专利名称：可切换电压追随器及使用该追随器的桥式驱动电路装置的制作方法
技术领域：
本发明有关驱动电路的技术领域，尤其是指一种可切换电压追随器及使用该追随器的桥式驱动电路装置。
第8A图及第8B图分别显示一种已知的波宽调变(Pulse WidthModulation，PWM)桥式驱动器(bridge driver)及其驱动波形，其由数位波宽调变后的上波宽调变讯号(PWM-UP)与下波宽调变讯号(PWM-DOWN)来驱动交叉连接的输出晶体管MP1、MN1、MP2及MN2以驱动喇叭81，并由喇叭81的低通滤波(low pass filtering)来转换出音频而输出。这种桥式驱动大器构造简单，且可以在低电压工作下输出够大音量，但其在电压源VDD高低变化时，输出音量变化相当大；且当电压源VDD为高时，输出电流大，而容易在积分电路内部造成过大的暂态杂讯，引发积分电路工作失误，譬如误触发电源启动的重置(poweron reset)等等；此外，若晶体管MP1、MN1、MP2及MN2在布局上有不对称，或因制程漂移而使(MP1，MN1)的导通电阻与(MP2，MN2)的导通电阻不相等，则会引发非对称的失真。
第9图则显示一种用于语音处理IC以推动喇叭的桥式放大器(bridgeamplifier)，其中语音数位处理电路输出的资料(b0-b10)先经由数位类比转换器91(digital to analog converter，DAC)转成类比信号，再由单端至差动转换器92(single ended to differential output converter)将信号转成正极性信号V1与负极性信号V2，以分别推动两个作为驱动器的AB类放大器93及94，再由两个驱动器输出音频驱动并推动喇叭95。
前述的桥式驱动放大器所用的单端至差动转换器92与AB类放大器93及94的构造如
图10所示；其优点是可以单端推动喇叭或接成桥式驱动喇叭以获得四倍输出功率，然而单端至差动转换器92会产生偏移(offset)，而两组AB类放大器93及94内的运算放大器OPU及OPB会产生直流漂移(dc offset)，此直流偏移以直流成分加在喇叭95上，会引发额外静态电流消耗，造成桥式输出(SPK+，SPK-)的直流偏移过大的缺失。
此外，前述桥式驱动放大器的AB放大器93及94的晶体管MN1、MP1的静态偏压电流与喇叭电阻的乘积必须大于桥式输出(SPK+，SPK-)的直流偏移，否则就会产生交叉(cross-over)失真，而一旦产生交叉失真就需由偏压控制电路96的回抑来抑制(参考美国专利USP 4,963,837号专利)，但由于偏压控制电路96乃提供局部回授，反而会使得AB类放大器的开回路增益(open loop gain)降到只有10-20倍，因此，其回授量将不足以有效抑制交叉失真，第11图便显示输入桥式驱动放大器的波形VIN与桥式输出(SPK+，SPK-)的波形(VSPK+-VSPK-)，其显示桥式输出波形(VSPK+-VSPK-)具有明显的交叉失真现象。因此，前述已知的桥式驱动电路实有予以改进的必要。
本发明的目的在提供一种可切换电压追随器及使用该追随器的桥式驱动电路装置，以有效地解决已知技术中的诸项缺失。
依据本发明之一特色，所提出的可切换电压追随器主要包括一输出晶体管对，具有一PMOS晶体管与一NMOS晶体管，该两晶体管的汲极相连以作为一驱动输出端；第一、第二及第三切换器，该第二切换器的第一输入端连接电压源，其输出端连接该PMOS晶体管的闸极，该第三切换器的第二输入端连接系统低电位，其输出端连接该NMOS晶体管的闸极；以及，一运算放大器，其正输入端作为回授端并连接至该驱动输出端，其负输入端连接至该第一切换器的输出端，并输出端则连接至该第二切换器的第二输入端及第三切换器的第一输入端；其中，每一切换器均由一极性端所控制，以当该极性端输入的数位逻辑信号为第一状态时，每一切换器的输出端切换连接至其第一输入端，而当该极性端所输入的数位逻辑信号为第二状态时，每一切换器的输出端切换连接至其第二输入端。
