え、前記第2の電圧変換回路は、ゲートを前記ハイサイドPチャンネルDMOSトランジスタのゲートと共通接続し、ソースを前記高電源電圧に接続する第1のPチャンネルDMOSトランジスタと、一端を前記第1のPチャンネルDMOSトランジスタのドレインに接続し、他端を直接又は第2のスイッチ手段を介して前記第1の中間電源電圧に接続する第4の抵抗により構成され、前記第1のPチャンネルDMOSトランジスタのドレインと前記第4の抵抗の接続点を出力とする第2の入力レベル検出回路を備え、前記第1のNチャンネルDMOSトランジスタのスレッシュホールド電圧と前記ロウサイドNチャンネルDMOSトランジスタのスレッシュホールド電圧が等しく、且つ、前記第1のPチャンネルDMOSトランジスタのスレッシュホールド電圧と前記ハイサイドPチャンネルDMOSトランジスタのスレッシュホールド電圧が等しいことを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the class D amplifier according to the first aspect, the first voltage conversion circuit has a gate commonly connected to a gate of the low-side N-channel DMOS transistor, and a source connected to the low power supply voltage. The first N-channel DMOS transistor to be connected and one end connected to the drain of the first N-channel DMOS transistor and the other end connected directly or via the first switch means to the second intermediate power supply voltage. A first input level detection circuit configured by a third resistor, the output of which is a connection point between the drain of the first N-channel DMOS transistor and the third resistor; and the second voltage conversion circuit includes: A first P channel having a gate commonly connected to the gate of the high side P-channel DMOS transistor and a source connected to the high power supply voltage. And a fourth resistor having one end connected to the drain of the first P-channel DMOS transistor and the other end connected directly or via the second switch means to the first intermediate power supply voltage. And a second input level detection circuit that outputs a connection point between the drain of the first P-channel DMOS transistor and the fourth resistor, the threshold voltage of the first N-channel DMOS transistor and the low side The threshold voltage of the N channel DMOS transistor is equal, and the threshold voltage of the first P channel DMOS transistor is equal to the threshold voltage of the high side P channel DMOS transistor .
請求項3に係る発明は、請求項1または請求項2に記載のD級増幅回路において、前記第2のPMOSトランジスタのゲート入力を、前記高電源電圧に切り替える切替手段と、前記第3のNMOSトランジスタのゲート接続を前記低電源電圧に切り替える切替手段を有することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the class D amplifier circuit according to the first or second aspect, switching means for switching a gate input of the second PMOS transistor to the high power supply voltage, and the third NMOS It has switching means for switching the gate connection of the transistor to the low power supply voltage .
本発明のD級増幅器のドライバ駆動回路は、任意のMOSトランジスタで形成することができるが、特に、出力トランジスタをDMOSトランジスタにより形成した場合には、出力段の電源電圧を最大電源電圧まで高くすることができる。また、デッドタイムを最小限に抑えることにより全高調波歪率を低くすることができる。 The driver drive circuit of the class D amplifier of the present invention can be formed of any MOS transistor. In particular, when the output transistor is formed of a DMOS transistor, the power supply voltage of the output stage is increased to the maximum power supply voltage. be able to. Further, the total harmonic distortion can be lowered by minimizing the dead time.
(実施の形態1)図1に本発明の請求項1に係るD級増幅器の回路図を示す。従来例のD級増幅器の出力段は、直列に接続した2つのNMOSトランジスタであったが、本発明では、高電源電圧VHHと低電源電圧VLLの間に、PMOSトランジスタQPHとNMOSトランジスタQNLを直列に接続する構成としている。そして、PMOSトランジスタQPHを駆動するために、高電源電圧VHHと第1の中間電源電圧VHLの間にハイサイド駆動回路21を設け、NMOSトランジスタQNLを駆動するために、第2の中間電源電圧VLHと低電源電圧VLLとの間にロウサイド駆動回路31を設けている。この回路構成をとることによって、出力段のPMOSトランジスタQPHとNMOSトランジスタQNLのゲート・ソース間電圧をドレイン・ソース間電圧よりも低くすることができる。
(Embodiment 1) FIG. 1 is a circuit diagram of a class D amplifier according to claim 1 of the present invention. Although the output stage of the conventional class D amplifier is two NMOS transistors connected in series, in the present invention, a PMOS transistor QPH and an NMOS transistor QNL are connected in series between the high power supply voltage VHH and the low power supply voltage VLL. It is configured to connect to. In order to drive the PMOS transistor QPH, a high
前記高電源電圧VHH、低電源電圧VLL、第1の中間電源電圧VHL、第2の中間電源電圧VLHの関係は、低電源電圧VLL<第1の中間電源電圧VHL<高電源電圧VHH、及び、低電源電圧VLL<第2の中間電源電圧VLH<高電源電圧VHHである。 The relationship among the high power supply voltage VHH, the low power supply voltage VLL, the first intermediate power supply voltage VHL, and the second intermediate power supply voltage VLH is as follows: low power supply voltage VLL <first intermediate power supply voltage VHL <high power supply voltage VHH Low power supply voltage VLL <second intermediate power supply voltage VLH <high power supply voltage VHH.
