專(zhuān)利名稱(chēng)：控制脈沖寬度調(diào)制的方法和控制電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提供脈沖寬度調(diào)制的方法，包括基于輸入信號(hào)和參考信號(hào)提供 脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，將該脈沖寬度調(diào)制信號(hào)反饋到輸入信號(hào)，以及通過(guò)環(huán)路濾波器至少 對(duì)該脈沖寬度調(diào)制信號(hào)進(jìn)行濾波，所述參考信號(hào)是具有參考頻率的周期性參考信號(hào)。本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種用于控制脈沖寬度調(diào)制的控制電路，其適用于上述方法 中。
背景技術(shù)：
脈沖寬度調(diào)制是一種技術(shù)，其通過(guò)將模擬信號(hào)與參考信號(hào)相比較，將模擬信號(hào) 采樣成具有兩種狀態(tài)的(二元)信號(hào)。除此之外，脈沖寬度調(diào)制用于音頻應(yīng)用中使用的D 類(lèi)放大器等等。已知D類(lèi)放大器具有高功率效率(低功耗)以及相對(duì)簡(jiǎn)單的電路。這些 放大器的簡(jiǎn)單機(jī)械結(jié)構(gòu)使得可將其設(shè)計(jì)得小巧且緊湊。D類(lèi)放大器是基于這樣的原理， 即將輸入音頻信號(hào)與周期性參考信號(hào)比較，該周期性參考信號(hào)在每個(gè)周期中包括上升沿 和下降沿。這里采用了開(kāi)關(guān)放大，使得當(dāng)音頻信號(hào)的電壓值小于參考信號(hào)的電壓值時(shí)， 所連接的放大器單元的輸出信號(hào)切換到第一電壓水平，而當(dāng)音頻信號(hào)的電壓大于參考信 號(hào)的電壓時(shí)，該輸出信號(hào)切換到第二電壓水平。圖1示意性地顯示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的用于D類(lèi)放大器的脈沖寬度調(diào)制的標(biāo)準(zhǔn)控制 電路。圖1顯示了基于開(kāi)關(guān)放大器單元9的電路1。輸入信號(hào)3被施加到該電路，并與 參考信號(hào)4 一起，通過(guò)輸入端7和8提供給開(kāi)關(guān)放大器單元9。該開(kāi)關(guān)放大器單元9比 較輸入端7和8之間的電壓值。如果輸入信號(hào)的電壓值高于這里通過(guò)輸入端8提供的參 考信號(hào)的電壓值，則在放大器單元的輸出端提供高電壓信號(hào)VH 10。然而，如果輸入端8 的參考電壓Vref高于開(kāi)關(guān)放大器電路的輸入端7的電壓值Vc，則在開(kāi)關(guān)放大器9的輸出 端產(chǎn)生低電壓水平VL 11。在圖1中以加法器單元15的形式示意性地顯示了開(kāi)關(guān)放大器 單元9將干擾項(xiàng)Ve加入到輸出信號(hào)。電路的輸出端18的輸出信號(hào)記作Vo。電路1的特征在于進(jìn)一步包括反饋環(huán)路20，其將輸出電壓Vo反饋到電路的輸入 端3，因此將該輸出電壓Vo加入到輸入信號(hào)Vi，這示意性地由加法器單元21表示。輸 出信號(hào)Vo反饋到電路的輸入端并與輸入信號(hào)Vi相結(jié)合對(duì)于校正各種非理想情況(總地表 示為干擾項(xiàng)Ve)是非常重要的，特別是考慮到功率級(jí)的時(shí)間和相位。元件22示意性地描 述了電路的傳輸函數(shù)H(S)。這包括前向路徑的傳輸函數(shù)和反饋路徑的傳輸函數(shù)(反饋濾 波器)。下文將該元件稱(chēng)為環(huán)路濾波器22。例如圖1所示的電路1的具有反饋的脈沖寬度調(diào)制電路的一個(gè)問(wèn)題是，輸入信 號(hào)和反饋信號(hào)之間的互調(diào)。輸出信號(hào)Vo包括需要的平均輸出電壓、干擾、和主要開(kāi)關(guān) 殘余，且因此包括很多高頻分量，如下文詳述。反饋信號(hào)包括完整的脈沖寬度調(diào)制信號(hào) Vo。反饋信號(hào)Vo與輸入信號(hào)Vi結(jié)合在一起，在通過(guò)環(huán)路濾波器22之后，作為信號(hào)Vc 提供到開(kāi)關(guān)比較器放大器9。環(huán)路濾波器22使得信號(hào)Vo+Vi線(xiàn)性變形，并改變信號(hào)Vo+Vi 的頻譜分量的相位和/或幅度。因此具有規(guī)則的直線(xiàn)邊沿的原始直線(xiàn)波形將變?yōu)榘?被彎曲成)具有非增或非減的傾斜角的線(xiàn)段。那么一階導(dǎo)數(shù)d(Vo+Vi)/dt在比較器區(qū)域內(nèi)將 不再恒定，而是隨著調(diào)制指數(shù)(占空比)而變化。開(kāi)關(guān)放大器9將以非線(xiàn)性方式變形， 即將增加諧波，因?yàn)橛森h(huán)路濾波器22的線(xiàn)性變形導(dǎo)致信號(hào)Vc的邊界彎曲。開(kāi)關(guān)放大器單元9的輸出信號(hào)在每個(gè)周期從例如VH的第一電壓水平切換到例如 VL的第二電壓水平的時(shí)刻，一方面由參考電壓的相對(duì)電壓水平?jīng)Q定，另一方面由輸入信 號(hào)的電壓確定。輸出信號(hào)Vo中的兩個(gè)電壓水平之間的切換點(diǎn)位于開(kāi)關(guān)放大器的輸入端8 的參考信號(hào)Vref和輸入端7的信號(hào)Vc的邊沿的交叉點(diǎn)。Vc具有彎曲的邊沿，在理想模 型中它應(yīng)為直的且是規(guī)則的。因此Vc的邊沿和Vref的邊沿之間的交叉點(diǎn)不位于理想情 況下它們應(yīng)該在的位置。