依据本发明的另一特色，所提出的桥式驱动电路装置主要包括第一及第二可切换电压追随器，每一个可切换电压追随器包括一输出晶体管对，具有一PMOS晶体管与一NMOS晶体管，该两晶体管的汲极相连以作为一驱动输出端；第一、第二及第三切换器，该第二切换器的第一输入端连接电压源，其输出端连接该PMOS晶体管的闸极，该第三切换器的第二输入端连接系统低电位，其输出端连接该NMOS晶体管的闸极，该第一切换器的第一及第二输入端分别作为可低态输入端及高态输入端，其中，每一切换器均由一极性端所控制，以当该极性端输入的数位逻辑信号为第一状态时，每一切换器的输出端切换连接至其第一输入端，而当该极性端所输入的数位逻辑信号为第二状态时，每一切换器的输出端切换连接至其第二输入端；以及，一运算放大器，其正输入端作为回授端并连接至该驱动输出端，其负输入端连接至该第一切换器的输出端，并输出端则连接至该第二切换器的第二输入端及第三切换器的第一输入端；其中，该第一及第二可切换电压追随器的低态输入端相连以作为低电位输入端，两者的高态输入端则相连以作为高电位输入端，而两者的极性端分别作为极性切换端，以供输入反相的极性切换逻辑信号。
为进一步了解本发明的结构、特征及其目的，以附图及较佳实施例作详细说明图1为本发明的桥式驱动电路装置的功能方块图，图2为本发明的可切换电压追随器的电路图，图3为本发明的桥式驱动电路装置的一种电路组图，图4为本发明的桥式驱动电路装置的另一种电路组图，图5A为本发明的PWM驱动器的电路图，图5B为图5A的PWM驱动器的驱动波形，图6为依据本发明的语音驱动器，图7为图6的语音驱动器的驱动波形，图8A为一种已知的波宽调变桥式驱动器的电路图，图8B为图8A的波宽调变桥式驱动器的驱动波形图，图9为一种用于语音处理IC以推动喇叭的桥式放大器的电路图，图10为图9的桥式放大器的详细电路结构图，图11为图9的桥式放大器的输入与桥式输出的波形图。
图1显示本发明的桥式驱动电路装置的一较佳实施例，其由两个可切换电压追随器11及12(switchable voltage follower)所构成，其中的每一个可切换电压追器11或12的电路结构则如图2所示，主要由一运算放大器24、三个切换器21-23及一输出晶体管对25所构成，其中，输出晶体管对25以PMOS晶体管M1与NMOS晶体管M2分别作为输出元件，而晶体管M！及M2的汲极相连以作为可切换电压追随器的输出端OUT。
前述的切换器21-23较佳地为2对1切换器(MUX)，其由一极性端PN所控制，以当该极性端PN所输入的数位逻辑信号为0时，切换器21-23的输出端213、223或233切换连接至第一输入端211、221或231，而当该极性端PN所输入的数位逻辑信号为1时，切换器21-23的输出端213、223或233切换连接至其第二输入端212、222或232。
前述运算放大器24为一全轨对轨(full rail-to-rail)的差动放大器，其正输入端作为回授端并连接至该驱动输出端OUT，其负输入端连接至切换器21的输出端213以将输入信号放大，而其输出端则连接至切换器22的第二输入端222及切换器23的第一输入端231；切换器22的第一输入端221连接电压源VDD，其输出端223连接晶体管M1的闸极；切换器23的第二输入端232连接系统低电位VSS，其输出端233连接至晶体管M2的闸极；切换器21的第一及第二输入端211及212则分别作为可切换电压追随器的低态输入端INL及高态输入端INH。
以前述可切换电压追随器11及12的电路结构，当PN＝1时，该运算放大器24的负输入端连结到INH，输出则连结到晶体管M1的闸极，而晶体管M1的汲极则连结到运算放大器24的回授端，故可构成一上拉(pullup)电压追随器，而在此同时，晶体管M2的闸极被连到VSS而关闭。而当PN＝0时，该运算放大器24的输入连结到INL，输出则连结到晶体管M2的闸极，晶体管M2的汲极则连结到运算放大器24的回授端，而构成一下拉(pull down)电压追随器，在此同时，晶体管M1的闸极被连结到VDD而被关闭。由此可知，由以极性端PN用来控制三个切换器21-23，便可将可切换电压追随器11及12切换成所需要的组态。