レベルシフト回路11とハイサイド駆動回路21との間に、第1の電圧変換回路(20a、20b)が配置されている。この回路は、高電源電圧VHHと低電源電圧VLLとの間に、PMOSトランジスタQP1と抵抗R1の並列接続回路、NMOSトランジスタQN1、PMOSトランジスタQP2、NMOSトランジスタQN2を高電源電圧側から順に直列接続している。PMOSトランジスタQP1とNMOSトランジスタQN1のゲートを共通接続し、第1の電圧変換回路(20a、20b)の入力としている。PMOSトランジスタQP2のゲートは第1の中間電源電圧VHLに接続されている。NMOSトランジスタQN2のゲートは出力段のNMOSトランジスタQNLのゲート入力をインバータ回路25を介して入力している。第1の電圧変換回路(20a、20b)の出力は、高電源電圧VHHに一端を接続するPMOSトランジスタQP1と抵抗R1の並列接続回路の他端である。
Between the level shift circuit 11 and the high
同様に、レベルシフト回路12とロウサイド駆動回路31との間に、第2の電圧変換回路(30a、30b)が配置されている。この回路は、高電源電圧VHHと低電源電圧VLLとの間に、PMOSトランジスタQP3、NMOSトランジスタQN3、PMOSトランジスタQP4、NMOSトランジスタQN4と抵抗R2の並列接続回路を高電源電圧側から順に直列接続している。PMOSトランジスタQP4とNMOSトランジスタQN4のゲートを共通接続し、第2の電圧変換回路(30a、30b)の入力としている。NMOSトランジスタQN3のゲートは第2の中間電源電圧VLHに接続されている。PMOSトランジスタQP3のゲートは出力段のPMOSトランジスタQPHのゲート入力をインバータ回路24を介して入力している。第2の電圧変換回路(30a、30b)の出力は、低電源電圧VLLに一端を接続するNMOSトランジスタQN4と抵抗R2の並列接続回路の他端である。
Similarly, a second voltage conversion circuit (30a, 30b) is disposed between the
なお、抵抗R3,R4は、各電源電圧が立ち上がる前に出力段のトランジスタがオンしないようにゲートを固定するための抵抗である。 The resistors R3 and R4 are resistors for fixing the gate so that the output stage transistor is not turned on before each power supply voltage rises.