因此從一個(gè)電壓水平到另一電壓水平的切換時(shí)刻取決于信號(hào)Vc 的變形，即，這是未知的。當(dāng)采用三角波信號(hào)作為參考信號(hào)(非圖1所示的情況)時(shí)， 從第一電壓水平到第二電壓水平的切換點(diǎn)，以及從第二電壓水平回到第一電壓水平的切 換點(diǎn)在這兩種情況下都是未知的。因此最終的輸出信號(hào)Vo也是變形的。由于輸出信號(hào)Vo的頻譜隨著調(diào)制持續(xù)地變化，電路的非線(xiàn)性表現(xiàn)加重。輸出 信號(hào)Vo的頻譜特性如下文所述。給定具有相對(duì)較高電壓水平的輸入信號(hào)Vi，輸出信號(hào) Vo在每個(gè)周期中相對(duì)短的時(shí)間內(nèi)為第二電壓水平，在每個(gè)周期的剩余部分為第一電壓水 平。另一方面，如果輸入電壓Vi的電壓值相對(duì)較低，輸出電壓Vo在每個(gè)周期的相對(duì)短 的時(shí)間內(nèi)為第一電壓水平，在每個(gè)周期的相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)為第二電壓水平。因此輸出信 號(hào)為兩個(gè)電壓水平之一的持續(xù)時(shí)間很大程度上取決與輸入信號(hào)的電壓值。這意味著輸出 信號(hào)的頻譜，包括諧波，將隨著調(diào)制強(qiáng)烈地變化。為了減少非線(xiàn)性問(wèn)題，已經(jīng)提出了不采用三角波參考信號(hào)，而是采用例如鋸齒 波信號(hào)。采用鋸齒波信號(hào)實(shí)際上具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，即使得參考信號(hào)的邊沿之一下降(或 上升)地非常陡峭，使得開(kāi)關(guān)放大器9的輸出從一個(gè)電壓水平(例如VH)到另一電壓水 平(例如VL)的切換時(shí)刻被充分限定。然而，這不能解決問(wèn)題，因?yàn)檫@沒(méi)有提供針對(duì)輸 出信號(hào)的頻譜隨調(diào)制變化的解決方案。國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)W0/2006/030373解決了上述問(wèn)題，并且還公開(kāi)了使用鋸齒波 參考信號(hào)的結(jié)果是周期性信號(hào)的每個(gè)周期的至少一個(gè)邊沿，即陡峭邊沿，不攜帶任何信 息。為了改善這種情況，該引用的文獻(xiàn)提出了對(duì)于施加給開(kāi)關(guān)放大器單元的輸入信號(hào)， 將人工產(chǎn)生的鋸齒波頻率信號(hào)作為反饋信號(hào)加入到開(kāi)關(guān)放大器單元的該輸入信號(hào)的上 游。然后在被開(kāi)關(guān)放大器單元中處理之前，將合成信號(hào)反饋到前向路徑的開(kāi)始，即濾波 器的上游。在該開(kāi)關(guān)放大器單元中，將輸入的合成和反饋信號(hào)與“O”比較，從而確定 過(guò)零點(diǎn)(zero passages)。在每個(gè)周期中，從第一電壓水平切換到第二電壓水平，和從第二 電壓水平切換回第一電壓水平的切換點(diǎn)由所獲得的合成和反饋信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)確定。該方法的效果是存儲(chǔ)在脈沖寬度調(diào)制信號(hào)中的信息的偏離，即開(kāi)關(guān)殘余，相對(duì) 恒定。因此濾波器對(duì)輸出信號(hào)的影響相對(duì)小。但是該方法的主要缺點(diǎn)是對(duì)從脈沖寬度調(diào) 制單元的輸出端反饋到輸入信號(hào)的信號(hào)進(jìn)行了假定。該反饋信號(hào)是模擬的，且在開(kāi)關(guān)放 大器9和輸出濾波器(如果有，圖1中未示出)沒(méi)有對(duì)該反饋信號(hào)的產(chǎn)生起任何作用的情 況下被提供給輸入信號(hào)。因此最終的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)無(wú)論如何沒(méi)有用于反饋，且這種 方法只能在這樣的情況下實(shí)現(xiàn)，即在開(kāi)關(guān)放大器單元9和其中發(fā)生的脈沖寬度調(diào)制是理 想的情況下沒(méi)有引入新的干擾。然而，現(xiàn)實(shí)是困難的開(kāi)關(guān)放大器單元9的操作是非理想的，如圖1示意性所描述的，分量Ve出現(xiàn)在輸出端18的輸出信號(hào)Vo中，而其加入到 開(kāi)關(guān)放大器單元9的輸出信號(hào)上(加法器單元15)。如果該干擾分量Ve 14是未知的， W0/2006/030373中所描述的方法不能產(chǎn)生滿(mǎn)意的結(jié)果。W0/2006/030373中所描述的方法的另一問(wèn)題是，難以實(shí)現(xiàn)在開(kāi)關(guān)放大器單元 之前立即接入鋸齒波發(fā)生器來(lái)提供反饋信號(hào)。產(chǎn)生純的鋸齒波是不容易的，這就是為什 么在W0/2006/030373中采用了數(shù)字鋸齒波發(fā)生器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的脈沖寬度調(diào)制環(huán)路，如果需要，該環(huán)路可 以是全模擬的，并且能夠盡可能小地干擾待處理的信號(hào)。