专利名称：Pwm发生器的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及适合于在开关放大器(例如D类音频放大器、伺服系统、DC电动机驱动、电源)中使用的PWM(脉冲宽度调制)发生器。本发明还涉及包括PWM发生器的电子设备。
PWM发生器是把模拟输入信号变换成脉冲输出信号的装置，该脉冲输出信号可以只采用将被表示为高和低的两个信号值。高信号值和低信号值基本上保持恒定。输出信号的占空比取决于输入信号，因此，输出信号的平均值随输入信号而变化。
传统的PWM发生器的设计被显示于
图1。比较器10在它的第一输入端11(在本例中不倒相输入端)处接收模拟输入信号Sin，并在它的另一个输入端12(在本例中倒相输入端)处接收由控制信号发生器20(锯齿发生器)生成的控制信号Sc，它典型地具有锯齿或三角形形状。在它的输出端13处，比较器10提供PWM输出信号Sout，它具有高的数值(如果目前的输入信号值高于目前的控制信号值)或低的数值(如果目前的输入信号值低于目前的控制信号值)。如果目前的输入信号值是相对较低的，则输出信号Sout在相对较短的时间期间是高的，以及在相对较长的时间期间是低的(占空比小于50％)，这样，输出信号Sout的平均值是相对较低的，反映低的输入信号值。相反，如果目前的输入信号值是相对较高的，则输出信号Sout在相对较长的时间期间是高的，以及在相对较短的时间期间是低的(占空比大于50％)，这样，输出信号Sout的平均值是相对较高的，反映高的输入信号值。循环的频率由控制信号Sc的频率决定。
作为例子，应当指出，在文件Motorola Semiconductor ApplicationNote(摩托罗拉半导体应用笔记)AN1042/D，Donald E.Pauly，“HighFidelity Switching Audio Amplifiers Using TMOS Power MOSFETs(使用TMOS功率MOSFET的高保真度开关音频放大器)”，1989，图6中公开了这样的传统PWM发生器的例子。
这个传统的装置的缺点在于，它需要两个或多个分开的功能单元，即比较器、控制信号发生器等，这使得这种设计相对较复杂和成本较高的。
所以，本发明的目的是提供具有减小的复杂性的PWM发生器。
更具体地，本发明的目的是提供需要减少数目的元件的PWM发生器。
再具体地，本发明的目的是提供一个不需要分开的控制信号发生器的PWM发生器。
按照本发明的一个重要的方面，PWM发生器包括自激多谐振荡器，它具有用于控制占空比的控制输入端，其中输入信号Sin在这个控制输入端处被接收。
按照本发明的另一个重要方面，PWM发生器包括比较器，它具有用于接收输入信号的一个输入端，并且还具有被耦合在输出节点与另一个比较器输入端之间的积分反馈环。PWM发生器可以在诸如音频放大器之类的电子设备中使用，以及在诸如电视机或监视器之类的显示设备中作为音频放大器。
本发明由独立权利要求进行限定。从属权利要求限定有利的实施例。
下面参照附图通过按照本发明的PWM发生器的示例性实施例的以下的说明，将进一步说明本发明的这些和其它的方面、特性和优点，图上相同的参考数字表示相同的或相似的部件，以及其中图1是示意地说明传统的PWM发生器的方框图；图2A-2C是示意地说明按照本发明的PWM发生器的基本设计的方框图；图3是说明按照本发明的PWM发生器的运行的曲线图；图4是示意地说明按照本发明的PWM发生器的实施例的方框图；图5是示意地说明按照本发明的PWM发生器的另一个实施例的方框图；图6说明在图5的PWM发生器中使用的开关的实施例；图7A和7B说明具有倒相性质的替代开关的实施例；图8是示意地说明按照本发明的PWM发生器的另一个实施例的方框图。
图2A示意地说明按照本发明的PWM发生器100的实施例的基本设计。PWM发生器100包括具有第一不倒相输入端111和第二倒相输入端112以及输出端113的比较器110。PWM发生器100具有被耦合到第一比较器输入端111的输入端101，用于接收模拟输入信号Sin。发生器100的输出端103被连接到输出端113。
