CN101212214A - 三角波发生电路以及pwm调制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及输出振幅相同相位相反的2个三角波的振荡电路、以及采用该振荡电路的PWM调制电路。通过用施密特电路(1)控制的电荷泵电路(2)对电容(3)进行充放电，将使用双输出差动放大电路(6)进行积分所得到的电压正反馈回施密特电路(1)的输入中，从而输出振幅相同且相位相反的2个三角波，而且由于输出级由差动放大电路构成，所以是低输出阻抗，不受布线电容及连接的输入电容的影响，另外，因为使差动放大电路进行积分动作，所以能够防止三角波波形的钝化。

Description

三角波发生电路以及PWM调制电路
技术领域
本发明涉及一种输出振幅相同相位相反的2个三角波的振荡电路以及采用本振荡电路的PWM调制电路。
背景技术
过去，当产生振幅相同相位相反的2个三角波时，是将用1个三角波发生器所生成的三角波用放大器进行反向来生成的。过去例子1与过去例子2在图6及图7中表示。
在图6中所示的过去例子1中，用等值的电阻R1、R2对用三角波振荡器100生成的三角波与差动放大电路101的输出电压进行电阻分压，通过将该电阻分压了的中点电压反馈回差动放大电路101的反相输入端子(-)，从而将设定的基准电压给予差动放大电路的同相输入端子(+)并虚拟接地，并以基准电压为中心使三角波反向。
在图7中所示的过去例子2中，代替图6的过去例子1的差动放大电路101与分压电阻R1、R2，用电阻R3负反馈回下述Gray所说明的理想差动放大电路102，生成2个输出。2个输出生成由电阻比决定的放大倍数的电压以及将该电压反向所得到的电压。另外，在图7中省略用于决定同相的工作点电压的公共反馈。
P.R.Gray，P.J.Hurst，S.H.Lewis，R.G.Meyer  “ANALYSIS AND DESIGN OFANALOG INTEGRATED CIRCUITS Fourth Edition”(模拟集成电路的分析与设计第4版)John Wiley & Sons有限公司，2001，第808-809，823-830，839页
另外，在特开2006-50310号公报中，揭示了不进行反向放大、用同相反馈来控制流向2个电容的放电电流以同时生成2个三角波的发明。
但是，在过去例子1中，如果振荡频率达到数百kHz以上，则由于放大器的频率响应以及通过速率，三角波的波形如图8A所示，与输出端子5的输出信号S5相比，输出端子4的输出信号S4产生了钝化，不能形成三角形的形状。这在将三角波设定为比较信号的PWM调制电路中，调制度(＝占空比/输入电压、或者＝平均输出电压/输入电压＝输出振幅*占空比/输入电压)具有在输出占空比0％附近以及100％附近偏离一定的调制度的所谓非线性，具有上述这样的不好的特性。采用该PWM调制电路的2相开关调节器以及执行器驱动用的称为桥式驱动器的2相PWM调制电路不能够确保足够的精度。另外具有的缺点是，三角波的线性精度与振荡器本身的输入偏置相加，放大器的偏置与增益的误差相乘。为了减少这些误差，则要增大放大器与电阻等的元器件尺寸，或者进行必要的调整等，也会增加电路的成本。
在过去例子2中，由于输出阻抗较高，所以PWM比较器输入端子之前的布线的寄生电容、或者PWM比较器的差动输入级的输入电容将阻止三角波波形的高次谐波的传输，如图8B所示，输出信号S4、S5的波形都产生了钝化。对于过去例子2，通过对输出的后级插入高速的缓冲器，虽然避免了波形的钝化现象，但是产生了元件数量增加、以及由于缓冲器的元件误差而在2个输出之间生成偏置的新问题。
本发明正是为了解决上述问题而设计的，目的在于提供一种高精度的振荡电路，该振荡电路产生以数百kHz以上的高频工作的具有低阻抗输出的、振幅相等相位相反的2个三角波。
发明内容
