CN111327973B - 光学开关和减少串扰的方法 - Google Patents

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Abstract

具有多个致动器的光学开关，该光学开关包括控制器，该控制器被配置为控制多个通道的运行，其中，每个通道具有至少一个电驱动器和至少一个致动器，通过将一个或多个驱动器的有电压切换输出的时段与没有电压切换输出的时段进行交叉，同时输出电压从一个电平切换到另一个电平来进行控制。可替换地，具有多个致动器的光学开关包括控制器，该控制器被配置为控制多个通道的运行，其中，每个通道具有至少一个电驱动器和至少一个致动器，通过将第一通道的至少一个驱动器的输出电压从一个电平切换到另一个电平，同时至少一个其他通道的至少一个其他驱动器处于相对高阻抗模式来进行控制。

Description

光学开关和减少串扰的方法
本申请是为基于PCT国际申请PCT/GB2015/053146的中国国家阶段申请的、申请日为2015年10月21日、申请号为201580057188.6、名称为“光学开关和减少串扰的方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及光学开关和减少串扰的方法。
本发明还涉及用于电容性负载的电驱动器(在优选实施方案中，驱动电路和电容性负载的整体被称为“通道(channel，信道)”)，并且更具体地涉及用于减小某一通道中的由于在另一通道切换电压引起的动态电串扰电压的技术。
本发明的背景以及申请人已知的现有技术
压电致动器被用于需要精确定位的各种领域中。申请人自己先前的专利公布文本提供了现有技术配置的示例。特别地，以下现有技术文献是得到认可的并通过引用而被包含：US7026745，US7095915，US7106925，US7231126，US7389016，US7876981，US7522789以及US8358929。
从电学的角度来看，这些现有技术开关中采用的这种致动器主要是电容性负载，并且该致动器通过借助于驱动电路向该致动器施加电压信号而被控制。特别是在光学开关领域，若干应用需要大的压电致动器阵列，该压电致动器阵列的控制电压信号需要在一定的时间帧内进行切换。
当若干驱动电路具有相同的电源(供电源)时，通过共享接地线和正电源线中的一个或二者，驱动器电压之间的电串扰可能成为重大的问题。尤其地，通过在某个驱动器处切换电压信号而产生的动态电串扰电压是成问题的，因为通过位置反馈回路进行补偿非常难以实现(在压电致动器的情况下)，这主要是由于对位置反馈回路带宽的限制。在将多个驱动器集成到单个芯片上时，这个问题变得甚至更加明显，这是由于芯片上接地线和电源线——其通常具有比印刷电路板(PCB)上的迹线更大的阻抗——的性质。
串扰的起因是电源/接地馈送线的阻抗或者在某些情况下是用于为驱动电路供电的电压源的输出阻抗。为了减少通道电压之间的动态电串扰，简单的方法可以是降低电源馈线的阻抗，以及降低电压源的输出阻抗，和/或增加更多的到电压源的去耦元件。然而，在PCB上密集地放置多个驱动器或将若干驱动器集成到芯片上会导致可能达到的阻抗的较低极限值。
上述的驱动器间串扰的问题导致需要一种系统级解决方案来减少通道之间的电串扰。
发明内容
减少串扰的替代解决方案被呈现为第一广泛的独立方面和第二广泛的独立方面。
在第一广泛的独立方面，本发明提供了一种具有多个致动器的光学开关，该光学开关包括控制器，控制器被配置为控制多个通道的运行，其中，每个通道具有至少一个电驱动器和至少一个致动器，通过将一个或多个驱动器的有电压切换输出的时段与没有电压切换输出的时段进行交叉，同时输出电压从一个电平切换到另一个电平来进行控制。
这种配置是特别有利的，因为它允许显著地降低相邻通道中的平均串扰。