另外，比较器110具有第一电源输入端121和第二电源输入端122，用于接收工作电源电压V1和V2。在下面，假设V1具有高于V2的电压电平。V1可以是正电压，而V2可以是低于V1的任何电压(正的、零伏或大的、负的)。另一方面，V2可以是负电压，而V1可以是高于V2的任何电压(正的、零伏或大的、负的)。典型地，V2将被取为等于对于电容器156的输入信号的参考电压电平。
比较器110被设计成能在它的输出端113处生成输出电压，该输出电压或者具有高的数值(典型地基本等于第一电源电压V1)，如果在它的第一输入端111处的电压电平高于在它的第二输入端112处的电压电平的话；或者具有低的数值(典型地基本等于第二电源电压V1)，如果在它的第一输入端111处的电压电平低于在它的第二输入端112处的电压电平的话。由于这样的比较器通常是已知的，并且现有技术比较器可用于实施按照本发明的PWM发生器，所以这里不必更详细地讨论比较器的设计和运行。
PWM发生器100还包括从发生器输出端103到第二比较器输入端112的反馈环159。在所示出的实施例中，反馈环159包括积分器150，其具有被耦合到发生器输出端103的积分器输入端151和具有被耦合到第二比较器输入端112的积分器输出端152。积分器150的功能是响应于在它的输入端151处接收的阶跃电压而在它的积分器输出端152处提供相对较缓慢上升或下降的反馈信号FB。积分器150例如可被实施为低通滤波器。在相对较简单的实施例中，积分器150可被实施为电阻155与电容器156的组合，正如图2A上示意性显示的。
图3是说明PWM发生器100的运行的曲线图。这个曲线图显示作为反馈信号FB的积分器150的积分器输出电压和在输出端103处的输出端电压Sout随时间t的变化。假设在时间t＝0时在第二输入端112处的电压等于V2，而在第一输入端111处的电压具有在V2和V1之间的某个值V111。因为在它的第一输入端111处的电压电平高于在它的第二输入端112处的电压电平，所以比较器110然后将在它的输出端113处输出高的输出电平。
现在，积分器输入端151接收高电压，而积分器输出端152是低电平。在这种情形下，积分器输出电压FB将缓慢上升。在某个时刻t1，积分器输出电压FB超过在第一输入端111处的电压V111。然后，由于在第一比较器输入端111处的电压电平低于在第二输入端112处的电压电平，所以比较器110生成低的输出电压。
现在，积分器输入端151接收低电压，而积分器输出端152具有V2和V1之间的电平。在这种情形下，积分器输出电压FB将缓慢降低。然而，在实际降低之前，由于不可避免的延时，积分器输出电压FB将增加到超过V111的某个过冲δ1，正如图3上以放大形式显示的。在某个时刻t2，积分器输出电压FB将降低到低于在第一输入端111处的电压V111。然后，由于在第一输入端111处的电压V111电平高于在第二输入端112处的电压电平，所以比较器110生成高的输出电压。再次地，由于不可避免的延时，积分器输出电压FB将显示低于V111的某个下冲δ2。
以上的循环重复进行，输出113在时间t1、t3、t5等从高电平切换到低电平，而在时间t2、t4、t6等从低电平切换到高电平。
现在，输出端113的高电平的持续时间和输出端113的低电平的持续时间取决于第一输入端111的电压电平V111，即输入信号值Sin，这样，比较器输出信号Sout的平均值基本上正比于第一输入端111处的电压电平。这可以如下地理解。
在从t1到t2的时间间隔内，电容器156将被放电电流iD放电，该放电电流正比于电阻155上的电压降，即iD～V111-V2。在从t2到t3的时间间隔内，电容器156将被充电电流ic充电，该充电电流同样正比于电阻155上的电压降，即ic～V1-V111。V111的电平越高，放电电流iD增加得越多以及充电电流ic降低得越多，因此充电时间间隔t2-t3将持续得较长，而放电时间间隔t1-t2将持续得较短。
图2A的装置是自激振荡的。如果在输出端103处的发生器输出是高电平，则积分器150将生成具有正斜率的倾斜反馈信号FB，它被比较器110的第二输入端112接收，这样，在尤其是由反馈信号FB的斜率确定的延时后，在第二输入端112处的上升电压将使得比较器110切换和生成低的输出信号Sout。相反，如果在输出端103处的发生器输出是低电平，则积分器150将生成具有负斜率的倾斜反馈信号FB，它被比较器110的第二输入端112接收，这样，在某个延时后，在第二输入端112处的下降电压将使得比较器110切换和生成高的输出信号Sout。
