CN1200598A - 不增加接口线路数即能获正确控制性能的控制装置 - Google Patents

不增加接口线路数即能获正确控制性能的控制装置 Download PDF

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Abstract

控制电压发生装置,产生的脉冲时间调制信号或脉宽调制信号提供给求平均电路求平均值。平均信号提供给控制电压发生电路。第二缓冲电路产生与第一缓冲电路相同的输出电压,将其加到控制电压发生和操作控制电路上。根据输出电压,操作控制电路将电源电压加到控制电压发生电路上。控制电压发生电路用第二缓冲电路的输出电压作为基准电压调节控制电压。这样,第二缓冲电路的一个输出电压就可以控制电压发生电路的导通/截止,而且可应用基准电压。

Description

不增加接口线路数即能获 正确控制性能的控制装置
本发明涉及一种适合用于各种要求正确或精确控制的电子电路装置的电压控制式控制装置。
一般，按数字电路和逻辑电路布局的电压控制式控制装置是本技术领域众所周知的。
一种常见的电压控制式控制装置是按下述方式配置的：控制装置的数字电路输出数字值，此数字值经过数/模转换从而产生控制电压，再用此产生的控制电压控制模拟电路的电路特性，例如该模拟电路的增益。
特别是，为就此控制信号减少数字电路输出端的接口总数和缩小电路的规模，在这类电压控制式控制装置中不是采用脉冲持续时间调制(PDM)信号就是采用脉宽调制(PWM)信号作为这类电压控制类型的控制装置的数字输出，此外，通常还采用简单的RC低通滤波器作为数/模转换器。
应该理解的是，数字输出端的基本操作，无论在脉冲持续时间，调制信号(以下简称PDM信号)或脉宽调制信号(以下简称PWM信号)的情况通常是彼此相同的。既然两者没有本质上的区别，因此下面的说明将就PDM(脉冲时间调制)信号进行。
大致说来，一般的采用PDM信号的电压控制式控制装置主要分为两种不同类型的控制装置，例如第一现有技术和第二现有技术。
图1是第一现有技术采用PDM信号的一般电压控制式控制装置的功能方框示意图。图中，编号10表示数字电路，编号11表示控制单元，编号12表示PDM信号发生电路，编号13表示PDM信号的输出缓冲电路。此外，编号20表示模拟电路，编号21表示控制电压发生电路，编号22为增益控制电路，编号30表示LPF(低通滤波器)。另外，符号R表示电阻器，C表示电容器，符号T1表示数字电路10的电源端，符号T2表示模拟电路20的PDM信号输出端，符号T3表示数字电路10的电源端，符号T4表示模拟电路20的PDM信号输入端。此外，符号T5表示提供给模拟电路20的增益控制电路22的主信号的输入端，符号T6表示模拟电路20的增益控制电路22供来的主信号的输出端，符号Vdd表示数字电路10的电源电压，符号Vcc表示模拟电路20的电源电压。
应该指出的是，在图1所示的电压控制式控制装置中，数字电路10控制模拟电路20的电路特性，具体地说，模拟电路20的增益通过电压加以控制。
下面说明图1所示的电压控制式控制装置增益控制的操作过程。
装在数字电路10中的控制单元11计算装在模拟电路20中的增益控制电路22所需要的增益，并将此计算出来的增益转换成增益控制电路22所需要的控制电压值，再将该增益控制电压值转换成数字增益控制电压值。接着，此数字增益控制电压值输入PDM信号发生电路12中。
PDM信号发生电路12产生此数字增益控制电压值相应的PDM信号，再将产生的PDM信号经PDM信号的输出缓冲电路13和PDM信号的输出端T2提供给数字电路10。
接着，从PDM信号输出端T2输出的数字PDM信号输入具适当时间常数的LPF(低通滤波器)30中滤波(使其平稳)，从而将此数字PDM信号转换成PDM后作为控制电压输入模拟电路20的PDM信号输入端T4。