本发明的权利要求1中所述的三角波发生电路，其特征在于，具有：施密特电路，该施密特电路对于1个输入具有2个数值不同的阈值电压，如果输入的电压值上升并达到第1阈值，则输出取得第1输出状态，如果上述输入的电压值下降并达到第2阈值，则上述输出取得第2输出状态；电荷泵电路，该电荷泵电路将所述施密特电路的输出与其输入连接，并具有输出电流为一定值电流、且其方向在拉入和流出这2个方向上切换的输出；电容，该电容的一端与上述电荷泵电路的输出连接；以及双输出差动放大电路，该双输出差动放大电路的第1输入端子与上述电荷泵电路的输出和上述电容的连接点连接，第2输入端子与基准电压连接，第1输出端子与上述电容的另一端连接，将上述第1输入端子与上述第2输入端子之间的电压差放大后得到的电压作为上述第1输出端子与第2输出端子的电压差输出，上述第1输出端子或者上述第2输出端子的一方与上述施密特电路的输入连接，在该三角波发生电路中，当上述施密特电路为第1输出状态时，上述电荷泵电路的输出电流以第1电流方向进行充电或者放电，当上述施密特电路为第2输出状态时，上述电荷泵电路的输出电流以第2电流方向进行放电或者充电，通过这样将由上述电容与上述双输出差动放大电路进行积分的电压或者反向电压正反馈回上述施密特电路，在上述双输出差动放大电路的第1输出端子上产生三角波，且在第2输出端子上产生相位相反的三角波。
本发明的权利要求2中所述的三角波发生电路，其特征在于，在权利要求1中，上述施密特电路由2个比较器与RS触发器构成，上述比较器之中的第1比较器一端的输入与第2比较器一端的输入连接，且作为施密特电路的上述输入，向第1比较器另一端的输入与第2比较器另一端的输入施加给予各自阈值的、不同的恒定电压，第1比较器的输出与上述RS触发器的置位输入连接，第2比较器的输出与上述RS触发器的复位输入连接，上述RS触发器的输出施加在上述电荷泵电路的输入上，并进行控制从而切换上述电荷泵电路的输出电流的第1电流方向与第2电流方向。
本发明的权利要求3中所述的三角波发生电路，其特征在于，在权利要求1中，上述施密特电路由具有高低2个阈值的迟滞比较器构成，迟滞比较器的输出施加在上述电荷泵电路的输入上，并进行控制从而切换上述电荷泵电路的输出电流的第1电流方向与第2电流方向。
本发明的权利要求4中所述的PWM调制电路，其特征在于，通过使权利要求1中所述的三角波发生电路的2个输出与2个比较器各自的一端的输入端子连接，并向各自的另一端上施加相同的输入电压，从而在上述2个比较器的输出中产生经过PWM调制的2个脉冲输出。
本发明的权利要求5中所述的执行器驱动装置，其特征在于，向各自的前置驱动器的输入施加权利要求4中所述的PWM调制电路的2个脉冲输出，用上述各自的前置驱动器对H桥式驱动器的各桥臂进行斩波控制，从而驱动作为上述H桥式驱动器的负载的执行器。
本发明的输出级由差动放大电路构成，且能够实现低输出阻抗。另外，因为使差动放大电路进行积分动作，所以不产生钝化，如实地输出三角波的波形。
附图说明
图1是安装了本发明的三角波发生电路的执行器驱动装置的结构图。
图2是同一实施形态中的三角波发生电路的具体结构图。
图3是同一实施形态中的电荷泵电路的结构图。
图4是同一实施形态中的双输出差动放大电路的具体结构图。
图5是同一实施形态中的三角波发生电路的电压·电流波形图。
图6是过去例子1的三角波发生电路的结构图。
图7是过去例子2的三角波发生电路的结构图。
图8A是过去例子1的电压·电流波形图。
图8B是过去例子2的电压·电流波形图。
具体实施方式
下面根据表示实施形态的图1～图5来说明本发明。
图1是使用了本发明的实施例即PWM调制电路的执行器驱动装置的框图，图2表示图1的三角波发生电路。
在图1中，三角波发生电路7具有：施密特电路1，该施密特电路1对于1个输入具有2个数值不同的阈值电压，如果输入电压上升且达到第1阈值，则输出取得第1输出状态，如果输入的电压值下降且达到第2阈值，则输出取得第2输出状态；电荷泵电路2，该电荷泵电路2将施密特电路1的输出与其输入连接，且具有输出电流为一定值电流、而其方向则切换拉入和流出的2个方向的输出；电容3，该电容3的一端与电荷泵电路2的输出连接；以及双输出差动放大电路6，该双输出差动放大电路6的第1输入端子与电荷泵电路2的输出和电容3的连接点连接，第2输入端子与第2基准电压连接，第1输出端子4与施密特电路1的输入和电容3的另一端连接，并将第1输入端子与第2输入端子之间的电压差放大后得到的电压作为第1输出端子4与第2输出端子5的电压差输出，利用该双输出差动放大电路6起到用低阻抗输出2个三角波的效果。