為此本發(fā)明提出了一種提供脈沖寬度調(diào)制的方法，其包括以下步驟基于輸入 信號(hào)和參考信號(hào)提供脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，將該脈沖寬度調(diào)制信號(hào)反饋到輸入信號(hào)，并通 過(guò)環(huán)路濾波器至少對(duì)該脈沖寬度調(diào)制信號(hào)濾波，所述參考信號(hào)是具有參考頻率的周期性 參考信號(hào)，其中提供脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的步驟包括根據(jù)該輸入信號(hào)和該參考信號(hào)之間 的比較，在參考信號(hào)的每個(gè)周期中至少一次地將該脈沖寬度調(diào)制信號(hào)從第一電壓水平切 換到第二電壓水平；以及在該參考信號(hào)的每個(gè)周期的固定時(shí)刻至少一次地將該脈沖寬度 調(diào)制信號(hào)從該第二電壓水平切換到該第一電壓水平；其中所述方法進(jìn)一步包括加入周期 性校正信號(hào)的步驟，使得所述校正信號(hào)的工作頻率與所述參考頻率相適應(yīng)，以及其中所 述校正信號(hào)包括電壓階躍，該電壓階躍與脈沖寬度調(diào)制信號(hào)從該第二電壓水平到第一電 壓水平的切換相一致且方向相反，從而對(duì)所述切換至少部分地進(jìn)行補(bǔ)償。本發(fā)明是基于這樣的認(rèn)識(shí)，脈沖寬度調(diào)制輸出信號(hào)從第二電壓水平到第一電壓 水平的切換發(fā)生在每個(gè)周期中的固定時(shí)刻，因此不包含任何信息，可通過(guò)施加包含補(bǔ)償 電壓階躍的校正信號(hào)將該切換從脈沖調(diào)制信號(hào)中移除，該補(bǔ)償電壓階躍與從第二電壓水 平到第一電壓水平的電壓階躍相一致且方向相反。從脈沖寬度調(diào)制信號(hào)中移除不包含信 息的該電壓階躍，使得在與不包含信息的電壓階躍相關(guān)聯(lián)的信號(hào)分量被刪除的同時(shí)，脈 沖寬度調(diào)制信號(hào)的頻譜更窄。因此反饋信號(hào)的頻譜的高頻部分可變性大大減小，參考信 號(hào)和反饋信號(hào)的高頻部分之間的互調(diào)量減小證明了這一點(diǎn)，從而發(fā)生的干擾更少。本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)在于加入到輸入信號(hào)的反饋信號(hào)包括針對(duì)不包含信息的電壓 階躍進(jìn)行校正過(guò)的實(shí)際的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)。因此施加到輸入端的反饋信號(hào)是“真正 的”來(lái)自電路輸出端的反饋信號(hào)，而不是以某些方式理想化的反饋信號(hào)。該方法提供了 恒定的，受濾波器影響程度更小的開(kāi)關(guān)殘余，從而輸出信號(hào)的質(zhì)量大大改善。當(dāng)周期性校正信號(hào)的幅度與第一和第二電壓水平之差相適應(yīng)時(shí)，改善最顯著。 事實(shí)上以這種方式能夠完全補(bǔ)償位于從第二到第一電壓水平的切換點(diǎn)的不包括任何信息 的電壓階躍，并從反饋信號(hào)中除去所述階躍。優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，校正信號(hào)還包括鋸齒波信號(hào)。這樣的優(yōu)點(diǎn) 是鋸齒波信號(hào)的傾斜邊沿能夠補(bǔ)償由針對(duì)從第二電壓水平到第一電壓水平的邊沿的補(bǔ)償 所造成的輸出信號(hào)的偏移，從而輸出信號(hào)能夠在例如均衡電壓附近穩(wěn)定地變化。這里詞 語(yǔ)“偏移”是指輸出信號(hào)的平均電壓從所述期望的均衡電壓的偏離。如果針對(duì)脈沖寬度 調(diào)制信號(hào)中的電壓階躍(即不包含信息的那些電壓階躍)進(jìn)行補(bǔ)償，輸出信號(hào)理論上將僅包含“一個(gè)方向”的電壓階躍，例如上行電壓方向，其電壓差等于第一電壓水平和第二 電壓水平之間的電壓差。那么會(huì)產(chǎn)生例如階躍形的信號(hào)，其電壓值(理論上)變得越來(lái) 越高?？梢酝ㄟ^(guò)使用鋸齒波作為校正信號(hào)對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償，其中鋸齒波信號(hào)的傾斜邊沿逐 漸將輸出信號(hào)的電壓值返回到第一電壓水平。該校正信號(hào)可例如在脈沖寬度調(diào)制環(huán)路的開(kāi)關(guān)放大器單元之后立即施加到該電 路。在理想情況下，這是個(gè)很好的起點(diǎn)，因?yàn)椴话畔⒌拿}沖寬度調(diào)制信號(hào)的邊沿可 在開(kāi)關(guān)放大器單元之后立即被移除，使得這些邊沿不會(huì)因剩余的電路或反饋環(huán)路的傳輸 函數(shù)而影響電路的表現(xiàn)。然而在很多情況下，還有其他部件，例如輸出濾波器，設(shè)置在 脈沖寬度調(diào)制環(huán)路的輸出端和開(kāi)關(guān)放大器的輸出端之間。如果在開(kāi)關(guān)放大器之后立即施 加校正信號(hào)，將不能在輸出濾波器中區(qū)分來(lái)自校正信號(hào)的噪聲和來(lái)自以已經(jīng)出現(xiàn)在脈沖 寬度調(diào)制信號(hào)中的任何噪聲。由于輸出濾波器將試圖最小化反饋信號(hào)中的噪聲的量，校 正信號(hào)中出現(xiàn)的噪聲將以鏡像形式出現(xiàn)在脈沖寬度調(diào)制輸出信號(hào)中。因此校正信號(hào)可選地可在輸出濾波器之后，例如在反饋環(huán)路中，加入到脈沖寬 度調(diào)制信號(hào)。然而這只有在針對(duì)輸出濾波器的傳輸函數(shù)補(bǔ)償了校正信號(hào)的情況下才能成 功。該原理不僅可應(yīng)用到輸出濾波器，還可應(yīng)用到所有其他出現(xiàn)在反饋環(huán)路或開(kāi)關(guān)放大 器的輸出端和加入校正信號(hào)的位置之間的前向路徑中的部件的傳輸函數(shù)。