根据输入的控制电压，模拟电路20的控制电压发生电路21产生控制信号，再将产生的控制信号提供给增益控制电路22。
在增益控制电路22中，增益根据所收到的控制信号变化，输入端T5输入来的信号(即去增益控制电路22的主信号)经过放大或衰减后提供给从增益控制电路22得出的主信号的输出端T6。
一般采用PDM信号的电压控制式控制装置即采用图1所示的上述电路装置按上述方式工作的。
另一方面，这种一般的电压控制式控制装置有下述一些问题：
PDM信号输出缓冲电路13基本上按数字电路构制，且输出信号的幅值与数字电路10的电源电压成正比。
这时，若模拟电路20的电压控制性能由受电源电压Vcc调节的值组成，则通过使电源电压Vdd等于电源电压Vcc可以避免产生因电路电源电压变化引起的控制误差。
然而，通常，为避免数字噪音混杂或既然可使用的电源电压彼此不同，加到数字电路10电源端T1的电压Vdd和加到模拟电路20电源端T3的电压Vcc是接彼此不同的调节器的。这样，往往就会产生这种控制误差。
现在参看图2和图3详细说明为何往往会产生这种控制误差。
图2是说明图1所示电压控制装置与电源电压有关的控制电压特性的时间图。图2(1)表示电源电压Vdd为3.0伏时与电源电压有关的特性，图2(2)示出了电源电压Vdd为2.7伏时与电源电压有关的另一特性。图中的横坐标表示时间，纵坐标表示电压。
图3示出了图1所示增益控制电路22的控制电压特性曲线。图中的横坐标表示控制电压(伏)，纵坐标表示增益(分贝)。
现在看看数字电路10的电源电压选取3.0伏时，PDM以半个强度输出，数字电路10PDM信号的输出端T2出现电压信号波形，该PDM信号在图2(1)的右半边表示。
换句话说，出现在输出端T2的电压信号高电平为3.0伏，与电源电压Vdd相等。
另一方面，模拟电路20的PDM信号通过LPF30之后进入输入端T4处出现的电压信号波形在图2(1)左半边表示。
接着，此1.5伏模拟电压值作为控制电压加到模拟电路20上。
为易理解起见，假设控制电压发生电路21直接将输入电压作为控制电压输出出去。此外还假设，增益控制电路22的控制特性相当于图3中以宽线条所示在1.5伏处通过0分贝的40分贝/伏直线。
在此情况下，增益控制电路22接收1.5伏控制电压时的增益变为0分贝。这个输入端T5给模拟电路20的增益控制电路22的主信号(即从端子T5得出的输入信号)，其增益为0分贝。
因此，从端子T5得出的输入信号直接从获自模拟电路20的增益控制电路22的主信号的输出端T6输出。
另一方面，现在假设这样的情况，例如，作为电源的电池其电能耗尽了，电源电压Vdd降至2.7伏，则出现在数字电路10的PDM信号输出端T2的电压信号波形如图2(2)右半边所示。
就是说，出现在输出端T2的电压信号高电平等于电源电压Vdd，即2.7伏。
于是，出现在模拟电路20的PDM信号输入端T4业已通过LPF30的电压信号波形，如图2(2)左半连所示。
因此，1.35伏的模拟电压值作为控制电压加到模拟电路20上。
这时，从图3的控制特性曲线可知，增益控制电路22的增益取-6分贝的值。
综上所述，增益控制电路22的增益从0变为-6分贝时，此控制误差会变成那种需要电流控制的装置情况下的极大值。因此，有这样的问题，即控制误差可能会超过容许范围。
上述图1所示的电压控制式装置具有下述问题。就是说，在例如用作电源的电池其电能耗尽时，电源电压Vdd降至2.7伏，因而使增益控制电路22的增益从0分贝变到-6分贝，从而使控制误差增加。
有人提出了解决这个问题的方法，即将数字电路中采用的PDM信号输出缓冲电路的电源电压作为基准电压加到模拟电路上，再用此基准电压来调节从LPF输出的控制电压。