在第二广泛的独立方面，本发明提供了一种具有多个致动器的光学开关，该光学开关包括控制器，控制器被配置为控制多个通道的运行，其中，每个通道具有至少一个电驱动器和至少一个致动器，通过将第一通道的至少一个驱动器的输出电压从一个电平切换到另一个电平，同时至少一个其他通道的至少一个其他驱动器处于相对高阻抗模式来进行控制。
这种配置是特别有利的，因为它将其他通道的电压与由第一通道(也可以被称为攻击者(aggressor，干扰者))引起的串扰隔离。该配置显著地减少了串扰。
在附属方面，所述开关包括多个其他驱动器，所述多个其他驱动器通过将先前输出值采样到通道电容上而处于相对高阻抗模式。这种配置由于其对潜在串扰曲线(profile)的影响而特别有利。
在附属方面，在一驱动器的切换期间，一个或多个非切换驱动器处于相对高阻抗模式。
在附属方面，在一驱动器的切换期间，一个或多个非切换驱动器的一个或多个电压被重新采样(re-sample)。
在附属方面，切换时段比重新采样时段长。该配置提供了减少串扰而不显著增加切换时间的有效改进。
在附属方面，若干分立的驱动电路被集成到单个芯片中。
在附属方面，所述致动器是压电致动器。优选地，压电致动器是具有层压构造的细长梁(beam，柱结构)。该梁优选地在梁的一个端部处被支撑并且适于弯曲以使梁的该端部在至少两个维度上移位。梁的该端部的移位驱动光学元件的定向，光学元件可以是准直仪。
在又一个广泛的独立方面，本发明提供了一种减少具有多个通道的光学开关中的串扰的方法，其中，每个通道具有至少一个电驱动器和至少一个致动器，该方法包括以下步骤：将一个或多个驱动器的有电压切换输出的时段与没有电压切换输出的时段进行交叉，同时输出电压从一个电平切换到另一个电平。
在又一个广泛的独立方面，本发明提供了一种减少具有多个通道的光学开关中串扰的方法，其中，每个通道具有至少一个电驱动器和至少一个致动器，该方法包括以下步骤：将第一通道的至少一个驱动器的输出电压从一个电平切换到另一个电平，同时另一个通道的至少一个其他驱动器处于相对高阻抗模式。
在附属方面，所述其他驱动器通过将先前的输出值采样到通道电容上而处于相对高阻抗模式。
在附属方面，一个或多个非切换驱动器在一驱动器的切换期间处于相对高阻抗模式。
在附属方面，一个或多个非切换驱动器的一个或多个电压在一驱动器的切换期间被重新采样。
在附属方面，切换时段比重新采样时段长。
在附属方面，将若干分立的驱动电路集成到单个芯片中。
在又一个独立方面，本发明提供了一种控制多个通道的运行的方法，其中，每个通道具有至少一个电驱动器和至少一个致动器，该方法包括以下步骤：将一个或多个驱动器的有电压切换输出的时段与没有电压切换输出的时段进行交叉，同时输出电压从一个电平切换到另一个电平。
在又一个独立方面，本发明提供了一种控制多个通道的运行的方法，其中，每个通道具有至少一个电驱动器和至少一个致动器，该方法包括以下步骤：将至少一个驱动器的输出电压从一个电平切换到另一个电平，同时其他驱动器处于相对高阻抗模式。
在又一个独立方面，本发明提供了一种具有多个致动器的光学开关，该光学开关包括控制器，控制器被配置为控制多个通道的运行，其中，每个通道具有至少一个电驱动器和至少一个致动器，通过将一个或多个驱动器的有电压切换输出的时段与没有电压切换输出的时段进行交叉，同时输出电压从一个电平切换到另一个电平来进行控制。
在又一个独立方面，本发明提供了一种具有多个致动器的光学开关，该光学开关包括控制器，控制器被配置为控制多个通道的运行，其中，每个通道具有至少一个电驱动器和至少一个致动器，通过将至少一个驱动器的输出电压从一个电平切换到另一个电平，同时其他驱动器处于相对高阻抗模式来进行控制。
附图说明
图1示出了若干通道共享相同的电源Vs+和地的设置，连同与在通道0处发生的切换事件相关联的典型电压。
图2示出了在15个“邻近”通道电压切换的情况下在单个通道处测量的串扰电压。示出了正常切换、交错切换和在非切换时间段期间具有高阻抗(HI)模式的交错切换的切换特性和所产生的串扰。