以此方式，校 正信號(hào)因此可加入到電路的任何位置，只要在反饋環(huán)路中看到的，針對(duì)由開(kāi)關(guān)放大器單 元的輸出端和加入點(diǎn)之間的部件的傳輸函數(shù)造成的變形對(duì)校正信號(hào)進(jìn)行了補(bǔ)償。因此根據(jù)一優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明提供一種通過(guò)包含一個(gè)或多個(gè)操作部件的電路 來(lái)實(shí)施的方法，其中針對(duì)由至少一個(gè)所述部件的傳輸函數(shù)造成的變形對(duì)校正信號(hào)進(jìn)行補(bǔ) 償。以此方式，校正信號(hào)可加在輸出濾波器之后、反饋環(huán)路之中、前向路徑的輸入端 處，只要同時(shí)提供針對(duì)反饋環(huán)路的傳輸函數(shù)的補(bǔ)償，還可加在開(kāi)關(guān)放大器的信號(hào)輸入 端，只要提供針對(duì)從開(kāi)關(guān)放大器的輸出端開(kāi)始，沿著輸出濾波器，經(jīng)由反饋環(huán)路在前向 路徑上到達(dá)開(kāi)關(guān)放大器的輸入端等等，的所有先前的傳輸函數(shù)的補(bǔ)償。本發(fā)明的重要認(rèn)識(shí)在于，校正信號(hào)也可提供到開(kāi)關(guān)放大器單元的反向輸入端， 該反向輸入端用來(lái)提供參考信號(hào)。在這種情況下不但要針對(duì)輸出濾波器、反饋環(huán)路和前 向路徑的所有傳輸函數(shù)來(lái)對(duì)校正信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，還應(yīng)對(duì)其進(jìn)行反轉(zhuǎn)。這一認(rèn)識(shí)的重要性 在于大大提高脈沖寬度調(diào)制環(huán)路，例如D類(lèi)放大器，的脈沖寬度調(diào)制輸出信號(hào)的質(zhì)量， 因?yàn)閰⒖夹盘?hào)被校正信號(hào)“干擾”。將以此方式被“干擾”的參考信號(hào)施加給開(kāi)關(guān)放大 器單元的參考輸入端使得其能夠與標(biāo)準(zhǔn)脈沖寬度調(diào)制電路一起工作。由于該認(rèn)識(shí)，本發(fā) 明可直接實(shí)現(xiàn)于模擬電路中，而不必改造該模擬電路或采用其他的例如現(xiàn)有技術(shù)中采用 的部件。在一定程度上預(yù)先使該參考信號(hào)適應(yīng)于電路的非理想條件，從而這些非理想條 件幾乎不對(duì)脈沖寬度調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生影響。本發(fā)明理論上可應(yīng)用于任何脈沖寬度調(diào)制電路，只要脈沖寬度調(diào)制信號(hào)包括陡 峭邊沿或其電壓階躍在周期中出現(xiàn)的時(shí)刻被固定限定、可確定、或已知。可以簡(jiǎn)單的方 式實(shí)現(xiàn)這一優(yōu)點(diǎn)，例如通過(guò)采用具有從第一電壓水平到第二電壓水平的固定的切換點(diǎn)的 參考信號(hào)，例如鋸齒波信號(hào)。也可采用其他可能的參考信號(hào)，只要其具有相同的效果。 本領(lǐng)域技術(shù)人員基于本文應(yīng)能夠識(shí)別可用作參考信號(hào)的合適的類(lèi)似的信號(hào)。上文參考參考信號(hào)和校正信號(hào)的使用描述了本發(fā)明。如果校正信號(hào)直接施加到開(kāi)關(guān)放大器單元的輸入端，參考信號(hào)也施加到開(kāi)關(guān)放大器單元，如上文的實(shí)施例所述， 且參考信號(hào)與校正信號(hào)結(jié)合，顯然校正信號(hào)和參考信號(hào)之間不再有明顯的區(qū)分。這種情 況下也可稱(chēng)之為參考信號(hào)的適當(dāng)校正，因?yàn)槊}沖寬度調(diào)制環(huán)路的傳輸函數(shù)具有針對(duì)脈沖 寬度調(diào)制信號(hào)中的固定切換點(diǎn)的補(bǔ)償。上文是基于具有單個(gè)參考信號(hào)的單個(gè)電路。參考信號(hào)可選地可包括多個(gè)參考信 號(hào)分量，其中每個(gè)參考信號(hào)分量可與適當(dāng)?shù)男Ｕ盘?hào)分量相關(guān)聯(lián)。因此本發(fā)明也包含這 樣的實(shí)施例，其中參考信號(hào)是多個(gè)參考信號(hào)分量的組合，且其中校正信號(hào)是多個(gè)校正信 號(hào)分量的組合。參考信號(hào)分量的數(shù)量可等于校正信號(hào)分量的數(shù)量。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種用于脈沖寬度調(diào)制的調(diào)制電路，該調(diào)制電 路適用于根據(jù)第一方面所述的方法，所述調(diào)制電路包括開(kāi)關(guān)放大器單元，用于根據(jù)輸入 信號(hào)和參考信號(hào)的比較在第一和第二電壓水平之間進(jìn)行切換，從而提供脈沖寬度調(diào)制信 號(hào)；信號(hào)輸入端，用于接收輸入信號(hào)；信號(hào)輸出端，用于提供脈沖寬度調(diào)制信號(hào)；參 考輸入端，用于接收周期性參考信號(hào)；所述信號(hào)輸出端和所述信號(hào)輸入端之間的反饋環(huán) 路；以及環(huán)路濾波器；其中該調(diào)制電路設(shè)計(jì)為在該參考信號(hào)的每個(gè)周期的固定時(shí)刻，至 少一次地將該脈沖寬度調(diào)制信號(hào)從第二電壓水平切換到第一電壓水平；以及其中該調(diào)制 電路進(jìn)一步設(shè)計(jì)為接收校正信號(hào)，該校正信號(hào)用于補(bǔ)償在每個(gè)周期的所述固定時(shí)刻實(shí)現(xiàn) 的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的切換。