以上运行重复进行，因此使得发生器输出信号Sout自激振荡。振荡频率尤其是由反馈信号FB的斜率确定的，在图2A所显示的积分器150的实施例中，它主要取决于电阻155和电容器156的RC值。确定振荡输出信号Sout的占空比的切换电平由在第一输入端111处接收的输入信号Sin控制。因此，PWM发生器100也可以被认为实施具有用于控制占空比的控制输入端的111当自激振荡振荡器的例子。
在如上讨论的实施例中，输入信号Sin被耦合到比较器110的不倒相输入端111，而反馈信号FB被施加到比较器110的倒相输入端112；然后，如上所述，切换安排应当是当输入信号Sin比起延时的PWM输出信号Sout具有更高的电压电平时，PWM输出信号Sout是高电平。然而，这样的安排对于得到自激振荡的特性不是必需的。替换地，也有可能把反馈信号FB施加到比较器110的不倒相输入端111，而输入信号Sin被施加到比较器110的倒相输入端112；在这种情形下，切换安排应当是当输入信号Sin比起反馈信号FB具有更高的电压电平时，PWM输出信号Sout是低电平。
图2B和2C说明这样的替换实施例的例子。在这种情形下，需要进行倒相。在图2B所显示的实施例100B中，倒相器153与积分器150串联连接。这个倒相器153可以放置在积分器150的积分器输入端的前面(如图所示)，或在积分器150的积分器输出端的后面。替换地，积分器本身可以是倒相型的。
应当指出，比较器110的输出信号的积分方式相应于输入信号，或许得到一定增益的放大，并且被移相180°。如果开关放大器或缓冲器被倒相或不倒相地连接到输出端103，则负载对于在反馈环159中产生的延时的影响可被消除，以便得到对于切换频率的更好的控制。
在图2C显示的实施例100C中，倒相器154被串联连接到比较器110的输出端113。替换地，比较器110本身可以是倒相型的。
原则上，PWM发生器100的输出端103可以直接连接到比较器输出端113，正如图2A-2C显示的。然而，根据所使用的比较器110的输出级的设计，可能希望使用由比较器110控制的可控开关130和140，它们把PWM发生器输出端103连续地连接到两种不同的电源电压之一。这被显示于图4，用于图2A所显示的实施例。
图4的PWM发生器200包括第一可控开关130，它具有分别被连接到发生器输出端103和第三电源电压V3的开关端131和132，以及具有被耦合到比较器输出端113的控制端133。PWM发生器200还包括第二可控开关140，它具有分别被连接到发生器输出端103和第四电源电压V4的开关端141和142，以及具有被耦合到比较器输出端113的控制端143。
应当指出，第三电源电压V3通常将等于第一电源电压V1，但这并不是绝对必要的。同样地，第四电源电压V4通常将等于第二电源电压V2，但这并不是绝对必要的。
两个可控开关的每个具有两个工作状态第一或闭合状态，其中在两个开关端之间存在实际上导通的路径；以及第二或断开状态，其中两个开关端基本上互相不连接。PWM发生器200的安排使得两个开关总是处在互相相反的状态。如果比较器输出端113是高电平，则第一开关130处在它的闭合状态，而第二开关140处在它的断开状态。相反，如果比较器输出端113是低电平，则第一开关130处在它的断开状态，而第二开关140处在它的闭合状态。
可以是两个开关130和140具有互相相同的设计，即它们对于相同信号的响应是相同的。在这种情形下，它们需要接收在逻辑上互相相反的不同的控制信号Sc1和Sc2。在图4上，这是通过显示在比较器输出端113与第二开关控制端143之间的路径上的倒相器114而被说明的。虽然在原理上这样的设计是可行的，但它具有由倒相器114引入的控制信号延时的固有的缺点，该延时应当在比较器输出端113与第一开关控制端133之间的路径中被补偿。然而，可以是所使用的比较器110具有两个总是互相相反的输出端(未示出)，在这种情形下，一个输出端将被连接来控制第一开关130，而其它输出端将被连接来控制第二开关140。
