CN101069294A - 用于驱动压电致动器的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于对“平滑像素”DLP投影仪(40)中的压电致动器(56)进行差分驱动的设备和方法。对致动器(56)进行差分驱动，以获得大于可用电源电压(74)的驱动电平(VM)。由反相位信号(S5，S6)进行驱动，反相位信号(S5，S6)之一(S5)是DC偏移量，以避免致动器(56)两端的负向驱动。

Description

用于驱动压电致动器的方法和设备
本申请要求2004年7月28日提交的美国临时专利申请序列号60/591,952的优先权，其内容合并在此，作为参考。
技术领域
本发明涉及大体上涉及平滑像素DLP投影系统，更具体地，涉及压电致动器驱动器。
背景技术
本发明的背景技术属于数字光处理或DLP领域，DLP是一种将图像投影到大型屏幕上以用于演示的显示技术。DLP使用设置在微芯片上的多个非常小的反射镜，选择性地控制显示器上的多个独立像素的幅度。其上设置有反射镜的微芯片通常被称作数字微反射镜器件(DMD)。在其最简单的形式中，首先通过旋转色轮透射白光，以交替产生红、绿和蓝光。将彩色光投影到DMD上，控制DMD上的各个反射镜的角度，以确定与特定反射镜相关联的像素是否看起来在显示屏幕上是照亮的。
本领域公知的DLP的增强版本有时称作“平滑像素(smoothpixel)”DLP。采用平滑像素DLP，改变了处于DLP图像光路上的“抖动”反射镜的角度，以提高有效分辨率。参考图1，通过以第一角度放置“抖动”反射镜，产生第一像素阵列10。相似地，如图2所示，通过以第二角度放置“抖动”反射镜，可以产生第二像素阵列20。通过选择“抖动”反射镜的角度，第二像素集的菱形像素相对第一像素集向下移动了半个像素。这导致第二像素集以第一像素集的间隙为中心。图3中的阵列30示出了这种效果。典型地，有时被称作压电电动机的压电致动器用于放置上述“抖动”反射镜的角度。
图4示出了采用平滑像素DLP的典型投影系统40的电气和光学路径的方框图。来自光源42的光透射通过光学元件44、48和旋转色轮46。色轮46交替地产生红、绿和蓝光。彩色光投影到DMD 50上。处理器72控制DMD上的各个反射镜52的角度和每个反射镜的停留时间，以确定与特定微反射镜相关联的像素看起来在显示屏幕58上照亮的程度。通过由致动器56改变抖动反射镜54与光路的角度Θ1和Θ2，将菱形像素10向下移动半个像素，导致如图3所示的第二像素阵列20以前一像素集的间隙为中心。在滤波器66-70中操纵输入视频信号64，并将其发送到处理器72，以控制DMD 50中的微反射镜。
压电致动器的操作原理是，通过利用电流驱动压电晶体并利用其膨胀和收缩，可以使用压电晶体来产生运动。晶体通常安装在铝质支架中，从而晶体的膨胀使支架偏斜。这种偏斜可以移动反射镜，或者甚至可以转换成旋转运动。在特定投影TV应用中，只需要将抖动镜旋转0.013度，以使像素移动所需的半个像素的高度。在压电致动器的制造中，必须通过使相对高的电压沿斜线变化(ramp)几秒，来使晶体“极化”。这种电压典型的是45伏特，持续时间是60秒。当在超过20伏特的峰峰电压的应用中驱动压电晶体时，如果允许电压反向摆动，则可能发生“去极化”。
图5示出了驱动致动器56的简单方式，可以称作“半桥”驱动器。在半桥驱动器中，致动器56连接在地与开关76之间，从而致动器56交替地也连接在电压源74与地之间。这在致动器56两端施加电压VM，在本示例中表示为80’。图9中示出了产生的波形，从中可以看出包含0到+12伏特，即电压源74的值。这可以是驱动致动器56的有效方法，除了典型的致动器要求大约24伏特来操作，典型的视频系统操作在12伏特的电源下。
图6示出了可以称作“全桥”驱动器的电路。这种电路通过添加另一开关82，以差分模式驱动致动器。开关82与开关76在相位上相差180度而进行操作，即当开关76将致动器56的一个端子连接到+12伏特时，开关82将第二端子接地，相反，当开关82将致动器接地时，开关76将致动器连接到+12伏特。将在本示例中称作80”的差分驱动电压VM施加到致动器56两端。图10示出了驱动电压80”从-12伏特变到+12伏特。这提供了要求的24伏特峰峰电压，但是问题在于将负电压施加到致动器56两端。很明显需要不同的解决方案来同时满足必需的驱动电压，而不会将负电压施加到致动器两端。
