CN104160625B - 用于打印喷嘴放大器的自适应电平转换器 - Google Patents

Abstract

一种装置，包括放大器，其提供驱动打印喷嘴的波形。该放大器还提供与波形的转换速率成比例的电流。通路门响应于驱动信号给打印喷嘴施加波形。电平转换器基于该电流调节驱动信号。

Description

用于打印喷嘴放大器的自适应电平转换器

背景技术

当被诸如运算放大器的电子电路命令时，打印头使用喷嘴来分配(dispense)墨。一种类型的打印头是压电头，在那里由放大器施加给打印头的压电元件电压使墨水从头和相关的喷嘴分配。目前的商用压电头具有驱动器，其使用冷开关电路，那里有高功率、高压运算放大器，其位于与打印头区域隔开的位置，并通常通过单线连接到打印头。该线承载所有墨分配喷嘴使用的波形。传统的冷开关设计通常每个喷嘴具有一个通路门，以将共同的冷驱动器总线切换到喷嘴，其中通路门由每个喷嘴的打印数据控制。通路门很耗费功率，因为通路门晶体管的栅极电压必须遵循喷嘴的驱动波形。因此，从栅极到源极和漏极的寄生耦合电容必须被克服。这种电流对所涉及的电容和转换速率应该是足够的。

附图说明

图1图示了一种示例装置，其使用自适应电平转换器结合运算放大器来驱动打印喷嘴。

图2图示了一种示例运算放大器，其使用自适应电平转换器和通路门来驱动压电打印喷嘴。

图3图示了一种A-B类喷嘴放大器，其使用自适应电平转换器控制压电打印喷嘴。

图4图示了一种冷开关驱动器，其使用自适应电平转换器控制压电打印驱动器。

图5图示了一种自适应电平转换来驱动打印喷嘴的示例方法。

图6图示了一种示例打印机，其使用利用自适应电平转换的放大器来驱动多个打印喷嘴。

具体实施方式

图1图示了一种示例装置100，其使用自适应电平转换器110结合运算放大器120驱动打印喷嘴130。如所示的，打印命令信号140(例如，命令墨水将从打印喷嘴分配的电压信号)被施加到运算放大器的输入，其中运算放大器具有增益控制反馈120，其放大该信号并将其施加到电平转换器110，电平转换器110激活通路门150，以驱动打印喷嘴130。运算放大器120提供从打印命令信号140得到的波形，用来驱动打印喷嘴130，其中运算放大器还提供与波形的转换速率成比例的电流。通路门150响应于驱动信号施加波形到打印喷嘴130。然后电平转换器110基于该电流调节驱动信号。

运算放大器120能产生正或负电流镜输出电流，其中正或负电流镜输出电流是与由运算放大器产生的波形的转换速率成比例的，用来驱动打印喷嘴130。电平转换器110监控正或负电流镜输出电流，以自适应地补偿(如，基于通路门的电容调节电流)通路门开关150的电流需求，通路门开关150将功率波形从运算放大器120传送到打印喷嘴130。例如，在通路门150中的电容耦合能导致需要过多的稳态偏置电流，并因此在通路门和相关的通路门驱动器电路中消耗过多的功率，除非使用如此处描述的这种自适应偏置方法。

通过利用具有由运算放大器120提供的比例转换速率控制的电平转换器110，通路门150、运算放大器120和整个打印喷嘴驱动器电路中的功率消耗可以被减少。此外，运算放大器120可在A-B类模式下操作，以产生正和负电流镜输出电流，以进一步减少系统功率。A-B或B类可被用来产生自适应电流，在那里使用A类操作，例如，电流将是稳定的，并因此将基本上没有功率减少。也可为运算放大器120提供多级运算，例如，其中一级可被配置为A、A-B类或B类，而随后的一级(或随后的多级)可被配置为A、A-B类或B类。减少的功率节省可进一步被提高，由于有好几百打印喷嘴130——每一个需要它们自己的运算放大器120、电平转换器110、和通路门150，以命令墨水从相应打印喷嘴分配。在一个可替换的示例中，自适应电平转换可被施加给共同的放大器，其进而驱动多个打印喷嘴。无论哪一种情况，自适应电平转换都可被施加到以每个喷嘴为基础的放大器，在那里，每个喷嘴由它自己相应的运算放大器120、电平转换器110、和通路门150操作，或者可替换地，共同的放大器(例如，也被称作冷开关驱动器)可使用自适应电平转换来操作多个通路门150和相关的打印喷嘴130。虽然未示出，用于测试和放大器重置的控制信号可以被施加到电平转换器110。这种控制信号可以提供数字开关控制波形给电平转换器110，用于自适应偏置和开关。