当施密特电路1是第1输出状态时，电荷泵电路2的输出电流以第1电流方向进行充电或者放电，当施密特电路1是第2输出状态时，电荷泵电路2的输出电流以第2电流方向进行放电或者充电，通过这样，将由电容3与双输出差动放大电路6进行积分后得到的电压通过上述连接正反馈到施密特电路1中，并在双输出差动放大电路6的第1输出端子4上产生三角波。同时利用双输出差动放大电路6，在第2输出端子5上产生与第1输出端子4反向的三角波。因为通过利用上述积分电路，对于双输出差动放大电路6的相位余量，电容3进行校正，且在不需要或者数pF以下的极小量的双输出差动放大电路6内部的相位补偿电容就能够产生足够的相位余量，所以即使提高振荡频率，也具有很难产生由于过渡响应而引起的波形钝化的效果。
关于振荡振幅的精度，仅仅取决于施密特电路1的阈值的精度，并不取决于双输出差动放大电路6的输入电压偏置。因此，由于构成双输出差动放大电路6的输入级可以有偏置，所以能够得到简单的结构。
另外，图1的三角波发生电路7的第1输出端子4与第2输出端子5分别与2个比较器8、9各自的一个输入端连接，并向2个比较器的另一个输入端施加相同的输入信号11，从而利用各个比较器8、9，输出2相的PWM信号12、13。因为对于数百kHz以上的高频所输入的三角波不会发生钝化，所以能够得到0％占空比附近以及100％占空比附近的相对于输入电压进行线性度良好的调制的PWM调制电路。
分别向前置驱动器14A、14B施加该PWM调制电路10所生成的2个PWM信号12、13，前置驱动器14A、14B对H桥式驱动器15的各桥臂进行斩波控制，来驱动执行器16。利用该结构，根据上述三角波发生电路7的优越特性，起到产生与输入信号11高精度成正比的占空比的效果。
另外，施密特电路1如图2所示，能够用2个比较器17、18与RS触发器19来构成。另外，在其它的实施例中，施密特电路1的结构也能够用迟滞比较器来构成。
图3是电荷泵电路2的一个例子的电路图，图4是双输出差动放大电路6的一个例子的电路图。
在图2中，所谓施密特电路是这样的电路：即输入电压上升，如果横切第1阈值(比较器17的阈值VH)，则成为第1输出状态(RS触发器19的输出20为Q＝H电平、输出21为NQ＝L电平)；输入电压下降，如果横切第2阈值(比较器18的阈值VL)，则成为第2输出状态(RS触发器19的输出20为Q＝L电平、输出21为NQ＝H电平)。第1阈值与第2阈值的关系设定为(第1阈值VH)＞(第2阈值VL)。
电荷泵电路2进行一定电流的拉入与流出，电流的方向对应于施密特电路1的上述第1输出状态与第2输出状态进行切换。即，当施密特电路1为第1输出状态时，电荷泵电路2的输出电流以第1电流方向流出，并对电容3充电。相反地，当施密特电路1是第2输出状态时，电荷泵电路2的输出电流以第2电流方向被拉入，并使电容3放电。
图3表示电荷泵电路2的具体例子。
这是利用上述Gray所述的OTA(Operational Transconductance Amplifier：运算互导放大器)的电路。通过两个差动输入端子分别与图2的RS触发器19的输出Q20以及反向输出NQ21连接，从而在施密特电路1的第1输出状态下向输出22拉入尾电流23的设定的镜比倍数的电流，在第2输出状态下向输出22流入尾电流23的设定的镜比倍数的电流。