图4表示了一个执行这种方法的电压控制式控制装置的一个例子。
图4表示出了第二现有技术采用PDM信号的电压控制式控制装置的功能方框图。图中，符号T11为数字电路10的第二输出端，符号T21表示模拟电路20的第二输入端。图4中所示的其它编号表示图1中所示相同或类似的电路。
在此电压控制式控制装置中，为将加到数字电路10的PWD信号输出缓冲电路13的电源电压Vdd用作模拟电路20的基准电压，在数字电路10侧加了第二输出端子T11，在模拟电路20侧加了第二输出端子T21，并将第二输出端T11接第二输入端T21。
这样，数字电路10将PDM信号输出缓冲电路13的电源电压Vdd作为PDM信号波峰的基准电压从新增加的第二输出端T11输出。
此基准电压经第二输入端21加到控制电压发生电路21的第二输入端T21上。
在控制电压发生电路21中，从控制电压输入端T4输入控制电压用所加的控制电压(即数字电路10的电源电压Vdd)调节，再将经调节的控制电压加到增益控制电路22上。
在增益控制电路中，增益根据该控制信号变化，从输入端T5输入的信号经过放大或衰减之后输出给输出端T6。
现在参看图5更详细地说明图4中所示电压控制式控制装置所采用的模拟电路20的急增益控制特性。
图5示出了图4中所增增益控制电路22的控制电压特性曲线的实例。图5的横坐标表示控制电压(伏)与基准电压(伏)的电压比值，纵坐标表示增益(分贝)。
如图5中所示，数字电路10的电源电压Vdd在图4所示的增益控制电路中变化时，若输出电压比值为1/2 PDM信号的信号，则在模拟电路20侧可收到1/2经调节的控制电压，这样就可以不断地得出0分贝增益。
因此，可以进行正确控制。
然而，图4所示第二现有技术的电压控制式控制装置与上述电压控制式控制装置相比，进行的只是相对正确的控制。现在假设PDM信号输出缓冲电路13中采用的P-MOS晶体管的导通电阻值相当小，则由于可出现幅值仅由此导通电阻值确定的压降，因而成了导致控制误差的一个因素。
此外，由于图4中所示电压控制式控制装置的接口总数增加了一套，因而若此电压控制式控制装置用在引脚数量有限的IC(集成电路)中，则又有另一个这种电压控制式控制装置几乎不能装配入这样的IC的问题。
因此，本发明的目的是提供一种无需增加接口总数即能达到正确控制性能的电压控制式控制装置。
本发明电压控制式控制装置的特点在于，它包括：一个脉冲调制信号发生器，用以产生目标控制电压的数字控制信号即输入此发生器中，幅值取决于第一电压源所加电压的脉冲调制信号即根据数字控制信号由此发生器产生；一个平均电压发生电路，用以求出脉冲调制信号发生电路产生的脉冲调制信号的平均值从而输出平均电压；一个操作控制电压输出电路，用以根据控制逻辑信号的状态输出或不输出第一电压源的操作控制电压；一个控制电压发生电路，用以根据平均电压发生电路所加的平均电压和操作控制电压输出电路输出的操作控制电压产生目标控制电压；和一个操作控制电路，用以根据操作控制电压输出电路输出的操作控制电压值控制对控制电压产生电路的供电。
此外，按照本发明，脉冲调制信号发生装置包括：一个脉冲调制信号发生电路，用以根据数字控制信号产生任意恒定幅值的脉冲调制信号；和一个缓冲电路，用以将脉冲调制信号的任意恒定幅值转换成根据第一电压源所加的电压确定的幅值。此外，操作控制电压输出电路为布局与所述缓冲电路相同的一个缓冲电路。
为更好地理解本发明，参看下面应结合附图阅读的详细说明。附图中：
图1是采用PDM信号的一般电压控制式控制装置第一装置实例的功能方框图；
图2是图1中所示电压控制式控制装置控制电压与电源电压有关的特性实例的时间图；
图3是图1中所示增益控制电路22控制电压特性曲线的一个实例；