在一个示例中，电平转换器110可被应用到高压开关用作通路门150来驱动压电喷嘴电平放大器或冷开关压电驱动器，用于压电打印头操作打印喷嘴130，这可以满足低电路区域使用、高压操作、高转换速率和低偏置(系统开销(overhead))功率消耗的需求。因此，打印喷嘴压电打印头需要一种方法来放大每个喷嘴期望的波形，该方法还减少电路区域和对应的功率消耗。电平转换器110可以使用来自放大器级或来自转换速率感应微分器的A-B类电流镜像(对于冷开关的情况)，其中每种情况将参考图3和4加以说明和描述。

在压电打印头中使用的电流高压电平转换器是数字的，在于它们被接通或者断开以选择连接到冷驱动器的喷嘴。电平转换器将呈现打印数据的逻辑电平转换成接通或断开晶体管所需要的高压，其由于冷驱动器信号的转换速率而需要相当大的功率。此处描述的自适应电平转换方法使电平转换器110中的电流适应于操作在通路门150中的高压开关的需要。例如，考虑到电平转换器不得不克服通路门晶体管的从它的栅极到正在从源极通到漏极的信号的电容耦合或反之亦然，电平转换器110中需要电流以及因此通路门150与转换速率成比例。

出于简化解释的目的，在当前的示例中，此处描述的系统的不同部件被说明和描述为执行不同的功能。然而，本领域普通技术人员将理解和明白，描述的部件的功能可由不同的部件执行，并且若干部件的功能可以被组合并在单个部件上执行，或者可以进一步被跨越更多的部件分布。例如，部件可被实现为集成电路或者实现为分立的部件，或者被实现为两者的组合。在其他示例中，例如，部件可被分布在不同的印刷电路板中。

图2图示了示例运算放大器210，其使用自适应电平转换器和通路门214来驱动压电打印喷嘴220。八位信号DAC 230可被用来发送打印命令信号给运算放大器210，其进而将该信号放大以经由电平转换器214和通路门来驱动压电打印喷嘴220。虽然示出的是八位DAC 230，但是其它位分辨率(bit resolutions)也是可以的(例如，12位DAC，7位DAC，等)。各种开关部件(例如，FET，晶体管)被示出在244和250处，其中这种开关部件形成用于电容器的重置控制，用作运算放大器210中的反馈。电容器260和270形成电容反馈网络，并可以分别经由开关部件244和250被重置。电容器260和270形成电容分压器，作为用于运算放大器210的增益的反馈，其中增益可以被定义为任意两个阻抗的比率。如果阻抗具有不同的频率响应，那么使用这种反馈结构形成的放大器能够具有根据这种特性修改的频率响应，和定义增益一样。

电容元件260和270随着频率而变化。然而，希望具有基本与频率无关的反馈，在感兴趣的放大器的频率范围内，其通过周期和频率响应加以定义；例如，最小值fmin＝1/30μs＝33KHz，最大值fmax～＝M*K/Tr，其中Tr是200ns上升时间，M＝4是设置因数，K是一个时间常数的比例，fmax～＝4*0.35/200n＝7MHz。通过电容反馈元件260和270的这个带宽的增益响应频率是T(ω)＝(1/(CI*ω))/(1/(Ch*ω)+1/(CI*ω))，其中CI针对电容270，Ch针对电容260，ω是频率。只要频率保持在0以上，并且串联电阻元件足够小到可被忽略，ω就不参与该等式。所产生的转换函数可以被表示为T＝(1/(CI))/(1/(Ch)+1/(CI))，如所希望的，其是基本与频率无关的。为了实际提供33KHz下的最低频率带宽，例如，电容器260和270应被重置，以提供某一直流(DC)值稳定。另外，T(ω)转换函数的分母中的ω可在驱动波形中引起不希望的偏移。通常，不希望的电荷可以随着时间在电容器260和270中累积，如果它们没有被重置的话。