次に、本発明の回路の動作について説明する。まず、入力端子INの電圧がLレベルの場合を考える。レベルシフト回路11、レベルシフト回路12によって極性が変化しないと仮定すると、ノードn1の電圧レベルはハイサイド駆動回路21の電源電圧(電圧VHH、電圧VHL)に電圧変換されてLレベル(電圧VHL)となり、ノードn2の電圧は、ロウサイド駆動回路22の電源電圧(電圧VLH、電圧VLL)に電圧変換されてLレベル(電圧VLL)となる。
Next, the operation of the circuit of the present invention will be described. First, consider the case where the voltage at the input terminal IN is at L level. Assuming that the polarity is not changed by the level shift circuit 11 and the
ノードn1がLレベル(電圧VHL)のため、PMOSトランジスタQP1がオン、NMOSトランジスタQN1はオフとなる。このため、ノードn3はHレベル(電圧VHH)となり、バッファ22の出力のノードn5はHレベル(電圧VHH)となる。よってPMOSトランジスタQPHはオフする。
Since the node n1 is at the L level (voltage VHL), the PMOS transistor QP1 is turned on and the NMOS transistor QN1 is turned off. Therefore, the node n3 is at the H level (voltage VHH), and the node n5 at the output of the
このとき、PMOSトランジスタQP3は、ノードn5の電圧がインバータ回路24により反転されてLレベル(電圧VHL)が入力するためオンとなる。また、PMOSトランジスタQP4はノードn2がLレベル(電圧VLL)であるのでオンしている。そこで、電源電圧VHHから電源電圧VLLに向かって、PMOSトランジスタQP3、NMOSトランジスタQN3、PMOSトランジスタQP4、抵抗R2の電流経路により電流が流れる。このとき、NMOSトランジスタQN3のゲート電圧が電圧VLHであるので、NMOSトランジスタQN3のソース端子の電圧が電圧VLH−Vth(VthはNMOSトランジスタQN3のしきい値電圧)となるまで電流が流れる。これにより、ノードn4の電位はHレベルに相当する電圧(電圧VLH−Vth)となる。そして、バッファ23の出力のノードn6はHレベル(電圧VLH)となり、出力段のNMOSトランジスタQNLはオンする。
At this time, the PMOS transistor QP3 is turned on because the voltage of the node n5 is inverted by the
このとき、NMOSトランジスタQN2は、ノードn6の電圧がインバータ回路25により反転されてLレベル(電圧VLL)が入力するためオフとなる。
At this time, the NMOS transistor QN2 is turned off because the voltage of the node n6 is inverted by the
この状態から、入力端子INに入力した信号がHレベルに変化する場合を考える。ノードn1はHレベル(電圧VHH)となり、ノードn2もHレベル(電圧VLH)に変化する。これにより、第2の電圧変換回路(30a、30b)のNMOSトランジスタQN4がオン、PMOSトランジスタQP4がオフとなる。このため、ノードn4はLレベル(電圧VLL)となり、バッファ23の出力のノードn6がLレベル(電圧VLL)となるため、出力段のNMOSトランジスタQNLがオンからオフに変化する。
Consider the case where the signal input to the input terminal IN changes to H level from this state. The node n1 becomes H level (voltage VHH), and the node n2 also changes to H level (voltage VLH). As a result, the NMOS transistor QN4 of the second voltage conversion circuit (30a, 30b) is turned on and the PMOS transistor QP4 is turned off. For this reason, the node n4 becomes L level (voltage VLL) and the node n6 of the output of the
一方、第1の電圧変換回路(20a、20b)は、NMOSトランジスタQN2がオンすることにより、ノードn3の電位がLレベルに相当する電圧(電位VHL+Vth(VthはPMOSトランジスタQP2のしきい値電圧))へと変化する。これによりバッファ22の出力のノードn5がLレベル(電圧VHL)となり、出力段のPMOSトランジスタQPHがオフからオンに変化する。
On the other hand, when the NMOS transistor QN2 is turned on, the first voltage conversion circuit (20a, 20b) has a voltage corresponding to the potential of the node n3 of L level (potential VHL + Vth (Vth is the threshold voltage of the PMOS transistor QP2)). ). As a result, the output node n5 of the
このように、入力端子INに入力した信号がLレベルからHレベルに変化すると、出力段のNMOSトランジスタQNLがオフした後、デッドタイム(DT)を経てからPMOSトランジスタQPHがオンする(図4参照)。 Thus, when the signal input to the input terminal IN changes from the L level to the H level, the NMOS transistor QNL in the output stage is turned off, and then the PMOS transistor QPH is turned on after a dead time (DT) (see FIG. 4). ).