图4是采用PDM信号的一般电压控制式控制装置第二装置实例的功能方框图；
图5是图4中所示增益控制电路22控制电压特性曲线的一个实例；
图6是本发明第一实施例的电压控制式控制装置主要装置一个实施的功能方框图；
图7是图6电压控制式控制装置中采用的控制电压发生电路51电路装置细节一个实例的电路图；
图8是本发明第二实施模式的电压控制式控制装置主要装置一个实施的功能方框图。
总而言之，本发明第一实施模式的电压控制式控制装置的特点在于，改进了图4中所示的上述一般电压控制式控制装置，从而使其无需增加接口总数就能达到正确(精确)的控制性能。
图6是本发明第一实施例电压控制式控制装置主要电路装置一个实施的功能方框图。图中，与图1中所示的各编号类似，编号40表示数字电路，编号12表示PDM信号发生电路，编号13表示PDM信号输出缓冲电路，编号41表示控制单元，编号42表示操作方式控制信号的输出缓冲电路；编号30为LPF(低通滤波器)，编号50表示模拟电路，编号22表示增益控制电路，编号51表示操作控制电路，编号52表示控制电压发生电路。此外，符号T41表示数字电路40的操作方式控制信号输出端子，符号T51表示模拟电路50的操作方式控制信号输入端子。应该理解的是，输出缓冲电路13的电路装置与输出缓冲电路42相同。
图6中所示第一电压控制式控制装置的数字电路40与图1和图4的上述数字电路10有这样一个不同点，即此数字电路40中所采用的控制单元41的功能。
控制单元41使模拟电路50导通/截止，而且还根据其它诸电路提供的信息信号判断模拟电路50的操作。模拟电路50导通时，高电平的数字输出信号作为第一操作方式控制信号输入输出缓冲电路42中。这时，电压(Vdd-Vds)作为第二操作方式控制信号从输出缓冲电路42加到输出端T41上。此电压是从电源电压Vdd减去从P-MOSFET的漏极与其源极之间的导通电阻值得出压降VDS产生的。此外，模拟电路50截止时，低电平的数字输出信号作为第一操作方式控制信号从控制单元41输入输出缓冲电路42中。这时，P-MOSFET的漏极之间的导通电阻值产生的压降VDS作为第二操作方式控制信号加到输出端T41上。
第二操作方式控制信号从输出端T41经操作方式控制输入端T51输入模拟电路50中采用的操作控制电路52中。
第二操作方式控制信号的电压等于(Vdd-VDS)时，操作控制电路52将电源电压VCC加到控制电压发生电路52和增益控制电路22上，从而使这些电路52和22进入工作状态。另一方面，第二操作方式控制信号等于VDS时，操作控制电路52没有将电源电压VCC加到控制电压发生电路52和增益控制电路22上，因而这些电路52和22都处于不工作有状态。综上所述，第一操作方式控制信号变为高电平时，模拟电路50进入工作状态，而第一操作方式控制信号变为低电平时，模拟电路50进入不工作状态。
此外，此第二操作方式控制信号，即从操作方式控制信号输入端T51输入模拟电路50的操作方式控制信号，也提供给控制电压发生电路52。
和图4中所示的上述一般电压控制式控制装置类似，控制电压发生电路52用第二操作方式控制信号作为PDM信号的基准电压，并调节经PDM信号输入端T4输入其中的控制电压，从而将经调节的控制电压加到增益控制电路22上。
根据此控制信号，增益控制电路22改变增益，并放大或衰减从输入端T5输入的信号，将经放大或衰减的信号提供给输出端T6。
这样，可以各出参照图5说明的控制性能，从而可以减少因数字电路的电源Vdd变化引起的控制误差。
现在更具体地说明图6中所示的控制电压发生电路51。
图7是控制电压发生电路51电路装置细节一个实例的电路图。图中，符号t1为恒定电压输入端，符号t2表示控制电压输入端，符号t3表示基准电压输入端，符号t4表示经调节电压输出端，符号Va表示加到恒定输入端t1且用以确定增益系数的电压，符号Vcont为加到控制电压输入端t2的电压，符号Vref表示加到基准电压输出端t3的电压，符号Vout表示出现在经调节电压输出端T4的输出电压。