下面將參考本發(fā)明的一些具體實(shí)施例和附圖來(lái)詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的脈沖寬度調(diào)制電路的框圖；圖2示例性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的用于脈沖寬度調(diào)制的方法和電路的工作原 理；圖3顯示了在根據(jù)本發(fā)明的脈沖寬度調(diào)制電路中實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的方法的可能 實(shí)施例；圖4顯示了在根據(jù)本發(fā)明的脈沖寬度調(diào)制電路中實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的方法的另一 實(shí)施例；圖5顯示了在根據(jù)本發(fā)明的脈沖寬度調(diào)制電路中實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的方法的又一 實(shí)施例；圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明的方法和電路。
具體實(shí)施例方式在各個(gè)附圖中，盡量采用相同的附圖標(biāo)記描述相同或等價(jià)的部件或單元。因此 附圖可易于相互比較。圖2顯示了電路25，其包括信號(hào)輸入端3，輸入信號(hào)Vi施加到該信號(hào)輸入端3 以進(jìn)入該電路。輸入信號(hào)Vi是信號(hào)Vc的分量部分(下文將詳細(xì)描述)，其通過(guò)開(kāi)關(guān)放 大器單元9的輸入端7提供給開(kāi)關(guān)放大器單元9。參考信號(hào)Vr通過(guò)參考信號(hào)輸入端4進(jìn) 入該電路，其施加到開(kāi)關(guān)放大器單元9的反向輸入端8。脈沖寬度調(diào)制信號(hào)Vo在開(kāi)關(guān)放 大器單元9的輸出端產(chǎn)生，并被傳遞到輸出端18。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解圖2的電路
8是理想化的電路。沒(méi)有描述輸出濾波器和可能的其他部件以闡明本發(fā)明的工作原理。輸出信號(hào)Vo通過(guò)反饋環(huán)路20反饋到電路的輸入端3，在加法器單元21中加入 到輸入信號(hào)Vi。圖2的周期性參考信號(hào)4是鋸齒波信號(hào)。選擇鋸齒波形作為參考信號(hào)是 因?yàn)槠涿總€(gè)周期都具有一個(gè)陡峭邊沿，從而在脈沖寬度調(diào)制信號(hào)Vo 18中從一個(gè)電壓水平 到另一電壓水平的切換點(diǎn)中的至少一個(gè)會(huì)與參考信號(hào)4的陡峭邊沿一致。脈沖寬度調(diào)制 信號(hào)的另一切換點(diǎn)的位置由施加到開(kāi)關(guān)放大器單元9的輸入端7的信號(hào)Vc相對(duì)于輸入端 8的參考信號(hào)Vr的電壓值的相對(duì)電壓值來(lái)確定。輸入端7的信號(hào)Vc包括輸入信號(hào)Vi， 反饋信號(hào)已通過(guò)反饋環(huán)路20加入到該輸入信號(hào)Vi。該合成的信號(hào)通過(guò)通常為積分濾波器 的環(huán)路濾波器22濾波，從而將信號(hào)Vc提供給放大器單元9的輸入端7。根據(jù)本發(fā)明，反饋環(huán)路20和環(huán)路濾波器22的表現(xiàn)大大改善，即通過(guò)校正信號(hào)校 正了由輸入端4的參考信號(hào)Vr的固定陡峭邊沿產(chǎn)生的，在脈沖寬度調(diào)制信號(hào)中從第一到 第二電壓水平的電壓切換點(diǎn)。換言之，在脈沖寬度調(diào)制信號(hào)Vo 18中從第一到第二電壓 水平的切換點(diǎn)的位置處施加值相等方向相反的電壓階躍，從而補(bǔ)償先前的電壓階躍。因 此理想情況下校正的電壓階躍的值等于脈沖寬度調(diào)制信號(hào)Vo 18的第一和第二電壓水平之 間的電壓差。由于電壓階躍每次與參考信號(hào)中的陡峭邊沿一致，且具有相同的頻率，校正信 號(hào)可簡(jiǎn)單地基于原始的參考信號(hào)Vr 4。圖2示意性地描述了這種情況，其中施加到開(kāi)關(guān) 放大器單元9的反向輸入端8的參考信號(hào)Vr同時(shí)作為校正信號(hào)通過(guò)加法器單元28加入到 反饋環(huán)路20中的反饋信號(hào)，從而提供合成信號(hào)Vf。在此為了闡明工作原理，假設(shè)脈沖 寬度調(diào)制信號(hào)Vo中的電壓階躍的階躍大小等于參考信號(hào)Vr4中的陡峭邊沿的階躍大小， 從而Vo 18中的上升階躍被Vr4中的下降階躍完全補(bǔ)償。然后，將包括等于Vo的反饋信號(hào)和基于Vr的校正信號(hào)的合成信號(hào)Vf作為反饋 信號(hào)通過(guò)加法器單元21加入到在輸入端3進(jìn)入的信號(hào)Vi。接下來(lái)在環(huán)路濾波器22中對(duì) 該信號(hào)濾波。因此被提供給開(kāi)關(guān)放大器單元9的輸入端7的信號(hào)，即信號(hào)Vc，具有如圖 2的右下方所示的波形。由于該操作，信號(hào)Vc相對(duì)于反向參考信號(hào)Vr在參考信號(hào)Vr的 陡峭邊沿上的兩個(gè)信號(hào)的交叉點(diǎn)的區(qū)域處的方向系數(shù)的差每次都是恒定的。