專(zhuān)利名稱(chēng)：多基準(zhǔn)高精度開(kāi)關(guān)放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來(lái)說(shuō)涉及一種開(kāi)關(guān)放大器，特別是一種在橋式結(jié)構(gòu)中使用許多獨(dú)立基準(zhǔn)輸出級(jí)而具有較高精度的低成本的開(kāi)關(guān)放大器。
開(kāi)關(guān)放大器過(guò)去是依據(jù)單極或雙極電源基準(zhǔn)和負(fù)載之間固定控制周期中的調(diào)制連接時(shí)間的原理設(shè)計(jì)而成的?？捎糜谪?fù)載的電壓或電流本質(zhì)上是所連接電源乘以連接占空因數(shù)(導(dǎo)通時(shí)間與總時(shí)間之比)的值。因此，輸出電壓，電流或功率通過(guò)隨每個(gè)控制周期修改一次的調(diào)制輸入以比例的方式進(jìn)行控制。控制周期通常使用在有價(jià)值的最高頻率第1/20至1/2周期的范圍內(nèi)。
開(kāi)關(guān)放大器的輸出在作用于負(fù)載前要經(jīng)過(guò)濾波。這就減少了調(diào)制源和控制周期之間的外差積(圖象失真)。使用較短的控制周期就容許使用較低的Q輸出濾波器，而較長(zhǎng)的控制周期對(duì)銳截止濾波器斜率有要求。因此濾波器成本促使使用較短的控制周期。
在過(guò)去的十年中，放大源的動(dòng)態(tài)范圍已被顯著地增加?，F(xiàn)在典型的數(shù)字聲頻源具有一個(gè)96dB的動(dòng)態(tài)范圍和一個(gè)20kHz帶寬。為了精確地放大這樣的信號(hào)，一典型的放大器輸出級(jí)就需要40kHz控制頻率中大致為1/65,000的最大定時(shí)分辨率，分辨率實(shí)質(zhì)上小于一毫微秒。


圖1表示一種兩個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器使用單個(gè)基準(zhǔn)的典型現(xiàn)有技術(shù)的橋式開(kāi)關(guān)放大器。圖2表示放大器輸出級(jí)的定時(shí)要求，其中波形202-205對(duì)應(yīng)于作用于圖1中電控開(kāi)關(guān)102-105的(有源高)驅(qū)動(dòng)器。電源101與開(kāi)關(guān)102和104相連接以便于通過(guò)濾波器106或107控制負(fù)載108的電壓。電源101的返回路徑與開(kāi)關(guān)103和105相連接以便于構(gòu)成通路。
開(kāi)關(guān)102至105的控制是由控制電路109執(zhí)行的。濾波器106和107用于去除輸出端的開(kāi)關(guān)分量。開(kāi)關(guān)102和103用一比占空因數(shù)專(zhuān)門(mén)啟動(dòng)，而開(kāi)關(guān)105被啟動(dòng)以經(jīng)過(guò)濾波器106和107提供一極性給負(fù)載108?？商鎿Q地，開(kāi)關(guān)104和105用一比占空因數(shù)專(zhuān)門(mén)啟動(dòng)，而開(kāi)關(guān)103被啟動(dòng)以經(jīng)過(guò)濾波器106和107提供一反極性給負(fù)載108。
即使圖1的輸出級(jí)以100kHz的典型頻率工作，也要注意精確放大96dB動(dòng)態(tài)范圍(65536分之一)信號(hào)的時(shí)間分辨率為100kHz的倒數(shù)除以65536，或?yàn)?53微微秒。這就超出了通用硅半導(dǎo)體的能力。為了以合理的成本精確地放大高帶寬高精度信號(hào)，就需要一種不同的方法。
本發(fā)明屬于一種在橋式結(jié)構(gòu)中包括許多獨(dú)立輸出級(jí)的開(kāi)關(guān)放大器。概括的說(shuō)，每個(gè)輸出級(jí)將一獨(dú)立占空因數(shù)和兩個(gè)或多個(gè)靜態(tài)或動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)電壓，電流或功率的積提供給共用輸出負(fù)載的信號(hào)端。這種結(jié)構(gòu)通過(guò)使用多基準(zhǔn)以產(chǎn)生具有松弛定時(shí)要求的輸出電壓，電流或功率就能實(shí)現(xiàn)比常用設(shè)計(jì)的精度更高和制造的成本更低。
在最佳實(shí)施例中，使用第一和第二電壓基準(zhǔn)，第一基準(zhǔn)的電壓高于第二基準(zhǔn)的電壓。第一電壓基準(zhǔn)高于第二基準(zhǔn)電壓一個(gè)因數(shù)，該因數(shù)為2的冪。許多電控開(kāi)關(guān)與負(fù)載的基準(zhǔn)相連接，波形發(fā)生器以第一電壓作用于負(fù)載實(shí)現(xiàn)功率的粗略控制和第二電壓作用于負(fù)載實(shí)現(xiàn)功率的精確控制的方式控制開(kāi)關(guān)。波形發(fā)生器最好使用脈沖編碼調(diào)制器(PCM)，雖然本發(fā)明在這方面不受限制，它可應(yīng)用于適合使電控開(kāi)關(guān)排序的任何調(diào)制方案或波形。