图7中所示的控制电压发生器电路51是采用通常使用的供组合对数放大器和反对数放大器的乘法/除法电路的电压调节电路的一个例子。
图7中，加到恒定电压输入端t1且用以确定增益系数的电压Va等于从图6中所示模拟电路50操作控制电路51加到控制电压发生电路52上的电压。
此外，加到控制电压输入端t2的电压Vout相当于加到图6中所示模拟电路50 PDM信号输入端T4的电压。
加到基准电压输入端t3的电压Vref等于加到图6中所示模拟电路50操作方式控制信号输入端T51的电压。
经调节电压输出端t4的输出电压Vout相当于从图6中所示控制电压发生电路52加到增益控制电路22的控制电压。
在图7所示的这个控制电压发生电路52即电压调节电路中，经调节电压输出端t4的输出电压Vout即经调节的电压可用下面的(1)式表示：
Vout＝Va×Vvont/Vref    (1)
从(1)式显然可知，经调节的电压Vout是根据加到基准电压输入端t3的电压即基准电压Vref调节的。
当装在数字电路40中的控制单元41判断模拟电路50无需工作时，第一工作方式控制信号变为低电平。
收到低电平的该信号时，模拟电路50中采用的操作控制电路52断开从电源电压Vcc连接到相应电路部分的电源线路，使模拟电路50在此第一实施例状态下进入不工作状态。
在此情况下，用以产生控制电压并输入控制电压发生电路52的基准电压会变为基本上等于0伏的电压VDS。但由于此电路部分这时处于不工作状态，因而此电路部分的操作即使控制电压为任何值也不直接受影响。
此操作方式控制可构成迫切要求降低低功耗的功能。此操作方式控制是基本需要的接口。
综上所述，按照第一实施方式的电压控制式控制装置，由于其信号线路和具PDM幅值的基准电压的信号线路是统一的，因而可以采用正确的PDM信号进行电压控制而无需增加接口总数。
此外，与前面所述的第一现有技术电路不同，通常与基准电压一起使用的操作方式控制信号构成数字CMOS的输出。
因此，即使当P-MOSFET的导通电阻值不够低，但若两输出缓冲电路(即操作方式控制信号的输出缓冲电路44和PDM信号的输出缓冲电路)的P-MOSFET特性值彼此相互匹配，就没有控制误差了。
上面说过，在第一实施方式的电压控制式控制装置中，特别是当数字电路40彼此相互组合时，两组输出缓冲电路彼此紧密配置在一起。因此，由于P-MOSFET的导通电阻值其特性彼此极其匹配，因而这种电压控制式控制装置对精确控制非常有用。
与上述第一实施方式的电压控制式控制装置相比，本发明第二实施方式的电压控制式控制装置的特点在于，阻值彼此匹配的电阻器配置在各电路部分以便补偿这些电阻器产生的压降，从而可以进一步提高控制精确度。
图8是本发明第二实施方式电压控制式控制装置主要电路装置一个实例的功能方框图。图中，符号R1表示第二电阻器，符号R2表示第三电阻器，符号R3表示第四电阻器，其它编号与图6的类似。
在图8所示的电压控制式控制装置中，第二电阻器R1(其阻值假设为r1)连接在数字电路40操作方式控制信号输出端T41与模拟电路50的操作方式控制信号输入端T51之间。此第二电阻器R1的阻值(此阻值假设为r0)与LPF30中使用的电阻器R相同。
此外，在模电路50侧，阻值与LPF 30的电阻器R相同的第三电阻器R2(其阻值假设为r2)放在操作方式控制信号输入端T51与控制电压发生电路52之间。
此外，阻值与LPF 30的电阻器R相同的第四电阻器R3(其阻值假设为r3)放在PDM信号输入端T4与操作控制电路52的输入端之间。