從而產(chǎn)生了 非常線(xiàn)性的反饋準(zhǔn)則。此外，由于移除了脈沖寬度調(diào)制信號(hào)Vo 18中的固定邊沿，該固 定邊沿與參考信號(hào)Vr 4的陡峭邊沿一致，因此所獲得的合成信號(hào)Vf+Vi的高頻分量基本 不變。結(jié)果，在放大器單元9中參考信號(hào)和合成信號(hào)Vf+Vi的高頻分量之間幾乎沒(méi)有任 何互調(diào)，因此幾乎不會(huì)發(fā)生低頻干擾。如此提供的校正信號(hào)，脈沖寬度調(diào)制輸出信號(hào)Vo 18的質(zhì)量大大提高。圖2所示的情況是理想情況，其中沒(méi)有考慮任何可能出現(xiàn)在電路的前向路徑或 反饋路徑中的任何其他部件的傳輸函數(shù)。圖3顯示了本發(fā)明的另一可選實(shí)施例，其中示 意性地顯示了輸出濾波器33設(shè)置在開(kāi)關(guān)放大器單元9和電路的輸出端18之間。所述電 路進(jìn)一步包括反饋濾波器39，其為只出現(xiàn)在反饋路徑20中的濾波器部件。濾波器單元 22也是圖2中也出現(xiàn)過(guò)的積分濾波器。按照與圖2所示的實(shí)施例相同的方式，在反饋路徑20中將校正信號(hào)加入到反饋 信號(hào)。這在加法器單元38中進(jìn)行。在開(kāi)關(guān)放大器單元9和電路的輸出端18之間是輸出 濾波器33。如圖2的電路中那樣，參考信號(hào)4施加到開(kāi)關(guān)放大器單元9的反向輸入端，同時(shí)該相同的參考信號(hào)4以非反向形式被用作校正信號(hào)34的基礎(chǔ)，該校正信號(hào)34在加法 器單元38中與反饋信號(hào)相結(jié)合。然而在校正信號(hào)加入到反饋信號(hào)之前，應(yīng)針對(duì)輸出濾波 器33的傳輸函數(shù)進(jìn)行校正。為此目的，增加濾波器元件35，即用于針對(duì)輸出濾波器33 對(duì)電路的輸出端18處的輸出信號(hào)Vo所起的效應(yīng)來(lái)對(duì)校正信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償。此外，如果放 大器單元9中VH和VL之間的電壓差偏離了校正信號(hào)的陡峭邊沿的電壓階躍，應(yīng)使校正 信號(hào)適應(yīng)于VH和VL之間的電壓差。元件39表示了反饋路徑20的傳輸函數(shù)，特別通常 為相位補(bǔ)償。在加法器單元21中，與校正信號(hào)結(jié)合并在濾波器元件39中通過(guò)傳輸函數(shù)H3濾 波的反饋信號(hào)現(xiàn)在與電路的輸入端3的輸入信號(hào)相結(jié)合，并提供到具有傳輸函數(shù)Hl的積 分濾波器22。積分濾波器22的輸出連接到開(kāi)關(guān)放大器單元9的輸入端7，以在開(kāi)關(guān)放大 器單元9的輸出端提供脈沖寬度調(diào)制信號(hào)。以與圖3的電路相同的方式，圖4的電路中的校正信號(hào)的進(jìn)入點(diǎn)被移至加法器單 元21。圖4又顯示了施加輸入信號(hào)Vi的輸入端3，通向用于脈沖寬度調(diào)制的電路。該 輸入信號(hào)通過(guò)積分濾波器和開(kāi)關(guān)放大器單元9的輸入端與出現(xiàn)在開(kāi)關(guān)放大器單元的反向 輸入端8的參考信號(hào)相比較，從而提供脈沖寬度調(diào)制信號(hào)。通過(guò)輸出濾波器33濾波該放 大器單元9的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)以在該電路的輸出端18提供輸出信號(hào)Vo。所述輸出信 號(hào)Vo通過(guò)反饋線(xiàn)20反饋到加法器單元21。反饋線(xiàn)20上的元件39表示反饋線(xiàn)22的傳輸 函數(shù)H3。在校正信號(hào)通過(guò)線(xiàn)40和加法器單元21加入到輸入信號(hào)之前，應(yīng)首先針對(duì)輸出 濾波器33的傳輸函數(shù)H2和反饋濾波器39的傳輸函數(shù)H3來(lái)對(duì)校正信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償。這示 意性地描述為濾波器元件42。來(lái)自輸入端3的輸入信號(hào)Vi、來(lái)自反饋線(xiàn)20的輸出信號(hào) Vck以及校正信號(hào)通過(guò)加法器單元21在線(xiàn)43上結(jié)合在一起，并提供給濾波器單元22。 該濾波器單元22通常為積分濾波器，且該濾波器的輸出通過(guò)輸入端7傳輸?shù)介_(kāi)關(guān)放大器 單元9。在該開(kāi)關(guān)放大器單元9中，其與反向輸入端8上的參考信號(hào)Vr進(jìn)行比較以提供 脈沖寬度調(diào)制信號(hào)。圖5顯示了電路的另一修改，其中校正信號(hào)來(lái)自輸入端4的參考信號(hào)Vr，并提 供到開(kāi)關(guān)放大器單元的反向輸入端8，通過(guò)線(xiàn)45針對(duì)輸出濾波器33、相位補(bǔ)償反饋濾波 器39、以及積分濾波器22的傳輸函數(shù)對(duì)該校正信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償。這示意性地表示為濾波 器元件47，其表示了傳輸函數(shù)HI、H2和H3。所述校正信號(hào)通過(guò)線(xiàn)48和加法器單元45 加入到來(lái)自積分濾波器22的信號(hào)，并提供到開(kāi)關(guān)放大器單元的輸入端7。已經(jīng)通過(guò)線(xiàn)20 和加法器單元50將電路的輸出信號(hào)Vo加入到從輸入端3進(jìn)入的輸入信號(hào)Vi。