图3图示了A-B类喷嘴放大器310，其使用自适应电平转换器320来控制压电打印喷嘴330。电平转换器320驱动通路门晶体管340，其进而驱动连接到压电打印喷嘴330的打印头垫350。如所示的，电平转换器320的上部分可以包括两个门，其在354处配置为上部电流镜，其中上部电流镜的门例如被配置为PMOS器件。电平转换器320的下部分可以包括下部电流镜356，其中下部电流镜中的两个门中的每个例如被配置为NMOS器件。诸如在358处示出的，可以提供高压保护。控制开关360可以被提供，以激活或停用电平转换器320的电流镜。364和366处的正和负电流镜输出可以分别从喷嘴放大器310产生，并被用来驱动电平转换器320。如所示的，八位DAC 370(或其它分辨率)可提供用于喷嘴放大器310的打印命令电压。在380处具有重置控制的电容反馈可被提供为放大器反馈。

在一个示例中，电平转换器320在监控运算放大器310的第一级中的电流的原则上操作，运算放大器310用来放大每个喷嘴波形，以调制电平转换器中的电流。在364和366处可以有来自每个喷嘴放大器的正输出电流和负输出电流镜输出。这种电流镜输出364和366可与被驱动到喷嘴控制设备例如诸如微机电系统(MEMS)的波形的转换速率成比例，并因此与电平转换器320中的电流的比例需求成比例。因为电平转换器320中所需的电流与转换速率成比例，考虑到电平转换器应该克服通路门晶体管的从它的栅极到它正传送的信号的电容耦合，这种自适应系统调整用于电平转换器的需求的电流，从而减少功率消耗。A-B类电流是所需的峰值电流的平均1/10至1/100，并且可减少那个数量的电平转换器的功率消耗。

图4图示了冷开关驱动器410，其使用自适应电平转换器420来控制压电打印驱动器430。电平转换器420驱动通路门晶体管440，其进而驱动连接到压电打印喷嘴430的打印头垫450。冷开关驱动器410可以驱动增益和微分器模块460，其进而驱动到电流转换器470的差分电压，电流转换器470的转换速率受控于用于电平转换器420的正和负电流镜输出。

电平转换器420在监控由冷开关驱动器410驱动到打印头上的电压的转换速率的原则上操作，并且将该电压差分以控制电平转换器中的电流。冷开关驱动器上的输出波形可被增益和微分器模块460监控。这个模块460的输出可以具有在幅值和极性上与驱动打印喷嘴430的波形的转换速率成比例的电平。因为电平转换器420中所需的电流与转换速率成比例，考虑到电平转换器应该克服通路门晶体管440的从它的栅极到它正在传送的信号的电容耦合，这种自适应系统调整用于电平转换器的需求的电流，从而减少功率消耗。

鉴于前面的上述结构和功能特征，示例方法将参考图5被更好地理解。同时，出于简化解释的目的，该方法被示出和描述为连续地执行，应当理解和明白，该方法不受说明的顺序所限制，因为部分方法可以以不同的顺序发生，和/或与此处示出和描述的同时发生。

图5图示了示例方法500，其用于用来驱动打印喷嘴的自适应电平转换。方法500在510处产生正或负电流镜输出。这种输出可从运算放大器，例如诸如上面图1中描述的运算放大器120被驱动。在520处，方法500监控正或负电流镜输出，其是基于打印喷嘴驱动信号的信号转换速率的，用来确定用于打印喷嘴的电平转换器的电流需求。这种电流需求例如可被驱动打印喷嘴的通路门中发现的电容影响。在530处，方法500基于电平转换器的电流需求改变正或负电流镜输出的幅值。在540处，方法500利用电平转换器来操作用于打印喷嘴的通路门。