应该理解的是，操作控制电路52和控制电压产生电路51的输入电阻值比起这些第二电阻器R1、第三电阻器R2和第四电阻器R3的阻值是非常之高的，因而其不利影响可以忽略不计。
采用了上述装置，控制电压就为LPF 30中采用的电阻器R(其阻值为r0)和第四电阻器R3(其阻值为r3)进一步划分，从而使电压只按阻值比(即r0/(r0+r3))而下降。
但由于基准电压为阻值彼此相等的第二电阻器R1(其阻值为r1)和第三电阻器R2(其阻值为r2)所划分，因而压降值彼此相等。
因此，控制电压发生电路51借助如此控制电压调节电压，因而此压降对控制没有不利的影响。
这种第二实施方式在模拟电路50装配在一个IC的装置中非常有用，因为第三电阻器R2安置得与第四电阻器R3非常接近，因而可以得出特性彼此极其配合的电阻值。
为易于理解本发明起见，上述现有技术和各种实施例是增益方面说明电压所控制的电路特性的。但本发明的电压控制式控制装置显然不局限于上述实施方式。
举例说，本发明同样可应用于能根据电压控制电路特性的电路，例如，在电压控制下能调节频率的振荡器和其它所有控制装置。
本发明的电压控制式控制装置采用了PDM信号，因而无需增加接口总数即可达到正确的控制性能。
此外，按照本发明的电压控制式控制装置，在进行极其精确的通/断控制的同时可达到正确的电压控制，因而除达到本发明电压控制式控制装置的效果外还可以降低功耗。

Claims (8)

1.一种控制电压发生装置，其特征在于，它包括：
脉冲调制信号发生器，用以产生目标控制电压的数字控制信号即输入此发生器中，幅值根据第一电压源所加电压确定的脉冲调制信号即由此发生器根据所述数字控制信号产生；
一个平均电压发生电路，用以求出所述脉冲调制信号发生电路产生的所述脉冲调制信号的平均值从而输出平均电压；
一个操作控制电压输出电路，用以根据控制逻辑信号的状态输出或不输出所述第一电压源的操作控制电压；
一个控制电压发生电路，用以根据所述平均电压发生电路所提供的所述平均电压和所述操作控制电压输出电路输出的所述操作控制电压产生所述目标控制电压；和
一个操作控制电路，用以根据所述操作控制电压输出电路输出的所述操作控制电压控制电源电压给所述控制电压发生电路的提供。
2.如权利要求1所述的控制电压发生装置，其特征在于：
所述脉冲调制信号发生装置包括：
一个脉冲调制信号发生电路，用以根据所述数字控制信号产生任意恒定幅值的脉冲调制信号，和
一个缓冲电路，用以将脉调制信号的所述任意恒定幅值转换成根据所述第一电压源所供的电压确定的幅值。
3.如权利要求2所述的控制电压发生装置，其特征在于：
所述操作控制电压输出电路为结构与所述缓冲电路相同的缓冲电路。
4.如权利要求2所述的控制电压发生电路，其特征在于：
所述脉冲调制信号发生电路是个脉冲持续时间调制电路。
5.如权利要求2所述的控制电压发生装置，其特征在于：
所述脉冲调制信号发生电路是个脉宽调制电路。
6.如权利要求3所述的控制电压发生装置，其特征在于：
所述缓冲电路有两个FET(场效应晶体管)，所述两个FET的栅极彼此相互连接从而构成输入端，一个FET的源极与另一个FET的漏极彼此相互连接从而构成输出端，所述两个FET的两个其余端子分别接所述第一电压源和基准电压源。
7.如权利要求1所述的控制电压发生装置，其特征在于：
所述平均电压发生电路是个含一个电阻器和一个电容器的低通滤波器。
8.如权利要求7所述的控制电压发生装置，其特征在于：
所述控制电压发生电路的输入端和所述操作控制电路的输入端为阻值相同的电阻器所端接；所述操作控制电压发生电路与所述操作控制电路之间接有一个阻值等于所述低通滤波器中所含所述电阻器的电阻器。
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