发明内容
总之，实施例提供了设备和方法。在一个实施例中描述了设备，所述设备包括：用于产生第一、第二和第三信号的装置，第一信号包含第一范围，第二信号包含第二范围并且具有与第一信号不同的相位，通过将第二信号电平移动到与第一和第二信号的DC偏置不同的电平上的DC偏置来产生第三信号；以及用于从第一信号和第三信号对负载进行差分驱动的装置。在一些实施例中，所述负载可以是致动器或电动机。在相关实施例中，第一信号和第二信号可以是二元脉冲序列，通常是占空比调制脉冲序列，或者第一信号和第二信号可以是模拟信号。在一些实施例中，第二信号的电平移动可以采用峰值钳位，这可以是参考与第二信号的正向最大振幅(excursion)相同的电平的负向峰值钳位。另一实施例是一种提供差分输出信号的方法，所述方法包括步骤：产生第一信号；产生第二信号，第二信号与第一信号相位不同；电平移动第二信号以产生第三信号，与第二信号不同地偏置第三信号；以及提供第一信号和第三信号作为差分输出。另一实施例是一种用于产生差分驱动信号的设备，所述设备包括：第一开关，被配置成将差分信号对的第一信号交替地连接在第一电平和第二电平之间；第二开关，被配置成交替地连接到第二电平和第一电平，以产生中间信号；DC恢复器，与第二开关的输出相连以电平移动中间信号，产生差分信号对的第二信号，对第二信号进行电平移动以操作在第三电平和第四电平之间。在一些应用中，第四电平等于第二电平。另一实施例描述了一种差分信号源，包括信号源；反相放大器，其输入与信号源的输出相连，其输出与差分信号对的第二输出相连。另一实施例是一种设备，所述设备包括电源电压源；第一信号和第二信号源，第一信号具有第一DC电平和第一相位，第二信号具有不同于第一相位的第二相位和不同于第一DC电平的第二DC电平；以及第一和第二信号路径，用于向负载分别提供所述第一信号和第二信号，以在负载处产生大于电源电压幅度的驱动电平，并基本上防止负载处的极性反向。
附图说明
以下将参考附图更加详细地描述本发明实施例，每幅图中的相同元件具有相同的参考表示符：
图1代表第一像素集阵列；
图2代表第二像素集阵列；
图3代表第一与第二像素集的交迭；
图4是使用平滑像素处理的DLP投影仪的方框图；
图5是“半桥”电动机驱动器的方框图；
图6是“全桥”电动机驱动器的方框图；
图7是用于驱动压电致动器的可选设备的方框图；
图8是带DC偏置的“全桥”电动机驱动器的方框图；
图9示出了图5驱动器的电动机驱动电压的波形；
图10示出了图6驱动器的电动机驱动电压的波形；
图11到14示出了图7驱动器的多个节点处的波形；
图15到18示出了图8驱动器的多个节点处的波形；
图19是图8的优选实施例的示意图；以及
图20是详细描述方法实施例的流程图。
具体实施方式
首先参考图7，详细描述对于如下问题的解决方案：利用低于所要求的驱动电压的电源电压驱动压电致动器，并且仍然不会在致动器两端施加负电势。在本实施例中，信号源84向反相放大器86和由电容器88和二极管90形成的负向峰值钳位电路提供信号。可用的电源电压89向放大器86供电，并提供钳位参考电压。如图11所示，S1代表来自源84的信号，S1a和S1b代表S1在连续时间间隔处的电平。在图12中，S2代表由钳位电路88和90进行了电平移动的信号S1，S2a和S2b代表S2在连续时间间隔处的电平。相似地，图13描述了作为反相的信号S1的S3，S3a和S3b代表S3在相继时间间隔处的电平。应该注意，除了将S1反相之外，反相放大器86还对S1进行放大或衰减操作，以产生S3。至致动器56的驱动是差分信号VM，在本示例中表示为“80”，可以表达为S2减S3。图14中示出了产生的至致动器56的驱动，在时间间隔“a”和“b”期间的电平VM可以表达为：
VMa＝S2a-S3a并且
VMb＝S2b-S3b
如果放大器86是单位(unity)增益反相器：
S1a＝S3b并且
S1b＝S3a
如果：
S1a＝0则S3b＝0
如果VREF设为与大于信号S1的正向最大振幅的一个二极管电压相等，则由于负向峰值钳位：