也有可能第二开关140是这样的类型，以使得如果在它的控制端143处的控制信号是高电平，则该开关处在它的断开状态。在这种情形下，两个开关可以接收相同的控制信号。
正如本领域技术人员将会看到的，其它解决方案也是可能的。
应当指出，可控开关本身是已知的，以及传统的可控开关可用来实施本发明。所以，这里不必更详细地讨论可控开关的设计和操作。
图5说明PWM发生器300的替换实施例，其中两个可控开关130、140已经被一个可控开关160替代，该可控开关160具有三个开关端161、162和163以及被耦合到比较器输出端113的一个控制端164。第一开关端161被连接到输出端103。第二开关端162被连接到第三电源电压V3，以及第三开关端163被连接到第四电源电压V4。这个可控开关160具有两个工作状态在第一工作状态(高)，第一开关端161例如通过被连接到第二开关端162来承担在第二开关端162处接收的电压V3；而在第二工作状态(低)，第一开关端161例如通过被连接到第三开关端163来承担在第三开关端163处接收的电压V4。如果比较器输出端113是高电平，则开关160处在它的第一状态；如果比较器输出端113是低电平，则开关160处在它的第二状态。
图6说明可控开关160的可能实施例，它包括PNP型的第一和第二晶体管171和172，其发射极被连接到第二开关端162；NPN型的第三和第四晶体管173和174，其发射极被连接到第三开关端163；以及第一、第二、第三、第四和第五电阻175、176、177、178、179。
第一电阻175把第一晶体管171的基极耦合到第二开关端162。
第二电阻176把第一晶体管171的基极耦合到控制端164。
第三电阻177把第三晶体管173的基极耦合到控制端164。
第四电阻178把第三晶体管173的基极耦合到第三开关端163。
第五电阻179把第一晶体管171的集电极耦合到第三晶体管173的集电极。
第二晶体管172把它的基极连接到第一晶体管171的集电极，以及把它的集电极连接到第一开关端161。第四晶体管174把它的基极连接到第三晶体管173的集电极，以及把它的集电极连接到第一开关端161。
如果在控制端164处接收的控制电压是高电平，则第一晶体管171处在不导通状态，而第三晶体管173处在导通状态，并在第四晶体管174的基极与第三开关端163之间提供导通的集电极-发射极通路，以使得第四晶体管174处在不导通状态。第二晶体管172处在导通状态，并在第一开关端161与第二开关端162之间提供导通的集电极-发射极通路，以使得在输出端103处的电压电平被第二晶体管172上拉到第三电源电压V3的电平(图5上显示的)。
如果在控制端164处接收的控制电压是低电平，则第三晶体管173处在不导通状态，而第一晶体管171处在导通状态，并在第二晶体管172的基极与第二开关端162之间提供导通的集电极-发射极通路，以使得第二晶体管172处在不导通状态。第四晶体管174处在导通状态，并在第一开关端161与第三开关端163之间提供导通的集电极-发射极通路，以使得在输出端103处的电压电平被第四晶体管174下拉到第四电源电压V4的电平(图5上显示的)。
应当指出，也有可能把图6的实施例看作为图4的安排的实施方案，其中第二和第四晶体管172和174可被看作为分别实施开关130和140，正如图6的虚线所表示的。各个控制信号Sc1和Sc2也在图上表示出。
电路被设计为使得两个晶体管172和174在控制端164接收的输入信号的过零期间处在它们的不导通状态。因此，防止在端子162和163之间可能的电路短路。在可能的修正方案中，第一和第四电阻175和178可被省略，但如图6所显示的实施例允许更好地控制晶体管的工作点。
如上所述，在其中反馈信号FB被施加到比较器的不倒相输入端111的实施例中，需要进行倒相操作。在图2B的实施例100B中，倒相器153与反馈积分器150相联系。在图2C的实施例100C中，倒相器154与比较器输出端113相联系。在涉及由比较器输出113控制的可控开关(130，140；160)的实施例中，替换地可以由开关进行倒相操作。