同様に、入力端子INに入力した信号がHレベルからLレベルに変化する場合を考える。ノードn1は、Lレベル(電圧VHL)となり、ノードn2も、Lレベル(電圧VLL)に変化する。これにより、第1の電圧変換回路(20a、20b)のPMOSトランジスタQP1がオン、NMOSトランジスタQN1がオフとなる。このため、ノードn3はHレベル(電圧VHH)となり、バッファ22の出力のノードn5がHレベル(電圧VHH)となるため、出力段のPMOSトランジスタQPHがオンからオフに変化する。
Similarly, consider a case where the signal input to the input terminal IN changes from H level to L level. The node n1 becomes L level (voltage VHL), and the node n2 also changes to L level (voltage VLL). As a result, the PMOS transistor QP1 of the first voltage conversion circuit (20a, 20b) is turned on and the NMOS transistor QN1 is turned off. For this reason, the node n3 becomes H level (voltage VHH), and the output node n5 of the
一方、第2の電圧変換回路(30a、30b)は、PMOSトランジスタQP3がオンすることにより、ノードn4の電位がHレベルに相当する電圧(電位VLH−Vth(VthはNMOSトランジスタQN3のしきい値電圧))へと変化する。これによりバッファ23の出力のノードn6がHレベル(電圧VLH)となり、出力段のNMOSトランジスタQNLがオフからオンに変化する。
On the other hand, when the PMOS transistor QP3 is turned on, the second voltage conversion circuit (30a, 30b) has a voltage corresponding to the H level of the potential of the node n4 (potential VLH−Vth (Vth is a threshold value of the NMOS transistor QN3). Voltage)). As a result, the output node n6 of the
このように、入力端子INに入力した信号がHレベルからLレベルに変化すると、出力段のPMOSトランジスタQPHがオフした後、デッドタイム(DT)を経てからNMOSトランジスタQNLがオンする(図4参照)。 As described above, when the signal input to the input terminal IN changes from the H level to the L level, the PMOS transistor QPH in the output stage is turned off, and then the NMOS transistor QNL is turned on after a dead time (DT) (see FIG. 4). ).
このように、本実施の形態によると出力段のトランジスタを同時にオンさせないような最適なデッドタイムを自動的に設定できるとともに、出力段のトランジスタのゲート・ソース間電圧をドレイン・ソース間電圧より低くすることができることから、出力段をDMOSトランジスタにより構成するD級増幅器に好適である。 As described above, according to this embodiment, it is possible to automatically set the optimum dead time so as not to turn on the transistors in the output stage at the same time, and to lower the gate-source voltage of the output stage transistor than the drain-source voltage. Therefore, it is suitable for a class D amplifier whose output stage is composed of DMOS transistors.
(実施の形態2)図2に本発明の請求項2に係るD級増幅器の回路図を示す。図1の回路と異なる箇所は、第1の電圧変換回路(20a、20b´)内に第1の入力レベル検出回路50を追加し、第2の電圧変換回路(30a、30b´)に第2の入力レベル検出回路60を追加している点である。
It shows a circuit diagram of a class D amplifier according to claim 2 of the present invention in FIG. 2 (Embodiment 2). The difference from the circuit of FIG. 1 is that a first input
第1の入力レベル検出回路50は、出力段のNMOSトランジスタQNLとゲートとソースが共通接続するNMOSトランジスタQN5と、一端がNMOSトランジスタQN5のドレインに接続し他端がPMOSトランジスタQP5のドレインに接続する抵抗R5と、ゲートがNMOSトランジスタQN5と共通接続し、ドレインが抵抗R5の一端に接続し、ソースが第2の中間電源電圧(VLH)に接続するPMOSトランジスタQP5と、NMOSトランジスタQN5のドレインと抵抗R5との接続点を入力とする極性反転用のインバータ27から構成される。
The first input
第2の入力レベル検出回路60は、出力段のPMOSトランジスタQPHとゲートとソースが共通接続するPMOSトランジスタQP6と、一端がPMOSトランジスタQP6のドレインに接続し他端がNMOSトランジスタQN6のドレインに接続する抵抗R6と、ゲートがPMOSトランジスタQP6と共通接続し、ドレインが抵抗R6の一端に接続し、ソースが第1の中間電源電圧(VHL)に接続するNMOSトランジスタQN6と、PMOSトランジスタQP6のドレインと抵抗R6との接続点を入力とする極性反転用のインバータ26から構成される。
The second input