而当组合成图1的桥式驱动电路装置时，该可切换电压追随器11及12的低态输入端INL共同连接至一低电位输入端VIL，而两者的高态输入端INH则共同连接至一高电位输入端VIH，另该可切换电压追随器11及12的极性端PN则分别以第一极性切换端PNSW1及第二极性切换端PNSW2所表示，因此，配合极性切换逻辑信号PNSW1与PNSW2的控制，当PNSW1＝1、PNSW2＝0时，可切换电压追随器11及12的电路组态便如图3所示，其分别提供上拉及下拉的功能以驱动喇叭13；反之，当PNSW1＝0、PNSW2＝1时，可切换电压追随器11及12的电路组态便如图4所示，其分别提供下拉及上拉的功能以驱动喇叭13，据此，即可获致桥式推挽式(push-pull)驱动功能。
前述利用可切换电压追随器11及12所构成的桥式驱动器本身就可以当作是PWM驱动器，如图5A及图5B所分别显示的电路图及驱动波形图，其中，桥式驱动器的可切换电压追随器11及12的高态输入端INH共同连接一较高电位的上限参考电压VRT，其低态输入端INH则共同连接一较低电位的下限参考电压VRB，而可切换电压追随器11及12的极性端PN分别用以输入上波宽调变讯号(PWM-UP)与下波宽调变讯号(PWM-DOWN)，则如图所示，加在喇叭13负载上的即为一峰值对峰值(peak to peak)等于2×(VRT-VRB)的PWM讯号。此种PWM驱动器有以下优点(1)电压追随器的频宽高达1MHz，可以推动PWM信号。
(2)当VDD电压约高于VRT+VRB+0.4V以上，输出到喇叭负载上电压为恒定的峰值对峰值等于2×(VRT-VRB)，而非2×VDD，故可维持稳定的音量输出，因此，对于在以电池作为供电的应用中，音量的输出不会受到电池新旧的影响。
(3)由于正、负极性输出电流的不对称性偏差将来自两个运算放大器之间的直流偏移(do offset)除以(VRT-VRB)，其中，此直流偏移值小于30mV，而VRT-VRB＞2.0V以上，因此偏差值小于1.5％，但传统的PWM驱动器所引发的直流电流耗损与失真都会比传统的PWM驱动器小很多。
图6为一以前述利用可切换电压追随器11及12所构成的桥式驱动器、一数位至类比转换器61(DAC)及一数位整流电路60所构成的N位元语音驱动器(audio driver)(于本实施例中，N＝10)，如图所示，桥式驱动器的两个可切换的电压追随器11及12的INL端都连接于数位至类比转换器61的下限参考电位VRB，而可切换电压追随器11及12的INH端则共同接到数位至类比转换器61的输出端。
该可切换电压追随器11的极性端PN由输入的10位元语音资料的最高位元(MSB)b10所控制，其波形如图7B所示，而另一可切换电压追随器12的极性端PN则由该最高位元b10通过一反相逻辑闸62所控制。
该位数整流电路60包含有一反相逻辑闸63及九个互斥或(exclusiveOR)逻辑闸64，提供输入数位语音资料b1-b10的绝对值运算，以输出数位资料的绝对值，其中，该最高位元b10通过一反相逻辑闸63接到九个互斥或逻辑闸64，以便分别与输入的10位元语音资料的其余位元b1-b9分别进行互斥或运算后再输入该数位至类比转换器61，而可将输入的语音资料以中点电位(1000000000)为参考点作绝对值运算，使经数位至类比转换器61转换的电压都是正极性，如图7A所示，而可以驱动可切换电压追随器11及12的INH端，故在SPK+端与SPK-端的波形便如图7C及D所示，而驱动喇叭的信号(VSPK+-VSPK-)即为图7E所示的波形。
以前述的语音驱动器可获致以下优点(1)只需用(N-1)位元的数位至类比转换器即可得到N位元的解析度。
(2)不需要单端至差动转换器。
(3)整个桥式驱动器只用两个运算放大器。
(4)输出的直流偏移来自两个运算放大器之间的直流偏移差异，此值将比传统的N位元语音驱动器的直流偏移小很多，因此所引发的直流电耗损会比较小。
(5)因为使用B类电压追随器，故无直流偏压的产生。
综上所述，上述诸多实施例仅为了便于说明而举例，本发明所主张的权利范围自以申请专利范围所述为准，而非仅限于上述实施例。
权利要求