双输出差动放大电路6由上述Gray所说明的理想差动放大电路构成，由运算放大器24与共模反馈电路25组成。利用电容3使一端的输出负反馈回一端的输入，并利用虚拟接地使该电压与第1基准电压26的电位基本一致。如图5的波形所示，通过对电容3的另一端即双输出差动放大电路6的第1输出端子4进行积分动作，从而在充电时(第1输出状态)下电压以一定的倾斜下降，在放电时(第2输出状态)下电压以一定的倾斜上升。第1输出端子4与施密特电路1的输入连接，以施密特电路1的阈值切换输出状态，在第1输出端子4与第2输出端子5上产生以第3基准电压为界的如图5所示的三角波。
因为利用双输出差动放大电路6的共模反馈电路25，向第2输出端子5上进行负反馈，从而使第1输出端子4的电压与第2输出端子5的电压的中间电压与第2基准电压27一致，所以相对于第2基准电压，产生使第1输出端子4反向后的波形、即振幅相同相位相反的三角波。
施密特电路1除了图2的2个比较器17、18与RS触发器19，也可以采用迟滞比较器。虽然没有特别图示，但是通过将迟滞比较器的2个阈值设定为上述的2个阈值，能够得到相同的效果。
另外，虽然施密特电路1的输入是与连接有电容3的输出差动放大电路6的第1输出端子4连接，使其进行正反馈，但是也可以是与非第1输出端子4的没有与电容3连接的第2输出端子5连接。这时，为了进行正反馈，只要设定施密特电路1的输出状态及电荷泵电路2的电流方向即可。即，只要对换RS触发器19的输出Q20与输出NQ21的极性即可。
另外，虽然说明的是电荷泵电路2的拉入电流与流入电流是电流量相等而仅方向相反的电流，但是可以不使电流量相等，而通过任意设定两者的电流比，使其产生任意占空比的三角波和锯齿波。在图3的电荷泵电路中，通过改变上下电流镜的镜比，而能够使其产生任意占空比的三角波和锯齿波。
图4所示的电路是双输出差动放大电路6的一个实施例，是由上述Gray引用的电路。由运算放大器24与共模反馈电路25组成，运算放大器24将输入端子22、26的电压放大，作为2个输出端子5、6的电压差输出。共模反馈电路25对运算放大器24的尾电流28进行控制，从而使2个输出端子5、6电压的中间电压与第2基准电压27一致。
另外，将图1中的驱动执行器16的H桥式驱动器15通过前置驱动器14与上述PWM调制电路10的2个输出12、13分别连接，并进行斩波控制，这样构成的执行器驱动电路构成了调制度线性良好的高精度执行器驱动电路。
另外，在执行器驱动电路以外的任意的H桥式驱动电路中，当然也可以使用本实施例的PWM调制电路15中也能够使用。
本发明的三角波发生电路以及PWM调制电路具有以数百kHz以上的情况下的波形不会发生钝化的效果，可以用作为音频放大器及执行器驱动装置等的PWM控制的H桥式驱动装置等2个以数百kHz以上的PWM频率来控制的双输出的三角波振荡电路以及PWM调制电路。

Claims (5)

1.一种三角波发生电路，其特征在于，
具有：
施密特电路(1)，该施密特电路(1)对于1个输入具有2个数值不同的阈值电压，如果输入的电压值上升并达到第1阈值，则输出取得第1输出状态，如果所述输入的电压值下降并达到第2阈值，则所述输出取得第2输出状态；
电荷泵电路(2)，该电荷泵电路(2)将所述施密特电路(1)的输出与其输入连接，并具有输出电流为一定值电流、且其方向在拉入和流出这2个方向上切换的输出；
电容(3)，该电容(3)的一端与所述电荷泵电路(2)的输出连接；以及
双输出差动放大电路(6)，该双输出差动放大电路(6)的第1输入端子与所述电荷泵电路(2)的输出和所述电容(3)的连接点连接，第2输入端子(26)与基准电压(V1)连接，第1输出端子(4)与所述电容(3)的另一端连接，将所述第1输入端子与所述第2输入端子之间的电压差放大后得到的电压作为所述第1输出端子(4)与第2输出端子(5)的电压差来输出，所述第1输出端子(4)或者所述第2输出端子(5)的一方与所述施密特电路(1)的输入连接，
当所述施密特电路(1)为第1输出状态时，所述电荷泵电路(2)的输出电流以第1电流方向进行充电或者放电，当所述施密特电路(1)为第2输出状态时，所述电荷泵电路(2)的输出电流以第2电流方向进行放电或者充电，通过这样，将由所述电容(3)与所述双输出差动放大电路(6)进行积分的电压或者反向电压正反馈回所述施密特电路(1)，在所述双输出差动放大电路(6)的第1输出端子上产生三角波，且在第2输出端子上产生相位相反的三角波。