本実施の形態における特徴は、第1の入力レベル検出回路50のNMOSトランジスタQN5と出力段のNMOSトランジスタQNLを、同一のプロセスであるNチャンネルDMOSトランジスタにより構成し、両NチャンネルDMOSトランジスタのスレッシュホールド電圧値を同一にすると共に、第2の入力レベル検出回路60のPMOSトランジスタQP6と出力段のPMOSトランジスタQPHを、同一のプロセスであるPチャンネルDMOSトランジスタにより構成し、両PチャンネルDMOSトランジスタのスレッシュホールド電圧値を同一にすることである。
A feature of the present embodiment is that the NMOS transistor QN5 of the first input
入力レベル検出回路50と入力レベル検出回路60の動作を次に説明する。まずノードn6の電位がHレベル(電圧VLH)からLレベル(電圧VLL)に変化する場合(図4参照)には、出力段のNMOSトランジスタQNLがオンからオフに変化し、同時に、入力レベル検出回路50のNMOSトランジスタQN5もオンからオフへと変化する。このとき、PMOSトランジスタQP5がオンすることから、インバータ27の入力電位がHレベル(電圧VLH)となる。よって、インバータ27の出力はLレベル(電圧VLL)、インバータ25の出力はHレベル(電圧VLH)となり、NMOSトランジスタQN2がオンする。これにより、第1の電圧変換回路の回路20aに電源電圧VLLが供給される。
Next, operations of the input
次にノードn5の電位がLレベル(電圧VHL)からHレベル(電圧VHH)に変化する場合(図4参照)には、出力段のPMOSトランジスタQPHがオンからオフに変化し、同時に、入力レベル検出回路60のPMOSトランジスタQP6もオンからオフへと変化する。このとき、NMOSトランジスタQN6がオンすることから、インバータ26の入力電位がLレベルとなるため、インバータ26の出力がHレベル(電圧VHH)、インバータ24の出力はLレベル(電圧VHL)となり、PMOSトランジスタQP3がオンする。これにより、第2の電圧変換回路の回路30aに電源電圧VHHが供給される。
Next, when the potential of the node n5 changes from the L level (voltage VHL) to the H level (voltage VHH) (see FIG. 4), the output stage PMOS transistor QPH changes from on to off, and at the same time the input level. The PMOS transistor QP6 of the
上述した動作において、出力段のNMOSトランジスタQNLとNMOSトランジスタQN5は同一のプロセスによるDMOSトランジスタにより構成され両トランジスタのスレッシュホールド電圧が同一であることから、両トランジスタがオンからオフに変化するタイミングは同じとなる。同様に、出力段のPMOSトランジスタQPHとPMOSトランジスタQP6は同一のプロセスによるDMOSトランジスタにより構成され両トランジスタのスレッシュホールド電圧が同一であることから、両トランジスタがオフからオンに変化するタイミングは同じとなる。よって、デッドタイムのばらつきが抑えられ、より精度の高いデッドタイム制御が可能となる。 In the above-described operation, the NMOS transistor QNL and the NMOS transistor QN5 in the output stage are composed of DMOS transistors by the same process, and the threshold voltages of both transistors are the same, so the timing when both transistors change from on to off is the same. It becomes. Similarly, the PMOS transistor QPH and the PMOS transistor QP6 in the output stage are configured by DMOS transistors by the same process, and the threshold voltages of both transistors are the same. Therefore, the timing when both transistors change from OFF to ON is the same. . Therefore, variation in dead time is suppressed, and more accurate dead time control is possible.
なお、PMOSトランジスタQP5、及びNMOSトランジスタQN6は、それぞれ電源からNMOSトランジスタQN5、及びPMOSトランジスタQP5へのDCパスを切断し、消費電流を抑えるためのスイッチ手段であり必ずしも必要ではない。つまり、抵抗R5の一端をPMOSトランジスタQP5のドレインに接続せずに、直接第2の中間電圧(電圧VLH)に接続してもよい。同様に、抵抗R6の一端をNMOSトランジスタQN6のドレインに接続せずに、直接第1の中間電圧(電圧VHL)接続してもよい。 Note that the PMOS transistor QP5 and the NMOS transistor QN6 are switching means for cutting the DC path from the power source to the NMOS transistor QN5 and the PMOS transistor QP5, respectively, and suppressing current consumption, and are not necessarily required. That is, one end of the resistor R5 may be directly connected to the second intermediate voltage (voltage VLH) without being connected to the drain of the PMOS transistor QP5. Similarly, the first intermediate voltage (voltage VHL) may be directly connected without connecting one end of the resistor R6 to the drain of the NMOS transistor QN6.