图3示出了15个“邻近”通道电压使用具有HI模式的交错切换进行切换时在单个通道处测量的串扰电压。在相等的切换时段和非切换时段的情况下的结果与使用更短的非切换(重新采样)时段的结果一起被示出。
具体实施方式
本发明的某些实施方案涉及一种减少用于电容性负载的驱动器(驱动电路与电容性负载一起被称为“通道”)之间的电串扰的技术。更特别地，在某些实施方案中，该技术的目的在于减少一个/若干驱动器信号上的、由一个或多个另外的驱动器上的电压切换事件产生的动态串扰。该技术的一种实施方案包括以下部分：
(a)某个或某些驱动器的输出电压从一个电压电平到下一个电压电平的切换被分成若干短时间段，其中，电压输出对完整电压的与没有发生电压切换的时段相交叉的部分进行切换。这种类型的切换被称为“交错切换”，并且能够降低平均动态电串扰。
(b)在某个或某些输出驱动器(攻击者)的输出电压被切换的时段，受影响的其他驱动器的输出被置于高阻抗模式，有效地将这些其他驱动器的先前值采样到通道电容上。从而将其他通道的电压与由攻击者引起的串扰隔离开。
(c)可以将(a)和(b)中提到的串扰减少方法组合到交错切换模式，其中在某个或某些驱动器的电压切换期间，非切换驱动器被置于高阻抗模式(通过高阻抗将输出与地/电源隔离)。在没有切换的交叉时段，使所有驱动器都不处于高阻抗模式，这归结为非切换驱动器电压的重新采样。
(d)在(c)中描述的方法可以在切换时段和重新采样时段等长的情况下或者在切换和重新采样所花费的时间不同的情况下执行。通过使用显著短于切换时间的重新采样时间，总体切换时间相对于没有任何先前描述的串扰减少技术的切换而言在一定程度上增加。
在用于对电容性负载施加一定电压的多个驱动电路使用相同的电接地线或电源线时，在如下情况下在某个通道(驱动电路和电容性负载的组合)处可能会发生动态串扰电压：当其他通道的电压被切换时。这是由电源线/接地线的非零阻抗引起的，当在驱动器切换其输出电压时电流获得自电源线或者被吸收(sink，接收)到接地线时，该非零阻抗会导致误差电压。当将若干驱动器集成到一个芯片上时，相对于分立的驱动电路的串扰而言串扰量可能变大，这是由于芯片上的电源线/接地线与印刷电路板上的线路相比一般具有大的阻抗。
图1示出了若干通道共享相同的电源Vs+和地的设置。在一个通道(在这种情况下为通道0)处的切换事件将在共享相同的电源线和接地线的通道处引起串扰电压。典型的切换电压波形和串扰电压波形在右侧示出。
提出了一种系统级解决方案，用以降低由切换驱动器对非切换驱动器电压引起的串扰电压。一种解决方案包括将切换时间分为更短的时间段，其中切换时段与非切换时段交叉，这被称为交错切换。这允许降低非切换通道处的平均串扰电压。
第二种解决方案是将非切换驱动器在发生另一驱动器(攻击者)的切换的时间期间置于高阻抗模式。这有效地将正确的电压采样到通道的负载电容上，从而将通道与串扰电压隔离。由于驱动器和可能的负载(该可能的负载由寄生并联电阻器引起)二者处的漏电流，通道处的电压将随时间而下降。通道电压的该下降随攻击者的切换时间而增加，并且在某些情况下可能会变得过大。这通过使用第三种解决方案来解决。
所提出的第三种解决方案组合了第一种解决方案和第二种解决方案，这意味着在第一种解决方案的非切换时段期间，其他非切换通道被置于高阻抗模式。通过为切换时段选择合适的时间，可以限制通道电压的下降。使用第一种解决方案和第三种解决方案与常规切换相比的结果在图2中示出。
图2示出了芯片的随时间(x-轴)变化的测得串扰电压(左y-轴)和切换电压(右y-轴)，其中，该芯片具有16个集成通道驱动器，其中通道0-7和通道9-15的电压正在从电源电压切换降低到地轨，同时通道8处的电压保持在大约一半处。使用了三种不同的切换方式，即：正常切换、交错切换和将非切换驱动器(通道8)在其他通道切换期间置于高阻抗(HI)模式的交错切换。此测量中，切换时间段和非切换时间段相等。正常切换具有最短的切换时间，但也具有最高的平均串扰，而相比较而言具有HI模式的交错切换的情况下的平均串扰较低。
