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CN109120269B - 一种数字模拟转换器 - Google Patents

一种数字模拟转换器 Download PDF

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CN109120269B
CN109120269B CN201810888813.7A CN201810888813A CN109120269B CN 109120269 B CN109120269 B CN 109120269B CN 201810888813 A CN201810888813 A CN 201810888813A CN 109120269 B CN109120269 B CN 109120269B
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张海军
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周佳宁
杜黎明
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Shanghai Awinic Technology Co Ltd
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Shanghai Awinic Technology Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种数字模拟转换器，包括第一开关、第二开关、第一电流源和第二电流源；第一开关的一端与电压输入端连接，另一端与第一电流源的第一端连接；第一电流源的第二端连接第二电流源的第一端，第二电流源的第二端与第二开关的一端连接，第二开关的另一端接地连接；第一开关的开关状态和第二开关的开关状态由PWM输入信号控制，PWM输入信号用于将第一开关处于闭合状态时，第二开关处于断开状态；PWM输入信号还用于将第一开关处于断开状态时，第二开关处于闭合状态。该数字模拟转换器采用电流源的形式可以直接提高其等效输出阻抗，以提高自身的电源抑制比，进而提高数字功放系统的电源抑制比。

Description

一种数字模拟转换器
技术领域
本发明涉及半导体集成电路技术领域，更具体地说，涉及一种数字模拟转换器。
背景技术
数字功放具有失真小、噪音低、动态范围大和抗干扰能力强等优点，在音质的透明度、解析力、背景的宁静以及低频的震撼力度方面的优势大大超过传统的模拟功放和classD功放。
随着DVD家庭影院、迷你音响系统、机顶盒、个人电脑、LCD电视、平板显示器和移动电话等消费类产品的更新，尤其是SACD、DVD Audio等一些高采样频率的新音源规格的出现，以及音响系统从立体声到多声道环绕系统的进化，都加速了数字功放的发展。
在数字功放领域，现有针对HIFI发烧友而出现了一种新的名词“纯数字功放”，其支持很多数字音频格式信号输入，如12S和TDM等，其可以经过数字DSP处理，实现丰富的音效算法，有很强的RF抗干扰能力，用在手机上，具有天然的优势，数字信号在传输过程中不会带来相位延迟、相位失真和交越失真等问题，听感的好处就是声音会更通透、定位更准以及声音更接近真实。
在一些应用系统中，电源往往不太干净，有不同频率的电源纹波，若音频功放芯片的电源抑制比(PSRR)做得不够好的话，电源上的音频噪声就会通过音频功放芯片传送到喇叭上，引起烦躁的音频噪声，影响语音或音乐听感。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种数字模拟转换器该数字模拟转换器提高了电源抑制比，解决了现有技术中存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种数字模拟转换器，应用于数字功放系统中，所述数字模拟转换器包括：第一开关、第二开关、第一电流源和第二电流源；
其中，所述第一开关的一端与电压输入端连接，所述第一开关的另一端与所述第一电流源的第一端连接；
所述第一电流源的第二端连接所述第二电流源的第一端，所述第一电流源和所述第二电流源的连接节点作为所述数字模拟转换器的信号输出端；