对于这样的情形，图7A说明可控开关160的可能的相对较简单的实施例，该可控开关160包括NPN晶体管180，把它的集电极连接到第一开关端161和把它的发射极连接到第三开关端163。第一电阻181把集电极耦合到第二开关端162。第二电阻182把晶体管基极耦合到第三开关端163。第三电阻183把晶体管基极耦合到控制端164。如果在控制端164处接收的控制电压超过由晶体管类型和由第二和第三电阻182和183的电阻值确定的某个阈值(即高电平)，则晶体管180处在导通状态，并在第一开关端161与第三开关端163之间提供导通的集电极-发射极通路，以使得在输出端103处的电压电平被晶体管180下拉到第四电源电压V4的电平(图5上显示的)。如果在控制端164处接收的控制电压低于所提到的阈值，则晶体管180处在不导通状态，以使得在输出端1 03处的电压电平被第一电阻181上拉到第三电源电压V3的电平。
图7B说明对于图7A所说明的实施例的替换例，它具有类似于图6的设计的对称设计。电阻181以由PNP晶体管180’所替代，该PNP晶体管180’把它的集电极连接到第一开关端161和把它的发射极连接到第二开关端162。电阻182’把晶体管180’的基极连接到第二开关端162，而电阻183’把晶体管180’基极连接到控制端164。
图8是说明按照本发明的PWM发生器400的另一个实施方案的图。在本例中，输入信号Sin在比较器110的倒相输入端112处被接收，而反馈环459被耦合到不倒相输入端111。可控开关被表示在160处。在本例中，包括电感451、电容452和电阻453的串联电路被连接在输出端103与参考电压之间。扬声器系统490与电容452并联连接，扬声器系统的电特性可以由包括扬声器电感491和扬声器电阻492的串联电路表示。反馈信号FB是从在电容452与电阻453之间的节点处取得的。
两个电感451和491与电容452一起形成二阶输出滤波器450，它与扬声器电阻492一起限定被耦合到输出端103的复数负载。电阻453把流过负载的输出电流转换成电压反馈信号FB。反馈现在相对于外部影响小得多。输出滤波器450也进行积分，所以不需要分开的积分器150。而且，电阻453用作为防止短路。输出呈现为电流源，它是更加鲁棒的。
因此，本发明成功地提供用于生成脉冲宽度调制信号的不需要分开的锯齿发生器和分开的比较器的低成本的PWM发生器200、300。按照本发明，输入信号Sin被提供给比较器110的一个输入端112，该比较器110在它的另一个端111接收经由积分装置150从输出信号Sout得到的反馈信号，以使得电路是自激振荡的。更具体地，反馈信号是使得高输出信号Sout在如由积分装置150的特性确定的某个延时后将引起比较器110生成低输出信号。反馈信号是倾斜的信号。当反馈信号穿过输入信号的电平时比较器切换它的输出，这又使得反馈信号翻转它的斜率。因此，反馈信号实际上提供锯齿信号，而不用由分开的锯齿发生器产生。
本发明提出的PWM发生器的另一个重要的优点在于，输入阻抗可以在宽的范围按需要进行选择。而且，发生器的输入对于在发生器之前连接的电路元件将引起很小的或不引起污染，具体地，没有互调产物和EMC。
本领域技术人员应当看到，本发明并不限于以上讨论的示例性实施例，而是有可能在如所附权利要求中限定的本发明的保护范围内作出各种变化和修正。
例如，有可能用运算放大器(opamp)替代比较器110。词组“比较器电路”将用来覆盖比较器的实施方案以及运算放大器的实施方案。
而且，有可能使用FET代替双极型晶体管来用于实施开关。
而且，参照图6，如果围绕晶体管171和173构建的级被看作为控制信号发生器，其用来产生用于开关130和140的控制信号Sc1和Sc2，则这样的级可以被不同地设计。
而且，有可能通过最小地修正电路，例如加上与反馈积分器150的电容156并联的另一个电阻来调节发生器的增益。正如本领域技术人员将会看到的，对于这样的情形的增益G可被表示为G＝1+R1/R2，其中R1是第一电阻155的电阻值，而R2是另一个电阻的电阻值。
积分器150具有低通特性，其特征截止频率由元件155和156的RC值确定，正如本领域技术人员将会看到的。为了得到尽可能平坦的频率响应，希望经由具有低于积分器150截止频率的截止频率的低通输入滤波器(未示出)提供输入信号Sin。