在图2中，对于具有HI模式的交错切换，可以观察到非切换通道处的电压下降。这种下降发生在其他通道的切换期间，并且由非切换通道的驱动电路的输出端处的有限电阻引起。于是，通道电压Vd的下降可以表示为：
Figure BDA0002399063780000071
其中，Vs是在通道处采样的电压，t是非切换通道被置于高阻抗模式的时间，R是在通道处测量的电阻率，以及C是负载的电容。通过选择短的切换时间，可以限制电压的下降，然而如果切换时段和非切换时段所用的时间相等，则切换时间将翻倍。
第四种解决方案是使用具有不相等的切换时间和非切换时间的第三种解决方案，与正常切换相比这允许限制切换时间的增加。这种减少通过使非切换(重新采样)时间显著短于切换时间来实现，在图3中示出。
图3示出了芯片的随时间(x-轴)变化的测得串扰电压(左y-轴)和切换电压(右y-轴)，其中，该芯片具有16个集成通道驱动器，其中通道0-7和通道9-15的电压正在从电源电压切换下降到地轨，同时通道8处的电压保持在大约一半处。具有HI模式的交错切换用于两种测量，其中一种测量示出使用相等的切换时间段和非切换时间段的结果，并且另一种测量显示在非切换(重新采样)时间段较短的情况下的结果。两种情况都显示出类似的串扰电压，然而使用较短的非切换时间段可以导致显著更短的切换时间(大约8ms，而不是12ms)。

Claims (11)

1.一种具有多个致动器的光学开关，所述光学开关包括控制器，所述控制器被配置为控制多个通道的运行，其中，每个通道具有至少一个电驱动器和至少一个致动器，其特征在于，通过将第一通道的至少一个驱动器的输出电压从一个电平切换到另一个电平，同时在所述输出电压被切换的时段中至少一个其他通道的至少一个其他驱动器处于相对高阻抗模式来进行控制。
2.根据权利要求1所述的光学开关，其中，所述开关包括多个其他驱动器，所述多个其他驱动器在所述输出电压被切换的时段中处于相对高阻抗模式。
3.根据权利要求2所述的光学开关，其中，一个或多个非切换驱动器的一个或多个电压在一驱动器被切换的时段期间被重新采样。
4.根据权利要求3所述的光学开关，其中，在所述一驱动器被切换的时段中，切换时段与非切换时段交叉，所述切换时段比所述一个或多个非切换驱动器的一个或多个电压被重新采样的重新采样时段即所述非切换时段长。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学开关，其中，若干分立的驱动电路被集成到单个芯片中。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光学开关，其中，所述致动器是压电致动器。
7.一种减少具有多个通道的光学开关中的串扰的方法，其中，每个通道具有至少一个电驱动器和至少一个致动器，所述方法包括以下步骤：将第一通道的至少一个驱动器的输出电压从一个电平切换到另一个电平，同时在所述输出电压被切换的时段中另一个通道的至少一个其他驱动器处于相对高阻抗模式。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述其他驱动器在所述输出电压被切换的时段中处于相对高阻抗模式。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，在一驱动器被切换的时段期间，一个或多个非切换驱动器的一个或多个电压被重新采样。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述一驱动器被切换的时段中，切换时段与非切换时段交叉，所述切换时段比所述一个或多个非切换驱动器的一个或多个电压被重新采样的重新采样时段即所述非切换时段长。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其中，将若干分立的驱动电路集成到单个芯片中。
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