所述第二电流源的第二端与所述第二开关的一端连接，所述第二开关的另一端接地连接；
所述第一开关的开关状态和所述第二开关的开关状态由PWM输入信号控制，所述PWM输入信号用于将所述第一开关处于闭合状态时，所述第二开关处于断开状态；所述PWM输入信号还用于将所述第一开关处于断开状态时，所述第二开关处于闭合状态。
优选的，在上述数字模拟转换器中，所述第一电流源为第一场效应管和第二场效应管；
所述第二电流源为第三场效应管和第四场效应管；
其中，所述第一场效应管的源极与所述第一开关的另一端连接，所述第一场效应管的漏极与所述第二场效应管的源极连接，所述第一场效应管的栅极用于接收第一偏置电压；
所述第二场效应管的漏极与所述第三场效应管的漏极连接，所述第二场效应管的栅极用于接收第二偏置电压；
所述第三场效应管的源极与所述第四场效应管的漏极连接，所述第三场效应管的栅极用于接收第三偏置电压；
所述第四场效应管源极与所述第二开关的一端连接，所述第四场效应管的栅极用于接收第四偏置电压；
所述第二场效应管的漏极和所述第三场效应管的漏极的连接节点作为所述数字模拟转换器的信号输出端。
优选的，在上述数字模拟转换器中，所述第一场效应管和所述第二场效应管为P型场效应管；
所述第三场效应管和所述第四场效应管为N型场效应管。
优选的，在上述数字模拟转换器中，所述第一偏置电压由第一电流产生电路生成，用于为所述第一场效应管提供栅极电压；
所述第二偏置电压由第二电流产生电路生成，用于为所述第二场效应管提供栅极电压；
所述第三偏置电压由第三电流产生电路生成，用于为所述第三场效应管提供栅极电压；
所述第四偏置电压由第四电流产生电路生成，用于为所述第四场效应管提供栅极电压。
优选的，在上述数字模拟转换器中，所述第一开关和所述第二开关为场效应管。
优选的，在上述数字模拟转换器中，所述第一开关为P型场效应管，所述第二开关为N型场效应管。
优选的，在上述数字模拟转换器中，所述第一开关为N型场效应管，所述第二开关为P型场效应管。
通过上述描述可知，本发明提供的一种数字模拟转换器，应用于数字功放系统中，所述数字模拟转换器包括：第一开关、第二开关、第一电流源和第二电流源；其中，所述第一开关的一端与电压输入端连接，所述第一开关的另一端与所述第一电流源的第一端连接；所述第一电流源的第二端连接所述第二电流源的第一端，所述第一电流源和所述第二电流源的连接节点作为所述数字模拟转换器的信号输出端；所述第二电流源的第二端与所述第二开关的一端连接，所述第二开关的另一端接地连接；所述第一开关的开关状态和所述第二开关的开关状态由PWM输入信号控制，所述PWM输入信号用于将所述第一开关处于闭合状态时，所述第二开关处于断开状态；所述PWM输入信号还用于将所述第一开关处于断开状态时，所述第二开关处于闭合状态。
该数字模拟转换器采用电流源的形式以及电流源的连接方式，相比较现有技术中的数字模拟转换器可以直接提高电源抑制比。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种数字模拟转换器的数字功放系统应用场景示意图；
图2为本发明实施例提供的一种VOP通道的数字功放子系统的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种数字模拟转换器的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种数字模拟转换器的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1，图1为本发明实施例提供的一种数字模拟转换器的数字功放系统应用场景示意图，其作用将数字模块处理后的PWM信号转换成模拟信号，其中包括VOP和VON两个通道，下面以VOP通道的数字功放子系统为例进行说明。
参考图2，图2为本发明实施例提供的一种VOP通道的数字功放子系统的结构示意图，所述VOP通道的数字功放子系统包括：数字模拟转换器DAC、运算放大器AMP、积分器21、PWM比较器22、驱动器23、第一电阻RF、电容C1和共模电压信号产生模块24。
其中，所述数字模拟转换器DAC的信号输出端DAC_VOP与所述运算放大器AMP的反相输入端连接，所述运算放大器AMP的同相输入端与所述共模电压信号产生模块24的输出端VCM连接，所述运算放大器AMP的输出端AMP_VP1与所述积分器21的输入端连接。