2.如权利要求1中所述的三角波发生电路，其特征在于，
所述施密特电路(1)由2个比较器(17、18)与RS触发器(19)构成，所述比较器之中的第1比较器(17)一端的输入(+)与第2比较器(18)一端的输入(-)连接，且作为施密特电路的所述输入，向第1比较器(17)另一端的输入(-)与第2比较器(18)另一端的输入(+)施加给予各自阈值(VH、VL)的、不同的恒定电压，第1比较器(17)的输出与所述RS触发器(19)的置位输入(S)连接，第2比较器(18)的输出与所述RS触发器(19)的复位输入(R)连接，所述RS触发器(19)的输出施加在所述电荷泵电路(2)的输入上，并进行控制从而切换所述电荷泵电路(2)的输出电流的第1电流方向与第2电流方向。
3.如权利要求1中所述的三角波发生电路，其特征在于，
所述施密特电路(1)由具有高低2个阈值的迟滞比较器构成，迟滞比较器的输出施加在所述电荷泵电路(2)的输入上，并进行控制从而切换所述电荷泵电路(2)的输出电流的第1电流方向与第2电流方向。
4.一种PWM调制电路，其特征在于，
通过使权利要求1中所述的三角波发生电路(7)的2个输出与2个比较器(8、9)各自的一端的输入端子连接，并向各自的另一端上施加相同的输入电压(11)，从而在所述2个比较器(8、9)的输出(12、13)中产生经过PWM调制的2个脉冲输出。
5.一种执行器驱动装置，其特征在于，
是一种执行器驱动装置，它具有：PWM调制电路(10)，该调制电路(10)将三角波发生电路(7)的2个输出与2个比较器(8、9)各自的一端的输入端子连接，并向各自的另一端上施加相同的输入电压(11)，从而在所述2个比较器(8、9)的输出(12、13)中产生经过PWM调制的2个脉冲输出；所述PWM调制电路(10)的2个脉冲输出(12、13)分别与其输入连接的第1、第2前置驱动器(14A、14B)；以及利用所述第1、第2前置驱动器(14A、14B)的输出对各桥臂进行斩波控制的H桥式驱动器(15)，
所述三角波发生电路(7)具有：
施密特电路(1)，该施密特电路(1)对于1个输入具有2个数值不同的阈值电压，如果输入的电压值上升并达到第1阈值，则输出取得第1输出状态，如果所述输入的电压值下降并达到第2阈值，则所述输出取得第2输出状态；
电荷泵电路(2)，该电荷泵电路(2)将所述施密特电路(1)的输出与其输入连接，并具有输出电流为一定值电流、且其方向在拉入和流出这2个方向上切换的输出；
电容(3)，该电容的一端与所述电荷泵电路(2)的输出连接；以及
双输出差动放大电路(6)，该双输出差动放大电路(6)的第1输入端子与所述电荷泵电路(2)的输出和所述电容(3)的连接点连接，第2输入端子(26)与基准电压(V1)连接，第1输出端子(4)与所述电容(3)的另一端连接，将所述第1输入端子与所述第2输入端子之间的电压差放大后得到的电压作为所述第1输出端子(4)与第2输出端子(5)的电压差输出，所述第1输出端子(4)或者所述第2输出端子(5)的一方与所述施密特电路(1)的输入连接，
当所述施密特电路(1)为第1输出状态时，所述电荷泵电路(2)的输出电流以第1电流方向进行充电或者放电，当所述施密特电路(1)为第2输出状态时，所述电荷泵电路(2)的输出电流以第2电流方向进行放电或者充电，通过这样将由所述电容(3)与所述双输出差动放大电路(6)进行积分的电压或者反向电压正反馈回所述施密特电路(1)中，在所述双输出差动放大电路(6)的第1输出端子上产生三角波，且在第2输出端子上产生相位相反的三角波，
驱动作为所述H桥式驱动器(15)的负载的执行器(16)。
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PB01 Publication
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