1.一种可切换电压追随器，其特征在于，主要包括一输出晶体管对，具有一PMOS晶体管与一NMOS晶体管，该两晶体管的汲极相连以作为一驱动输出端；第一、第二及第三切换器，该第二切换器的第一输入端连接电压源，其输出端连接该PMOS晶体管的闸极，该第三切换器的第二输入端连接系统低电位，其输出端连接该NMOS晶体管的闸极；以及一运算放大器，其正输入端作为回授端并连接至该驱动输出端，其负输入端连接至该第一切换器的输出端，并输出端则连接至该第二切换器的第二输入端及第三切换器的第一输入端；其中，每一切换器均由一极性端所控制，以当该极性端输入的数位逻辑信号为第一状态时，每一切换器的输出端切换连接至其第一输入端，而当该极性端所输入的数位逻辑信号为第二状态时，每一切换器的输出端切换连接至其第二输入端。
2.如权利要求1所述的可切换电压追随器，其特征在于，其中，该运算放大器为一全轨对轨的差动放大器。
3.如权利要求1所述的可切换电压追随器，其特征在于，其中，该第一状态为逻辑0，该第二状态逻辑为1。
4.如权利要求1所述的可切换电压追随器，其特征在于，其中，该第一切换器的第一及第二输入端分别作为可切换电压追随器的低态输入端及高态输入端。
5.如权利要求1所述的可切换电压追随器，其特征在于，其中，该切换器为一2对1多工器。
6.一种桥式驱动电路装置，其特征在于，主要包括第一及第二可切换电压追随器，每一个可切换电压追随器包括一输出晶体管对，具有一PMOS晶体管与一NMOS晶体管，该两晶体管的汲极相连以作为一驱动输出端；第一、第二及第三切换器，该第二切换器的第一输入端连接电压源，其输出端连接该PMOS晶体管的闸极，该第三切换器的第二输入端连接系统低电位，其输出端连接该NMOS晶体管的闸极，该第一切换器的第一及第二输入端分别作为可低态输入端及高态输入端，其中，每一切换器均由一极性端所控制，以当该极性端输入的数位逻辑信号为第一状态时，每一切换器的输出端切换连接至其第一输入端，而当该极性端所输入的数位逻辑信号为第二状态时，每一切换器的输出端切换连接至其第二输入端；以及一运算放大器，其正输入端作为回授端并连接至该驱动输出端，其负输入端连接至该第一切换器的输出端，并输出端则连接至该第二切换器的第二输入端及第三切换器的第一输入端；其中，该第一及第二可切换电压追随器的低态输入端相连以作为低电位输入端，两者的高态输入端则相连以作为高电位输入端，而两者的极性端分别作为极性切换端，以供输入反相的极性切换逻辑信号。
7.如权利要求6所述的桥式驱动电路装置，其特征在于，其中，该第一及第二切换电压追随器的高态输入端共同连接一上限参考电压，两者的低态输入端则共同连接一下限参考电压，而两者的极性端分别用以输入一上波宽调变讯号与一下波宽调变讯号，当中，该上限参考电压大于下限参考电压。
8.如权利要求6所述的桥式驱动电路装置，其特征在于，其中更包含一数位整流电路，提供输入数位资料的绝对值运算，以输出数位资料的绝对值；一数位至类比转换器，输入该数位资料的绝对值，以在输出端产生转换的电压；其中，该第一及第二可切换电压追随器的低态输入端连接于数位至类比转换器的下限参考电位，而两者的高态输入端则共同接到数位至类比转换器的输出端，该第一可切换电压追随器的极性端由输入的数位资料的最高位元所控制，而该第二可切换电压追随器的极性端则由该最高位元通过一反相逻辑闸所控制。
9.如权利要求8所述的桥式驱动电路装置，其特征在于，其中，该数位整流电路包含有一反相逻辑及复数个互斥或逻辑闸，当中，所输入数位资料最终高元通过该反相逻辑闸接到该复数个互斥或逻辑闸，以分别与输入的数位资料的其余位元分别进行互斥或运算后丙输入该数位至类比转换器。
10.如权利要求6、7或8所述的桥式驱动电路装置，其特征在于，其中，该运算放大器为一全轨对轨的差动放大器。
11.如权利要求6、7或8所述的桥式驱动电路装置，其特征在于，其中，该第一状态为逻辑0，该第二状态逻辑为1。
12.如权利要求6、7或8所述的桥式驱动电路装置，其特征在于，其中，该切换器为一2对1多工器。
全文摘要
本发明为一种可切换电压追随器及使用该追随器的桥式驱动电路装置,该追随器由一输出晶体管对、三个切换器及一运算放大器所构成,其中,每一切换器均由一极性端所控制,以将电路切换为上拉电压追随器或下拉电压追随器,该桥式驱动电路装置由两组可切换电压追随器所构成,由交替驱动该两组可切换电压追随器而获致桥式推挽的驱动功能。
文档编号H04R5/00GK1384603SQ0111563
公开日2002年12月11日 申请日期2001年4月28日 优先权日2001年4月28日
发明者庄达昌 申请人:凌阳科技股份有限公司