所述积分器21的输出端与所述PWM比较器22的输入端连接，所述PWM比较器22的输出端PWM_P2与所述驱动器23的输入端连接，所述驱动器的输出端作为所述数字功放子系统的信号输出端VOP。
所述第一电阻RF的一端与所述运算放大器AMP的反相输入端连接，所述第一电阻RF的另一端与所述驱动器的输出端连接。
所述电容C1的一端与所述运算放大器AMP的反相输入端连接，所述电容C1的另一端与所述运算放大器AMP的输出端AMP_VP1连接。
其中，所述共模电压信号产生模块24包括：第二电阻R1和第三电阻R2。
其中，所述第二电阻R1的一端与电压输入端VDD连接，所述第二电阻R1的另一端与所述第三电阻R2的一端连接。
所述第三电阻R1的另一端接地GND连接。
所述第二电阻R1和所述第三电阻R2的连接节点作为所述共模电压产生模块24的输出端VCM。
其中，所述数字功放子系统的信号输出端VOP通过第一电阻RF、放大器AMP、积分器21、PWM比较器22和驱动器23形成负反馈环路。
同理，VON通道的数字功放子系统与VOP通道的数字功放子系统相同，在此不再阐述。
基于上述VOP通道的数字功放子系统而言，影响VOP通道的数字功放子系统的电源抑制比PSRR的关键因素包括：共模电压信号产生模块24的电源抑制比、数字模拟转换器DAC的电源抑制比、AMP放大器的电源抑制比以及数字功放子系统的负反馈环路增益。
常规情况下，AMP放大器的电源抑制比自身很高，且数字功放子系统的负反馈环路增益较大，对电源噪声往往被很好的抑制，因此，影响数字功放子系统的电源抑制比PSRR的关键因素主要为共模电压信号产生模块24的电源抑制比和数字模拟转换器DAC的电源抑制比。
基于此，结合图1对数字功放系统的电源抑制比PSRR进行推导，具体如下：
首先，共模电压信号产生模块24输出的电压信号VCM基于数字模拟转换器DAC接收的电压信号VDD的增益为：
那么，VOP通道的数字功放子系统的输出波动为：
ΔVOP＝ΔVDD*α*(1+RFP/r0P_dac)
同理，VON通道的数字功放子系统的输出波动为：
ΔVON＝ΔVDD*α*(1+RFN/r0N_dac)
其中，r0P_dac表示VOP通道的数字模拟转换器DAC的等效输出阻抗，r0N_dac表示VON通道的数字模拟转换器DAC的等效输出阻抗，RFP表示VOP通道的RF电阻，RFN表示VON通道的RF电阻，ΔVDD表示数字模拟转换器DAC接收的电压信号VDD的波动。
由此可知，数字功放系统的输出波动为：
ΔVout＝ΔVOP-ΔVON
也就是说，数字功放系统的输出波动为：
由于VOP通道和VON通道的数字模拟转换器DAC的电流源存在失配，失配系数δ1满足以下条件：
r0P_dac＝(1+δ1)*r0N_dac
由于VOP通道和VON通道的RF电阻也存在失配，失配系数δ2满足以下条件：
RFP＝(1+δ2)*RFN
由此可知，数字功放系统的输出波动为：
最终可以得出，数字功放系统的电源抑制比PSRR为：
其中，RF表示VOP通道或VON通道的RF电阻的阻值，r0_dac表示VOP通道或VON通道的数字模拟转换器DAC的等效输出阻抗。
通过上述数字功放系统的电源抑制比的公式可知，由于数字模拟转换器DAC的等效输出阻抗r0_dac在该公式的分母上，由此可知，影响数字功放系统的电源抑制比PSRR的最主要因素为数字模拟转换器DAC的等效输出阻抗r0_dac。
基于此，参考图3，图3为本发明实施例提供的一种数字模拟转换器的结构示意图，所述数字模拟转换器DAC包括：第一开关S1、第二开关S2、第一电流源IDAC1和第二电流源IDAC2。
其中，所述第一开关S1的一端与电压输入端VDD连接，所述第一开关S1的另一端与所述第一电流源IDAC1的第一端连接。
所述第一电流源IDAC1的第二端连接所述第二电流源IDAC2的第一端，所述第一电流源IDAC1和所述第二电流源IDAC2的连接节点作为所述数字模拟转换器DAC的信号输出端DAC_VOP。
所述第二电流源IDAC2的第二端与所述第二开关S2的一端连接，所述第二开关S2的另一端接地GND连接。
所述第一开关S1的开关状态和所述第二开关S2的开关状态由PWM输入信号控制，所述PWM输入信号用于将所述第一开关S1处于闭合状态时，所述第二开关S2处于断开状态；所述PWM输入信号还用于将所述第一开关S1处于断开状态时，所述第二开关S2处于闭合状态。