因此最后 通過(guò)線(xiàn)48和加法器單元50加入到開(kāi)關(guān)放大器單元9的輸入端7的信號(hào)上的校正信號(hào)，已 經(jīng)針對(duì)圖5的電路中出現(xiàn)的所有元件的傳輸函數(shù)進(jìn)行了校正。圖6顯示了一個(gè)特定實(shí)施例。圖6的電路也具有將輸入信號(hào)Vi施加給電路的輸 入端3。該信號(hào)通過(guò)具有傳輸函數(shù)Hl的積分濾波器22和輸入端7被傳輸?shù)介_(kāi)關(guān)放大器 單元9，以提供脈沖寬度調(diào)制信號(hào)。脈沖寬度調(diào)制信號(hào)通過(guò)具有傳輸函數(shù)H2的輸出濾波 器從開(kāi)關(guān)放大器單元9流出到電路的輸出端18，從而提供輸出信號(hào)Vo。輸出信號(hào)Vo通 過(guò)線(xiàn)20和具有傳輸函數(shù)H3的相位補(bǔ)償反饋濾波器39反饋到電路的輸入端3，在那里在 加法器單元21中加入到輸入信號(hào)Vi。合成信號(hào)通過(guò)具有傳輸函數(shù)Hl的積分濾波器22 傳輸?shù)介_(kāi)關(guān)放大器單元9的輸入端7。在該開(kāi)關(guān)放大器單元9中，該信號(hào)與參考信號(hào)相比較，以與前述實(shí)施例相同的方式提供脈沖寬度調(diào)制信號(hào)。圖6所述的實(shí)施例具有特定的特征，即通過(guò)圖5的線(xiàn)48和加法器單元50加入到 開(kāi)關(guān)放大器單元的輸入端7的校正信號(hào)，在圖中被移至開(kāi)關(guān)放大器單元9的反向輸入端 8。該實(shí)施例基于這樣的認(rèn)識(shí)，即校正信號(hào)可加在用于脈沖寬度調(diào)制的電路的任何位置， 因此也可以在通常只施加參考信號(hào)的反向輸入端一側(cè)。實(shí)際上，該轉(zhuǎn)移相當(dāng)于在從參考 信號(hào)通過(guò)其反向輸入端施加到開(kāi)關(guān)放大器單元9之前，通過(guò)校正信號(hào)校正該參考信號(hào)。 通過(guò)具有傳輸函數(shù)(1-H1*H3*H2’)的濾波器單元52來(lái)校正參考信號(hào)。數(shù)學(xué)上，在濾 波器元件52的輸入端4，等于(_H1*H3*H2’)*Vr的校正信號(hào)被加入到參考信號(hào)Vr (鋸 齒波)。因此獲得的信號(hào)Vrcorr實(shí)際上正是校正的參考信號(hào)，即針對(duì)用于脈沖寬度調(diào)制 的電路中出現(xiàn)的所有元件的傳輸函數(shù)，以及針對(duì)放大器單元9的門(mén)8處的反轉(zhuǎn)進(jìn)行校正的 參考信號(hào)。當(dāng)該校正的參考信號(hào)Vrcorr被施加到開(kāi)關(guān)放大器單元9的反向輸入端8時(shí)， 獲得與上述如圖3、4和5所示的電路一樣的結(jié)果。因此，如此獲得的電路以及實(shí)現(xiàn)脈沖 寬度調(diào)制的方法提供特別恒定的開(kāi)關(guān)殘余，且對(duì)于電路的積分濾波器22的非線(xiàn)性高度不 敏感。上文所示和討論的通過(guò)校正信號(hào)校正的電路，消除了電路的非線(xiàn)性，且非常易 于實(shí)現(xiàn)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，當(dāng)增加校正次數(shù)時(shí)，還應(yīng)考慮脈沖寬度調(diào)制級(jí)的傳輸 延遲。在調(diào)制級(jí)的不同點(diǎn)加入校正項(xiàng)時(shí)，應(yīng)考慮相位差。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，本發(fā)明可以任何方式實(shí)施而不背離其工作原理和優(yōu) 點(diǎn)。因此本發(fā)明的范圍僅如權(quán)利要求書(shū)所限。
權(quán)利要求
1.一種提供脈沖寬度調(diào)制的方法，該方法包括以下步驟基于輸入信號(hào)和參考信號(hào) 提供脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，將該脈沖寬度調(diào)制信號(hào)反饋到該輸入信號(hào)，以及通過(guò)環(huán)路濾波 器至少對(duì)該脈沖寬度調(diào)制信號(hào)進(jìn)行濾波，所述參考信號(hào)是具有參考頻率的周期性參考信 號(hào)，其中提供脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的步驟包括根據(jù)該輸入信號(hào)和該參考信號(hào)之間的比較，在該參考信號(hào)的每個(gè)周期中至少一次地 將該脈沖寬度調(diào)制信號(hào)從第一電壓水平切換到第二電壓水平；以及在該參考信號(hào)的每個(gè)周期的固定時(shí)刻至少一次地將該脈沖寬度調(diào)制信號(hào)從該第二電 壓水平切換到該第一電壓水平；其中所述方法進(jìn)一步包括加入周期性校正信號(hào)的步驟，使得所述校正信號(hào)的工作頻 率與所述參考頻率相適應(yīng)，以及其中所述校正信號(hào)包括電壓階躍，該電壓階躍與脈沖寬 度調(diào)制信號(hào)從該第二電壓水平到第一電壓水平的切換相一致且方向相反，從而對(duì)所述切 換至少部分地進(jìn)行補(bǔ)償。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該周期性校正信號(hào)的幅度與第一電壓水平和第二 電壓水平之差相適應(yīng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中該校正信號(hào)包括鋸齒波信號(hào)。