負(fù)載最好在任一側(cè)要經(jīng)過(guò)濾波，電源的回路通過(guò)所連接的獨(dú)立開(kāi)關(guān)與濾波過(guò)的負(fù)載相連接。在使用兩個(gè)基準(zhǔn)的實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的一種系統(tǒng)最好包括第一對(duì)電控開(kāi)關(guān)，用于將一個(gè)基準(zhǔn)與負(fù)載每側(cè)進(jìn)行串聯(lián)，第二對(duì)電控開(kāi)關(guān)，用于將另一個(gè)基準(zhǔn)與負(fù)載每側(cè)進(jìn)行串聯(lián)和第三對(duì)電控開(kāi)關(guān)，一個(gè)在負(fù)載的任一側(cè)用于構(gòu)成回路。在此情況下，波形發(fā)生器包括足夠的輸出端以能適當(dāng)?shù)乜刂泼總€(gè)開(kāi)關(guān)。
圖1表示一種對(duì)于兩個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器使用單個(gè)基準(zhǔn)的典型橋式開(kāi)關(guān)放大器輸出級(jí)；圖2表示一種典型橋式開(kāi)關(guān)放大器輸出級(jí)的定時(shí)要求；圖3表示每個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器具有兩個(gè)動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)的本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例；圖4表示圖3所示的最佳實(shí)施例的定時(shí)要求。
本發(fā)明概括地說(shuō)屬于一種在橋式結(jié)構(gòu)中包括兩個(gè)獨(dú)立輸出級(jí)的開(kāi)關(guān)放大器。每個(gè)輸出級(jí)將一獨(dú)立占空因數(shù)和兩個(gè)或多個(gè)靜態(tài)或動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)電壓、電流或功率的積提供給共用輸出負(fù)載的信號(hào)端。這種結(jié)構(gòu)通過(guò)使用多基準(zhǔn)以產(chǎn)生具有松弛定時(shí)要求的輸出電壓、電流或功率就實(shí)現(xiàn)比常用設(shè)計(jì)的精度更高和制造成本更低。
通過(guò)插入，負(fù)載在橋式結(jié)構(gòu)中跨接在兩個(gè)(或多個(gè))獨(dú)立開(kāi)關(guān)放大器輸出級(jí)以能接收它們輸出差；即兩個(gè)獨(dú)立基準(zhǔn)/占空因數(shù)積之間的差。與現(xiàn)有的開(kāi)關(guān)放大器一樣，其中單個(gè)基準(zhǔn)的獨(dú)立占空因數(shù)用于橋的每個(gè)輸出級(jí)，定時(shí)分辨率的限制影響低電平調(diào)制。
由于每個(gè)輸出級(jí)產(chǎn)生一個(gè)積，可以明白基準(zhǔn)的降低要求占空因數(shù)的增加以保持相同的輸出。還可明白基準(zhǔn)以任何系數(shù)的降低而沒(méi)有相當(dāng)?shù)恼伎找驍?shù)增加以該系數(shù)降低該級(jí)的輸出。
由于最后輸出給橋式結(jié)構(gòu)負(fù)載的是一差信號(hào)，可以明白兩個(gè)輸出級(jí)不會(huì)產(chǎn)生相同量，或基準(zhǔn)/占空因數(shù)積。高基準(zhǔn)的粗信息在具有較低基準(zhǔn)精信息的負(fù)載求和。粗信息與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流中的精信息相分離只是簡(jiǎn)單的比特字段選擇的問(wèn)題。通過(guò)使用微分器模擬分離是可能的。
為了提供較寬的動(dòng)態(tài)范圍，每個(gè)基準(zhǔn)本身可以是動(dòng)態(tài)的。放大分辨率要求通常是電流電平的函數(shù)，與固定絕對(duì)的基準(zhǔn)情況相反。使用動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)容許分辨率跟隨電位。例如對(duì)于動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)，作用于負(fù)載的電能可根據(jù)輸入信號(hào)的瞬時(shí)值而變化，正如U.S.專(zhuān)利第5,610,553號(hào)所描述，它是作為參考用在此全部引入的。
通過(guò)使用獨(dú)立基準(zhǔn)和單個(gè)負(fù)載的控制占空因數(shù)，因此就能夠從單個(gè)開(kāi)關(guān)放大器輸出級(jí)中改變定時(shí)分辨率的要求。注意任何基準(zhǔn)所作的改變是適合于現(xiàn)有的瞬時(shí)值以增加動(dòng)態(tài)范圍，基準(zhǔn)不作單獨(dú)地改變以使輸出減弱。