图6图示了示例打印机600，其使用利用自适应电平转换的放大器610来驱动多个打印喷嘴620。打印喷嘴620被示出为喷嘴1至N，其中N表示正整数。相应的打印喷嘴620由对应的放大器610来驱动，放大器610被示出为放大器1至M，其中M表示正整数。相应放大器610中的每个使用如前所述的自适应电平转换和转换速率控制。打印机600也可以包括通信模块630，用于接收打印命令并更新打印机状态。通信模块630可以包括诸如来自打印电缆的本地连接，和/或可以包括远程网络连接，诸如可以从本地网络和/或通过诸如因特网的公共网络接收。通信模块630可被处理器和存储器模块640操作，处理器和存储器模块640可以包括可执行操作指令，用来操作打印机600。这种指令例如可以操作上面参考图5描述的方法500，用来在打印喷嘴620处产生驱动波形，并且在放大器610中操作。处理器和存储器模块640也可以连接到接口模块650，其在其它接口操作中执行数字到模拟转换，用来控制放大器610。

上面所述的那些是示例。当然，不可能描述部件或方法的每种可想到的组合，但是本领域普通技术人员将认识到，许多进一步的组合和排列是可能的。因此，本公开旨在涵盖落在本申请，包括所附权利要求的范围内的所有这种变化、修改、和改变。如此处使用的，术语“包括(includes)”意味着包括但不限于，术语“包括(including)”意味着包括但不限于。术语“基于”意味着至少部分地基于。此外，本公开或权利要求描述“一”、“一个”、“第一”、或“另一”元件，或其等价形式的地方，应当解释为包括一个或多于一个这种元件，既不要求也不排除两个或更多个这种元件。

Claims (15)

1.一种用于自适应电平转换来驱动打印喷嘴的装置，包括：

放大器，其提供用于驱动打印喷嘴的波形，该放大器还提供与波形的转换速率成比例的电流；

通路门，其用于响应于驱动信号施加波形给打印喷嘴；以及

电平转换器，其基于该电流以及所述通路门的电容耦合调节施加于所述通路门的驱动信号的电流电平。

2.根据权利要求1的装置，其中与转换速率成比例的电流是正或负电流镜输出电流。

3.根据权利要求1的装置，其中放大器被配置为A-B类放大器或B类放大器，其用来产生正或负镜输出电流。

4.根据权利要求1的装置，其中放大器被配置为多级放大器，其具有用于一级的AB类配置，以及用于第二级的B类配置。

5.根据权利要求1的装置，其中该装置被实现为驱动打印喷嘴的微机电系统（MEMS）。

6.根据权利要求5的装置，其中打印喷嘴是压电打印喷嘴，其由MEMS驱动。

7.根据权利要求1的装置，其中电平转换器进一步包括用以偏置开关来控制通路门的电流镜。

8.根据权利要求1的装置，其中放大器被配置为冷开关驱动器，其用来驱动多个通路门，该多个通路门驱动多个打印喷嘴。

9.根据权利要求8的装置，进一步包括增益和微分器部件，其从冷开关驱动器接收输出以产生用于多个打印喷嘴的波形。

10.根据权利要求9的装置，进一步包括电流转换器，所述冷开关驱动器驱动到电流转换器的差分电压，所述电流转换器从增益和微分器部件接收输出以产生用于多个打印喷嘴的波形。

11.根据权利要求1的装置，其中电平转换器接收控制信号控制所述通路门的偏置和开关。

12.一种打印机，包括：

多个打印喷嘴；

驱动打印喷嘴的多个运算放大器，其中多个运算放大器中的每个提供波形来驱动多个打印喷嘴，多个运算放大器还提供与波形的转换速率成比例的电流；

与多个运算放大器中的每个相关的通路门，其响应于驱动信号施加波形给多个打印喷嘴；以及

与多个运算放大器中的每个相关的电平转换器，其基于与转换速率成比例的电流以及所述通路门的电容耦合调节施加于所述通路门的驱动信号电流电平；以及

处理器和存储器模块，其引导到运算放大器的远程打印命令，以使墨水从打印喷嘴分配。

13.根据权利要求12的打印机，其中多个运算放大器中的每个产生正和负电流镜输出来驱动电平转换器。

14.一种用于自适应电平转换来驱动打印喷嘴的方法，包括：

提供转换速率信号给通路门以驱动打印喷嘴；

产生与转换速率信号成比例的电流；

监控该电流以确定用来驱动打印喷嘴的电平转换器的电流需求；

产生基于确定的电流需求以及通路门的电容而变化的驱动信号；以及

施加驱动信号给通路门以驱动打印喷嘴。

15.根据权利要求14的方法，进一步包括产生正或负电流镜输出作为与转换速率信号成比例的电流。