S2a＝S1b并且
S2b＝S1b+S1b-S1a＝2S1b
则驱动“80”将是：
VMa＝S2a-S3a＝S1b-S1b＝0并且
VMb＝S2b-S3b＝S2b-0＝2S1b
因此，如图14所示，致动器驱动可以是可用电源电压89的两倍，而不会经历任何负向驱动电势。对于本领域技术人员，应该明显可见的是通过选择非单位增益的反相器86、和/或不同电平的钳位参考VREF、和/或信号S1a上的不同DC分量，可以将致动器驱动缩放，以具有特定正向或负向偏移量，即VMa＜＞0，或者具有除了2之外的其他值的“增益因子”(在上述示例中是2)。
图8示出了致动器驱动设备的另一实施例。本实施例具有一些与图6的“全桥”驱动器的相似之处，但是避免了针对图6而提及的负电势问题。图8的“带DC偏置的全桥”驱动器以由电容器88和二极管90形成的负向峰值钳位电路的形式，在开关82与致动器56之间插入DC恢复器。通过将钳位二极管90的阳极与施加于开关76和82上的相同电源电压源74相连，获得了只具有二极管电压负分量的驱动电压80””，驱动电压80””是可用电源电压的两倍。这种负分量很小，足以忽略。图8的电路采用了单刀双掷开关76和82，两者受到相反相位的制动，即，当开关76闭合到+12伏特V1时，开关82闭合到地电势V0。交替地，当开关76闭合到地电势V0时，开关82闭合到+12伏特V1。图15到18示出了图8电路中节点处的代表波形。图15示出了开关82的代表输出S4，图17示出了开关76的代表输出S6。包括电容器88和二极管90的钳位电路对信号S4进行电平移动，使其在大约+12伏特与+24伏特之间摆动，产生图16所示的波形S5。施加到致动器56的驱动信号是信号S6与S5之间的算术差，在图18中示为VM(80””)。
图19详细描述了致动器驱动器的优选实施例。微处理器105产生两个反相位的驱动信号S7和S8。驱动信号S7和S8是脉宽调制数字脉冲序列，其平均值是最终将用于提供驱动信号S4、S5和S6的近似梯形波形。信号S7通过栅极驱动电阻器140驱动n沟道FET开关160导通或截止，S7也通过栅极驱动电阻器150驱动n沟道FET开关170导通或截止。信号S8通过栅极驱动电阻器145驱动n沟道FET开关165导通或截止，S8也通过栅极驱动电阻器155驱动n沟道FET开关175导通或截止。包括有电阻器140、145、150和155，以减少FET的快速开关可能引起的电磁干扰EMI。FET 170用作反相器，通过包括有电阻器190、195和205的电阻分压器驱动p沟道FET 240。FET 165用作反相器，通过包括有电阻器180、185和200的电阻分压器驱动p沟道FET 245。配置串联电阻器组合180-185和190-195，作为各自分压器的输入臂，以减少分压器的串联臂中的功率耗散。n沟道FET 160和p沟道FET 245的组合包括图8的单刀双掷开关82。n沟道FET 175和p沟道FET 240的组合包括图8的单刀双掷开关76。因为信号S7和S8是占空比调制脉冲序列，互补FET 160和245的输出由电阻器210和220累加在一起，并经过电容器215的低通滤波，以产生模拟驱动波形S4。互补FET 175和240的输出由电阻器225和235累加在一起，并经过电容器230的低通滤波，以产生模拟驱动波形S6。同步输入信号S9是由微处理器105使用的垂直同步信号，以使驱动信号S7和S8，按照垂直速率交替变换相位。信号S10是由未示出的系统控制器产生的占空比调制波形，电阻器110和115对其幅度进行缩放，并且电容器120对其进行滤波，变成DC值。微处理器105使用该DC电压调整驱动信号S7和S8的幅度，这允许调整致动器56的偏斜(由此由致动器驱动反射镜)。电容器260是对电源电压V1进行滤波的旁路电容器。
图20示出了详细描述驱动致动器或电动机的方法步骤的流程图300。初始步骤310是产生第一信号。下一步骤320是产生与第一信号不同相位的第二信号。接着在步骤330电平移动第二信号，最终步骤340是用经电平移动的第二信号和第一信号对负载进行差分驱动。
虽然参考优选实施例描述了本发明，但是明显可见，在不背离由所附权利要求限定的本发明精神和范围的前提下，可以对实施例进行多种修改。