なお、消費電流を抑えるために、抵抗R5及び抵抗R6はそれぞれNMOSトランジスタQN5、PMOSトランジスタQP6のオン抵抗よりも十分大きな値とすることが好適である。 In order to suppress current consumption, it is preferable that the resistors R5 and R6 have values sufficiently larger than the on-resistances of the NMOS transistor QN5 and the PMOS transistor QP6, respectively.
(実施の形態3)図3に本発明の請求項3に係るD級増幅器の回路図を示す。新たにイネーブル端子ENを設けて、第1の電圧変換回路(20a、20b)のPMOSトランジスタQP2のゲートにHレベル(電圧VHH)を、第2の電圧変換回路(30a、30b)のNMOSトランジスタQN3のゲートにLレベル(電圧VLL)を入力することにより、電圧変換回路をスタンバイ状態にしている。電圧変換回路をスタンバイ状態にすることにより、電圧変換回路の貫通電流がなくなると共に、出力段の2つのトランジスタを両方オフにすることができる。なお、図3では、先に図1で説明したD級増幅器に対して新たにイネーブル端子ENを設ける場合について説明したが、先に図2で説明したD級増幅器に対しても新たにイネーブル端子ENを設けることも可能であることはいうまでもない。
It shows a circuit diagram of a class D amplifier according to claim 3 of the present invention in FIG. 3 (Embodiment 3). An enable terminal EN is newly provided to set the H level (voltage VHH) to the gate of the PMOS transistor QP2 of the first voltage conversion circuit (20a, 20b), and the NMOS transistor QN3 of the second voltage conversion circuit (30a, 30b). By inputting the L level (voltage VLL) to the gate, the voltage conversion circuit is set in the standby state. By setting the voltage conversion circuit to the standby state, the through current of the voltage conversion circuit is eliminated, and both the two transistors in the output stage can be turned off. In FIG. 3, the case where the enable terminal EN is newly provided for the class D amplifier described in FIG. 1 has been described. However, the enable terminal is also newly provided for the class D amplifier previously described in FIG. Needless to say, EN may be provided.
11,12,13,14:レベルシフト回路
20a,20b,20b´:第1の電圧変換回路
30a,30b,30b´:第2の電圧変換回路
21:ハイサイド駆動回路
31:ロウサイド駆動回路
22,23:バッファ
24,25,26,27,28:インバータ回路
50,60:入力レベル検出回路
QP1,QP2,QP3,QP4,QP5,QP6:PMOSトランジスタ
QN1,QN2,QN3,QN4,QN5,QN6:NMOSトランジスタ
QPH:PMOSトランジスタ
QNL:NMOSトランジスタ
R1,R2,R3,R4,R5,R6:抵抗
11, 12, 13, 14:
Claims (3)
前記ハイサイド駆動回路は、前記ロウサイドNチャンネルDMOSトランジスタが非導通のとき、前記ハイサイド制御信号に基づいて、前記第1の中間電源電圧に相当する電圧を生成する第1の電圧変換回路を備え、
前記ロウサイド駆動回路は、前記ハイサイドPチャンネルDMOSトランジスタが非導通のとき、前記ロウサイド制御信号に基づいて、前記第2の中間電源電圧に相当する電圧を生成する第2の電圧変換回路を備えたD級増幅器において、
前記第1の電圧変換回路は、前記高電源電圧と前記低電源電圧の間に、第1のPMOSトランジスタと第1の抵抗の並列接続回路と、第1のNMOSトランジスタと、第2のPMOSトランジスタと、前記ロウサイドNチャンネルDMOSトランジスタが非導通のときに導通する第2のNMOSトランジスタとを直列に前記高電源電圧側から順に接続し、前記第1のPMOSトランジスタと前記第1のNMOSトランジスタのゲートを共通の入力端子に接続し、前記第2のPMOSトランジスタのゲートを前記第1の中間電源電圧に接続した構成からなり、
前記第2の電圧変換回路は、前記高電源電圧と前記低電源電圧の間に、前記ハイサイドPチャンネルDMOSトランジスタが非導通のときに導通する第3のPMOSトランジスタと、第3のNMOSトランジスタと、第4のPMOSトランジスタと、第4のNMOSトランジスタと第2の抵抗の並列接続回路とを直列に前記高電源電圧側から順に接続し、前記第4のPMOSトランジスタと前記第4のNMOSトランジスタのゲートを共通の入力端子に接続し、前記第3のNMOSトランジスタのゲートを前記第2の中間電源電圧に接続した構成からなることを特徴とするD級増幅器。 A high-side control is provided between a high-side P channel DMOS transistor and a low-side N-channel DMOS transistor connected in series between a high power supply voltage and a low power supply voltage, and between the high power supply voltage and the first intermediate power supply voltage. A high-side driving circuit for driving the high-side P-channel DMOS transistor based on a signal, and a second intermediate power-supply voltage and the low power-supply voltage, and the low-side N-channel based on a low-side control signal. A low side driving circuit for driving the DMOS transistor ,
The high-side drive circuit includes a first voltage conversion circuit that generates a voltage corresponding to the first intermediate power supply voltage based on the high-side control signal when the low-side N-channel DMOS transistor is non-conductive. ,