由于图3是以VOP通道为例说明的，所以PWM输入信号表示为PWM_P输入信号。
也就是说，所述第一开关S1和所述第二开关S2的相位相反，当其中一个处于闭合状态时，另一个处于断开状态。
可选的，所述第一开关S1和所述第二开关S2为场效应管。
可选的，所述第一开关为P型场效应管，所述第二开关为N型场效应管。
可选的，所述第一开关为N型场效应管，所述第二开关为P型场效应管。
具体的，当PWM输入信号在高电平期间时，第一开关S1处于闭合状态，第二开关S2处于断开状态，此时，第一电流源IDAC1对第一电阻RF和电容C1进行充电，放大器AMP对电容C1进行放电，放大器AMP的输出端AMP_VP1的电压降低，通过积分器21、PWM比较器22和驱动器23输出的VOP为低电平。
当PWM输入信号在低电平期间时，第一开关S1处于断开状态，第二开关S2处于闭合状态，此时，第二电流源IDAC2对电阻RF和电容C1进行放电，放大器AMP对电容C1进行充电，放大器AMP的输出端AMP_VP1的电压升高，通过积分器21、PWM比较器22和驱动器23输出的VOP为高电平。在一个PWM输入信号周期内，放大器AMP的输出形成一个三角波，驱动器23的输出VOP为方波，经过低通滤波器或扬声器本身的低通滤波特性后，还原出音频信号。
其中，共模电压信号产生模块24输出的电压信号VCM可以不限于设置为VCM＝VDD/2，由于VOP通道中的负反馈回路增益很大，数字模拟转换器DAC的输出电压DAC_VOP以VCM为中心进行上下微小的波动，极大程度的提高数字模拟转换器的输出稳定性。
PWM输入信号到VOP通道的输出端VOP的增益AV＝2*(2*Din-1)*IDAC*RF，其中，Din为PWM输入信号的为高电平占空比。
通过上述描述可知，在本发明实施例中，数字模拟转换器采用电流源的形式，可以在一定程度上直接增加数字模拟转换器的等效输出阻抗，进而提高数字功放系统的电源抑制比。
进一步的，如图4所示，图4为本发明实施例提供的另一种数字模拟转换器的结构示意图，所述第一电流源IDAC1为第一场效应管MP1和第二场效应管MP2。
所述第二电流源IDAC2为第三场效应管MN1和第四场效应管MN2。
其中，所述第一场效应管MP1的源极与所述第一开关S1的另一端连接，所述第一场效应管MP1的漏极与所述第二场效应管MP2的源极连接，所述第一场效应管MP1的栅极用于接收第一偏置电压VBP1。
所述第二场效应管MP2的漏极与所述第三场效应管MN1的漏极连接，所述第二场效应管MP2的栅极用于接收第二偏置电压VBP2。
所述第三场效应管MN1的源极与所述第四场效应管MN2的漏极连接，所述第三场效应管MN1的栅极用于接收第三偏置电压VBN1。
所述第四场效应管MN2源极与所述第二开关S2的一端连接，所述第四场效应管MN2的栅极用于接收第四偏置电压VBN2。
所述第二场效应管MP2的漏极和所述第三场效应管MN1的漏极的连接节点作为所述数字模拟转换器DAC的信号输出端DAC_VOP。
其中，所述第一场效应管MP1和所述第二场效应管MP2为P型场效应管。
所述第三场效应管MN1和所述第四场效应管MN2为N型场效应管。
其中，所述第一偏置电压VBP1由第一电流产生电路生成，用于为所述第一场效应管MP1提供栅极电压。
所述第二偏置电压VBP2由第二电流产生电路生成，用于为所述第二场效应管MP2提供栅极电压。
所述第三偏置电压VBN1由第三电流产生电路生成，用于为所述第三场效应管MN1提供栅极电压。
所述第四偏置电压VBN2由第四电流产生电路生成，用于为所述第四场效应管MN2提供栅极电压。
具体的，将电流源均采用场效应管的形式，且按照垂直联级cascode的结构实现，进一步提高数字模拟转换器DAC的等效输出阻抗r0_dac和电流源的稳定性，从而提高数字功放系统的电源抑制比，其等效输出阻抗r0_dac为：
r0_dac＝(gm_N1*r0n1*r0n2)//(gm_P1*r0p1*r0p2)
其中，gm_N1表示第三场效应管的跨足，gm_P1表示第二场效应管的跨足，r0p1表示第一场效应管的等效电阻，r0p2表示第二场效应管的等效电阻，r0n1表示第三场效应管的等效电阻，r0n2表示第四场效应管的等效电阻。
并且，第一场效应管产生的电流源和第三场效应管产生的电流源应该尽量保证在工艺变化和不同温度下几乎相等，以保证在PWM输入信号为50％占空比时，VOP通道的输出端VOP也是50％占空比，VOP通道的输出端VOP的直流电压在VDD/2。