Claims (18)

1.一种设备，包括：
用于产生第一(S6)、第二(S4)和第三(S5)信号的装置(74，76，82，88，90)，所述第一信号(S6)包含第一范围，所述第二信号(S4)包含第二范围并且具有与所述第一信号(S6)不同的相位，所述第三信号(S5)是通过将所述第二信号(S4)电平移动到与所述第一信号(S6)和所述第二信号(S4)的直流偏置不同的电平上的直流偏置来产生的；以及
用于根据所述第一信号(S6)和所述第三信号(S5)对负载(56)进行差分驱动的装置(S5，S6)。
2.根据权利要求1所述的设备，其中用于产生所述第一信号和所述第二信号的所述装置产生作为二元脉冲序列的所述第一信号和所述第二信号。
3.根据权利要求1所述的设备，其中用于产生所述第一信号和所述第二信号的所述装置产生作为模拟信号的所述第一信号和所述第二信号。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述产生装置采用峰值钳位电路(88，90)对所述第二信号进行电平移动。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述负载包括致动器(56)。
6.根据权利要求2所述的设备，其中所述产生装置产生作为占空比调制脉冲序列的所述第一信号和所述第二信号。
7.根据权利要求4所述的设备，其中所述产生装置采用负向峰值钳位电路对所述第二信号进行电平移动，所述负向峰值钳位电路参考与所述第二信号的正向最大振幅相同的电平。
8.一种提供差分输出信号的方法，包括步骤：
产生第一信号；
产生第二信号，所述第二信号的相位与所述第一信号不同；
电平移动所述第二信号以产生第三信号，与所述第二信号不同地偏置所述第三信号；以及
提供所述第一信号和所述第三信号作为差分输出。
9.根据权利要求8所述的提供差分输出信号的方法，其中所述第一信号和所述第二信号是占空比调制脉冲序列。
10.根据权利要求8所述的提供差分输出信号的方法，其中所述第一信号和所述第二信号是模拟信号。
11.根据权利要求8所述的提供差分输出信号的方法，其中所述第二信号的所述电平移动采用了峰值钳位电路。
12.根据权利要求11所述的提供差分输出信号的方法，其中所述第二信号的所述电平移动采用了负向峰值钳位电路，所述负向峰值钳位电路参考正向极性参考电平。
13.一种用于产生差分驱动信号的设备，包括：
第一开关(74)，被配置成将差分信号对(S6，S5)的第一信号(S6)交替地连接在第一电平(V0)和第二电平(V1)之间；
第二开关(82)，被配置成交替地连接到所述第二电平(V1)和所述第一电平(V0)，以产生中间信号(S4)；
直流恢复器(88，90)，与所述第二开关(82)相连，以电平移动所述中间信号(S4)，产生所述差分信号对(S6，S5)的第二信号(S5)，对所述第二信号进行(S5)电平移动以便操作在第三电平和第四电平之间。
14.根据权利要求13所述的设备，其中所述第四电平等于所述第二电平。
15.一种差分信号源，包括：
信号源(84)；
反相放大器(86)，其输入与所述信号源(84)的输出相连，其输出与差分信号对(S3，S2)的第一输出(S3)相连；
电平移动器(88，90)，其输入与所述信号源(84)的输出相连，其输出与所述差分信号对(S3，S2)的第二输出(S2)相连。
16.根据权利要求15所述的差分信号源，其中所述电平移动器是直流恢复器。
17.根据权利要求15所述的差分信号源，其中所述差分信号对的所述第一信号和所述第二信号中一个的负向峰值等于所述差分信号对的所述第一信号和所述第二信号中另一个的正向峰值。
18.一种设备，包括：
电源电压源(89)；
第一信号(S1)和第二信号(S2)源，所述第一信号(S1)具有第一直流电平和第一相位，所述第二信号(S2)具有不同于所述第一相位的第二相位和不同于所述第一直流电平的第二直流电平；以及
第一和第二信号路径，用于向负载(56)分别提供所述第一和第二信号，以在所述负载处产生大于所述电源电压(89)幅度的驱动电平，并基本上防止所述负载处的极性反向。
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