应当指出，上述的实施例是说明而不是限制本发明，并且本领域技术人员能够在不背离所附权利要求的范围的条件下设计许多替换实施例。在权利要求书中，被放置在括号之间的任何附图标记不被解释为限制权利要求。词“包括”不排除不同于权利要求中列出的元件或步骤的元件或步骤的存在。在元件前面的词“一个”或“一”不排除多个这样的元件的存在。在列举几个装置的设备权利要求中，这些装置中的若干可以由同一个硬件项来实现。仅仅某些措施在互相不同的从属权利要求中被记载的事实并不表示这些措施的组合不能被有利地利用。
权利要求
1.PWM发生器，具有用于接收模拟输入信号的输入端和用于提供脉冲宽度调制输出信号的输出端，该PWM发生器包括比较器电路，具有被耦合到所述输入端的第一比较器输入端、第二比较器输入端和被耦合到所述输出端的比较器输出端；被耦合在所述输出端与第二比较器输入端之间的反馈环，该反馈环包括反馈滤波器，用于在输入端处存在恒定的输入信号时生成倾斜的反馈信号。
2.按照权利要求1的PWM发生器，还包括可控开关装置，用于把所述输出端连接到第三电源电压或第四电源电压，所述可控开关装置被耦合到所述输出端，并由从比较器电路的输出信号中导出的至少一个控制信号控制。
3.按照权利要求2的PWM发生器，其中所述可控开关装置包括-第一可控开关，具有被连接到所述输出端的第一开关端、被连接到所述第三电源电压的第二开关端和接收该至少一个控制信号的第一控制信号的控制端；-第二可控开关，具有被连接到所述输出端的第一开关端、被连接到所述第四电源电压的第二开关端和接收该至少一个控制信号的第二控制信号的控制端；其中每个可控开关具有第一工作状态，其中第一和第二开关端被互相连接，以及具有第二工作状态，其中第一和第二开关端被互相隔离；以及其中取决于比较器电路的输出信号的电压电平，该第一和第二控制信号的产生使得或者第一可控开关处在它的第一工作状态而第二可控开关处在它的第二工作状态，或者第一可控开关处在它的第二工作状态而第二可控开关处在它的第一工作状态。
4.按照权利要求3的PWM发生器，其中所述第一输入端是不倒相输入端而所述第二输入端是倒相输入端；其中所述第三电源电压具有比所述第四电源电压更高的电压电平；以及其中该第一和第二控制信号的产生使得当输出是高电平时，第一可控开关处在它的第一工作状态而第二可控开关处在它的第二工作状态，而当比较器电路输出是低电平时，第一可控开关处在它的第二工作状态而第二可控开关处在它的第一工作状态。
5.按照权利要求3的PWM发生器，其中所述第一输入端是倒相输入端而所述第二输入端是不倒相输入端；其中所述第三电源电压具有比所述第四电源电压更高的电压电平；以及其中该控制信号的产生使得当输出是低电平时，第一可控开关处在它的第一工作状态而第二可控开关处在它的第二工作状态，而当比较器电路输出是高电平时，第一可控开关处在它的第二工作状态而第二可控开关处在它的第一工作状态。
6.按照权利要求3的PWM发生器，其中所述开关装置包括可控开关，它具有被连接到所述输出端的第一开关端、被连接到所述第三电源电压的第二开关端、被连接到所述第四电源电压的第三开关端和接收作为该至少一个控制信号的公共控制信号的控制端；可控开关具有第一工作状态，其中第一开关端基本上承担在第二开关端处接收的电压；以及具有第二工作状态，其中第一开关端基本上承担在第三开关端处接收的电压。
7.按照权利要求1的PWM发生器，其中所述反馈滤波器包括一个包括被连接在输出端与参考电压之间的电感、电容和电阻的串联电路。
8.按照权利要求7的PWM发生器，其中扬声器系统与所述电容器并联连接。
9.一种电子设备，包括如在权利要求7中要求的PWM发生器和连接器，一个扬声器系统经由该连接器可并联连接到所述电容器。
全文摘要
描述了用于生成调制脉冲信号的不需要分开的锯齿发生器和分开的比较器的PWM发生器(100；200；300；400)。按照本发明，输入信号(S
文档编号H03K7/08GK1714507SQ200380103747
公开日2005年12月28日 申请日期2003年10月29日 优先权日2002年11月22日
发明者F·K·I·梅斯 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司