由此可知，通过将电流源均采用场效应管的形式，可以极大程度的提高数字模拟转换器的等效输出阻抗r0_dac，也就进一步提高了数字功放系统的电源抑制比PSRR。
需要说明的是，在VON通道中，数字模拟转换器DAC也采用上述形式，其具体原理类同，在此不在阐述。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种数字模拟转换器，应用于数字功放系统中，其特征在于，所述数字模拟转换器包括：第一开关、第二开关、第一电流源和第二电流源；
其中，所述第一开关的一端与电压输入端连接，所述第一开关的另一端与所述第一电流源的第一端连接；
所述第一电流源的第二端连接所述第二电流源的第一端，所述第一电流源和所述第二电流源的连接节点作为所述数字模拟转换器的信号输出端；
所述第二电流源的第二端与所述第二开关的一端连接，所述第二开关的另一端接地连接；
所述第一开关的开关状态和所述第二开关的开关状态由PWM输入信号控制，所述PWM输入信号用于将所述第一开关处于闭合状态时，所述第二开关处于断开状态；所述PWM输入信号还用于将所述第一开关处于断开状态时，所述第二开关处于闭合状态；
所述数字功放系统包括VOP通道的数字功放子系统和VON通道的数字功放子系统，所述VOP通道的数字功放子系统和所述VON通道的数字功放子系统的结构相同；
所述VOP通道的数字功放子系统包括：所述数字模拟转换器、运算放大器、积分器、PWM比较器、驱动器、第一电阻、电容和共模电压信号产生模块；
所述数字模拟转换器的信号输出端与所述运算放大器的反相输入端连接，所述运算放大器的同相输入端与所述共模电压信号产生模块的输出端连接，所述运算放大器的输出端与所述积分器的输入端连接；
所述积分器的输出端与所述比较器的输入端连接，所述比较器的输出端与所述驱动器的输入端连接，所述驱动器的输出端作为所述数字功放子系统的信号输出端VOP；
所述第一电阻的一端与所述运算放大器的反相输入端连接，所述第一电阻的另一端与所述驱动器的输出端连接；
所述电容的一端与所述运算放大器的反相输入端连接，所述电容的另一端与所述运算放大器的输出端连接；
所述共模电压信号产生模块包括：第二电阻和第三电阻；
所述第二电阻的一端与电压输入端连接，所述第二电阻的另一端与所述第三电阻的一端连接；
所述第三电阻的另一端接地连接；
所述第二电阻和所述第三电阻的连接节点作为所述共模电压产生模块的输出端。
2.根据权利要求1所述的数字模拟转换器，其特征在于，所述第一电流源为第一场效应管和第二场效应管；
所述第二电流源为第三场效应管和第四场效应管；
其中，所述第一场效应管的源极与所述第一开关的另一端连接，所述第一场效应管的漏极与所述第二场效应管的源极连接，所述第一场效应管的栅极用于接收第一偏置电压；
所述第二场效应管的漏极与所述第三场效应管的漏极连接，所述第二场效应管的栅极用于接收第二偏置电压；
所述第三场效应管的源极与所述第四场效应管的漏极连接，所述第三场效应管的栅极用于接收第三偏置电压；
所述第四场效应管源极与所述第二开关的一端连接，所述第四场效应管的栅极用于接收第四偏置电压；
所述第二场效应管的漏极和所述第三场效应管的漏极的连接节点作为所述数字模拟转换器的信号输出端。
3.根据权利要求2所述的数字模拟转换器，其特征在于，所述第一场效应管和所述第二场效应管为P型场效应管；
所述第三场效应管和所述第四场效应管为N型场效应管。
4.根据权利要求2所述的数字模拟转换器，其特征在于，所述第一偏置电压由第一电流产生电路生成，用于为所述第一场效应管提供栅极电压；
所述第二偏置电压由第二电流产生电路生成，用于为所述第二场效应管提供栅极电压；
所述第三偏置电压由第三电流产生电路生成，用于为所述第三场效应管提供栅极电压；
所述第四偏置电压由第四电流产生电路生成，用于为所述第四场效应管提供栅极电压。
5.根据权利要求1所述的数字模拟转换器，其特征在于，所述第一开关和所述第二开关为场效应管。
6.根据权利要求5所述的数字模拟转换器，其特征在于，所述第一开关为P型场效应管，所述第二开关为N型场效应管。
7.根据权利要求5所述的数字模拟转换器，其特征在于，所述第一开关为N型场效应管，所述第二开关为P型场效应管。
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