圖3表示每個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器包括兩個(gè)動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)的本發(fā)明一個(gè)最佳實(shí)施例的附圖。圖4表示與該系統(tǒng)相關(guān)的定時(shí)波形圖。第一基準(zhǔn)VR1與開(kāi)關(guān)207和210相連接以通過(guò)負(fù)載任一側(cè)的濾波器使用圖中所示電容器和電感器將電能提供給負(fù)載218。第二基準(zhǔn)VR2通過(guò)負(fù)載任一側(cè)的濾波器和控制開(kāi)關(guān)208、211將電能提供給負(fù)載218。電源的回路經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)209和212相連接。開(kāi)關(guān)的控制是通過(guò)圖4所示定時(shí)圖的控制電路220實(shí)現(xiàn)的。開(kāi)關(guān)可以通過(guò)使用工業(yè)使用的功率MOSFET或其它任何適用設(shè)備執(zhí)行。
基準(zhǔn)VR1最好高于VR2一個(gè)因數(shù)，該因數(shù)為2的冪，以能容許對(duì)粗略/精確控制的比特字段進(jìn)行直接提取。取決于輸出極性，同時(shí)被控制的開(kāi)關(guān)對(duì)或是207/208(粗略控制)與208/209(精確控制)，或是210/211(粗略控制)與212/211(精確控制)。這種方式的控制就會(huì)使VR2在相對(duì)側(cè)成為一個(gè)具有下沉(sinking)和源極(sourcing)的”偽接地”。占空因數(shù)的瞬時(shí)差不能通過(guò)負(fù)載看出，因?yàn)樗鼈兊念l率高于輸出濾波器的頻率是容許的。
信號(hào)401-406反射通過(guò)節(jié)點(diǎn)201-206提供的控制信號(hào)。調(diào)制從降低的粗略和精確值開(kāi)始，然后改變符號(hào)為隨精確降低粗略增加，繼之是隨精確增加粗略降低。注意分子部分(有源)信號(hào)在它們的補(bǔ)數(shù)前如圖示激活。為了方便起見(jiàn)顯示微分兩端比特檢測(cè)的反向(“一”在一側(cè)表示源極，但在另一側(cè)表示下沉)。
剛才所描述的放大器輸出級(jí)例如是以100kHz的頻率工作時(shí)，精確放大具有96dB動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)的占空因數(shù)的定時(shí)分辨率也可以通過(guò)100kHz的倒數(shù)除以65536和乘以50而得出8毫微秒(假定基準(zhǔn)出現(xiàn)相同的比率50∶1)而獲得。這正好在工業(yè)可用半導(dǎo)體設(shè)備容量范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種開(kāi)關(guān)放大器，它包括一負(fù)載；第一和第二基準(zhǔn)，第一基準(zhǔn)的值高于第二基準(zhǔn)的值；許多電控開(kāi)關(guān)，它們與負(fù)載的基準(zhǔn)相連接；和一波形發(fā)生器，它以第一基準(zhǔn)作用于負(fù)載實(shí)現(xiàn)粗略的功率控制和第二基準(zhǔn)作用于負(fù)載實(shí)現(xiàn)精確的功率控制的方式控制開(kāi)關(guān)。
2.如權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)放大器，它還包括一串聯(lián)在負(fù)載任一側(cè)的濾波器，開(kāi)關(guān)與負(fù)載相連接。
3.如權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)放大器，其特征在于基準(zhǔn)是電壓基準(zhǔn)。
4.如權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)放大器，其特征在于基準(zhǔn)是電流基準(zhǔn)。
5.如權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)放大器，其特征在于基準(zhǔn)是功率基準(zhǔn)。
6.如權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)放大器，其特征在于基準(zhǔn)是靜態(tài)的。
7.如權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)放大器，其特征在于基準(zhǔn)是動(dòng)態(tài)的。
8.如權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)放大器，其特征在于第一電壓基準(zhǔn)高于第二電壓基準(zhǔn)一因數(shù)，該因數(shù)為2的冪。