The low-side drive circuit includes a second voltage conversion circuit that generates a voltage corresponding to the second intermediate power supply voltage based on the low-side control signal when the high-side P-channel DMOS transistor is non-conductive . In class D amplifier,
The first voltage conversion circuit includes a parallel connection circuit of a first PMOS transistor and a first resistor, a first NMOS transistor, and a second PMOS transistor between the high power supply voltage and the low power supply voltage. And a second NMOS transistor that is conductive when the low-side N-channel DMOS transistor is non-conductive is connected in series from the high power supply voltage side, and the gates of the first PMOS transistor and the first NMOS transistor Are connected to a common input terminal, and the gate of the second PMOS transistor is connected to the first intermediate power supply voltage,
The second voltage conversion circuit includes a third PMOS transistor, a third NMOS transistor, which are turned on when the high-side P-channel DMOS transistor is non-conductive between the high power supply voltage and the low power supply voltage. , A fourth PMOS transistor, a fourth NMOS transistor, and a parallel connection circuit of a second resistor are connected in series from the high power supply voltage side, and the fourth PMOS transistor and the fourth NMOS transistor A class D amplifier comprising a configuration in which a gate is connected to a common input terminal, and a gate of the third NMOS transistor is connected to the second intermediate power supply voltage .
前記第2の電圧変換回路は、ゲートを前記ハイサイドPチャンネルDMOSトランジスタのゲートと共通接続し、ソースを前記高電源電圧に接続する第1のPチャンネルDMOSトランジスタと、一端を前記第1のPチャンネルDMOSトランジスタのドレインに接続し、他端を直接又は第2のスイッチ手段を介して前記第1の中間電源電圧に接続する第4の抵抗により構成され、前記第1のPチャンネルDMOSトランジスタのドレインと前記第4の抵抗の接続点を出力とする第2の入力レベル検出回路を備え、
前記第1のNチャンネルDMOSトランジスタのスレッシュホールド電圧と前記ロウサイドNチャンネルDMOSトランジスタのスレッシュホールド電圧が等しく、且つ、前記第1のPチャンネルDMOSトランジスタのスレッシュホールド電圧と前記ハイサイドPチャンネルDMOSトランジスタのスレッシュホールド電圧が等しいことを特徴とする請求項1に記載のD級増幅器。 The first voltage conversion circuit has a gate commonly connected to the gate of the low-side N-channel DMOS transistor, a source connected to the low power supply voltage, and one end connected to the first N-channel. A third resistor connected to the drain of the DMOS transistor and having the other end connected directly or via the first switch means to the second intermediate power supply voltage; and the drain of the first N-channel DMOS transistor A first input level detection circuit that outputs a connection point of the third resistor;
The second voltage conversion circuit has a gate commonly connected to the gate of the high-side P-channel DMOS transistor, a source connected to the high power supply voltage, and one end connected to the first P-channel DMOS transistor. The drain of the first P-channel DMOS transistor is connected to the drain of the channel DMOS transistor, and the other end is connected to the first intermediate power supply voltage directly or via the second switch means. And a second input level detection circuit that outputs a connection point of the fourth resistor,
The threshold voltage of the first N-channel DMOS transistor is equal to the threshold voltage of the low-side N-channel DMOS transistor, and the threshold voltage of the first P-channel DMOS transistor is equal to the threshold voltage of the high-side P-channel DMOS transistor. 2. The class D amplifier according to claim 1, wherein the hold voltages are equal .
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