4.根據(jù)上述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中該方法通過(guò)包含一個(gè)或多個(gè)操作部 件的電路實(shí)現(xiàn)，以及其中針對(duì)由所述部件中的至少一個(gè)的傳輸函數(shù)引起的變形來(lái)補(bǔ)償該 校正信號(hào)。
5.根據(jù)上述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中在基于輸入信號(hào)和參考信號(hào)提供脈 沖寬度調(diào)制信號(hào)的步驟之后，加入該校正信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4和5所述的方法，其中該電路包括輸出濾波器，且針對(duì)所述輸出濾 波器的傳輸函數(shù)造成的變形來(lái)補(bǔ)償該校正信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4和5，或6所述的方法，其中在反饋環(huán)路中加入該校正信號(hào)，且針 對(duì)該反饋環(huán)路的傳輸函數(shù)造成的變形來(lái)補(bǔ)償該校正信號(hào)。
8.根據(jù)權(quán)利要球4和5，或6和7中任意一項(xiàng)所述的方法，其中在環(huán)路濾波器之后加 該入校正信號(hào)，且針對(duì)該環(huán)路濾波器的傳輸函數(shù)造成的變形來(lái)補(bǔ)償該校正信號(hào)。
9.根據(jù)上述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中該校正信號(hào)與該參考信號(hào)相結(jié)合從 而提供經(jīng)校正的參考信號(hào)。
10.根據(jù)上述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中該參考信號(hào)在每個(gè)周期中包括至少 一個(gè)電壓階躍，用于在該周期的所述固定時(shí)刻提供該脈沖寬度調(diào)制信號(hào)從該第二電壓水 平到該第一電壓水平的切換。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中該參考信號(hào)包括鋸齒波信號(hào)。
12.根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中該參考信號(hào)是多個(gè)參考信號(hào)分量的 組合，其中該校正信號(hào)是多個(gè)校正信號(hào)分量的組合，以及其中參考信號(hào)分量的數(shù)量等于 校正信號(hào)分量的數(shù)量。
13.一種用于脈沖寬度調(diào)制的調(diào)制電路，該調(diào)制電路適用于根據(jù)權(quán)利要求1到12中 任意一項(xiàng)所述的方法，所述調(diào)制單元包括開(kāi)關(guān)放大器單元，用于根據(jù)輸入信號(hào)和參考信 號(hào)的比較在第一和第二電壓水平之間進(jìn)行切換，從而提供脈沖寬度調(diào)制信號(hào)；信號(hào)輸入 端，用于接收輸入信號(hào)；信號(hào)輸出端，用于提供脈沖寬度調(diào)制信號(hào)；參考輸入端，用于接收周期性參考信號(hào)；所述信號(hào)輸出端和所述信號(hào)輸入端之間的反饋環(huán)路；以及環(huán)路濾 波器；其中該調(diào)制電路設(shè)計(jì)為在該參考信號(hào)的每個(gè)周期的固定時(shí)刻，至少一次地將該脈 沖寬度調(diào)制信號(hào)從第二電壓水平切換到第一電壓水平；以及其中該調(diào)制電路進(jìn)一步設(shè)計(jì) 為接收校正信號(hào)，該校正信號(hào)用于針對(duì)在每個(gè)周期的所述固定時(shí)刻實(shí)現(xiàn)的脈沖寬度調(diào)制 信號(hào)的切換進(jìn)行補(bǔ)償。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的調(diào)制電路，進(jìn)一步包括用于加入該校正信號(hào)的裝置。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于具有反饋的脈沖寬度調(diào)制的方法和調(diào)制電路，其中基于輸入信號(hào)和參考信號(hào)提供脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，該參考信號(hào)是周期性的且具有參考頻率。以這樣的方式提供脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，即根據(jù)輸入信號(hào)和參考信號(hào)之間的比較，在參考信號(hào)的每個(gè)周期內(nèi)至少一次地將輸出信號(hào)從第一電壓水平切換到第二電壓水平，以及在每個(gè)周期的固定時(shí)刻至少一次地將該脈沖寬度調(diào)制信號(hào)從第二電壓水平切換到第一電壓水平。進(jìn)一步地，加入周期性校正信號(hào)，來(lái)針對(duì)脈沖寬度調(diào)制信號(hào)中的從第二電壓水平到第一電壓水平的切換進(jìn)行補(bǔ)償。
文檔編號(hào)H03F1/34GK102017401SQ200980114544
公開(kāi)日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2009年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月23日
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