9.如權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)放大器，它還包括一串聯(lián)在負(fù)載任一側(cè)接地的電控開(kāi)關(guān)。
10.一種開(kāi)關(guān)放大器，它包括一具有濾波器的負(fù)載，該濾波器串接在任一側(cè)；許多基準(zhǔn)，每個(gè)基準(zhǔn)具有不同的值；許多電控開(kāi)關(guān)，它們通過(guò)兩個(gè)濾波器將每個(gè)基準(zhǔn)與負(fù)載相連接；一輸入端；和將輸入轉(zhuǎn)換為許多調(diào)制信號(hào)的電路，調(diào)制信號(hào)控制開(kāi)關(guān)以便通過(guò)濾波器對(duì)負(fù)載的電能進(jìn)行粗略和精確的控制。
11.如權(quán)利要求10所述的開(kāi)關(guān)放大器，其特征在于基準(zhǔn)是電壓、電流或功率基準(zhǔn)。
12.如權(quán)利要求10所述的開(kāi)關(guān)放大器，其特征在于基準(zhǔn)是靜態(tài)的。
13.如權(quán)利要求10所述的開(kāi)關(guān)放大器，其特征在于基準(zhǔn)是動(dòng)態(tài)的。
14.如權(quán)利要求10所述的開(kāi)關(guān)放大器，其特征在于第一電壓基準(zhǔn)高于第二電壓基準(zhǔn)一因數(shù)，該因數(shù)為2的冪。
15.如權(quán)利要求10所述的開(kāi)關(guān)放大器，它還包括一串聯(lián)在負(fù)載任一側(cè)接地的電控開(kāi)關(guān)。
16.如權(quán)利要求10所述的開(kāi)關(guān)放大器，其特征在于調(diào)制信號(hào)是脈沖編碼調(diào)制(PCM)信號(hào)。
17.一種開(kāi)關(guān)放大器，它包括一濾波過(guò)的負(fù)載；第一和第二電壓基準(zhǔn)，第一基準(zhǔn)的電壓高于第二基準(zhǔn)的電壓；第一對(duì)電控開(kāi)關(guān)，一個(gè)串接在濾波過(guò)的負(fù)載每側(cè)，每個(gè)開(kāi)關(guān)的另一側(cè)與第一電壓基準(zhǔn)相連接；第二對(duì)電控開(kāi)關(guān)，一個(gè)串接在濾波過(guò)的負(fù)載每側(cè)，每個(gè)開(kāi)關(guān)的另一側(cè)與第二電壓基準(zhǔn)相連接；第三對(duì)電控開(kāi)關(guān)，一個(gè)串接在濾波過(guò)的負(fù)載每側(cè)，每個(gè)開(kāi)關(guān)的另一側(cè)形成接地的通路；波形發(fā)生器，根據(jù)調(diào)制的輸入信號(hào)控制每個(gè)開(kāi)關(guān)。
18.如權(quán)利要求17所述的開(kāi)關(guān)放大器，其特征在于輸入信號(hào)是聲頻信號(hào)。
19.如權(quán)利要求17所述的開(kāi)關(guān)放大器，其特征在于輸入信號(hào)是脈沖編碼調(diào)制信號(hào)。
20.如權(quán)利要求17所述的開(kāi)關(guān)放大器，其特征在于波形發(fā)生器是作為調(diào)制輸入信號(hào)的一個(gè)函數(shù)以第一基準(zhǔn)作用于負(fù)載實(shí)現(xiàn)粗略的功率控制和第二基準(zhǔn)作用于負(fù)載實(shí)現(xiàn)精確的功率控制的方式控制每個(gè)開(kāi)關(guān)的。
全文摘要
一種在橋式結(jié)構(gòu)中使用許多獨(dú)立輸出級(jí)的開(kāi)關(guān)放大器,每個(gè)輸出級(jí)將一獨(dú)立占空因數(shù)和兩個(gè)或多個(gè)靜態(tài)或動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)電壓、電流或功率的積提供給共用輸出負(fù)載的信號(hào)端。許多電控開(kāi)關(guān)(207,208,209,210,211,212)將基準(zhǔn)與負(fù)載(218)相連接,波形發(fā)生器(220)控制對(duì)負(fù)載功率進(jìn)行粗略和精確控制的開(kāi)關(guān)。波形發(fā)生器最好使用脈沖編碼調(diào)制器(PCM),雖然本發(fā)明在這方面不受限制,它可應(yīng)用于適合使電控開(kāi)關(guān)排序的任何調(diào)制方案或波形。負(fù)載最好在任一側(cè)經(jīng)過(guò)濾波,電源(例如,接地)的回路經(jīng)過(guò)獨(dú)立的開(kāi)關(guān)和濾波器(213,214,215,216,217)與負(fù)載相連接。這種放大器可用于聲頻或其它得益于本設(shè)計(jì)的應(yīng)用中。
文檔編號(hào)H03F3/30GK1326613SQ99813224
公開(kāi)日2001年12月12日 申請(qǐng)日期1999年11月12日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月12日
發(fā)明者拉里·科恩 申請(qǐng)人:拉里·科恩