DE10114942A1

DE10114942A1 - Lineares Pulsbreitenmodulationssystem

Info

Publication number: DE10114942A1
Application number: DE10114942A
Authority: DE
Inventors: David M Dwelley; Trevor W Barcelo
Original assignee: Linear Technology LLC
Current assignee: Linear Technology LLC
Priority date: 2000-03-27
Filing date: 2001-03-27
Publication date: 2001-10-04
Anticipated expiration: 2021-03-28
Also published as: US6404251B1; FR2806857B1; GB0105748D0; GB2364456A; TW503622B; GB2364456B; FR2806857A1; DE10114942B4

Abstract

Durch die vorliegende Erfindung wird ein Pulsbreitenmodulationssystem bereitgestellt. Durch das erfindungsgemäße Pulsbreitenmodulationssystem wird ein pulsbreitenmoduliertes (PWM) Signal von einer Steuerspannung bereitgestellt. Das PWM-Signal ändert sich über einen vollen Tastgradbereich linear mit der Steuerspannung. Das erfindungsgemäße Pulsbreitenmodulationssystem weist mehrere Vergleicher auf, die jeweils einen mit einer Steuerspannung verbundenen ersten Eingang und einen zweiten Eingang aufweisen, dem ein durch einen Wellenformgenerator erzeugtes periodisches Wellenformsignal zugeführt wird. Die periodischen Wellenformsignale sind identisch, außer daß jedes Wellenformsignal bezüglich den anderen Wellenformsignalen zeitverzögert ist. Die Ausgänge der Vergleicher sind mit einem Multiplexer verbunden, der das Ausgangssignal jedes Vergleichers für ein Zeitintervall, in dem das Ausgangssignal des Vergleichers im wesentlichen konstante Verzögerungszeiten aufweist, als das PWM-Signal auswählt. Die Verzögerungszeiten des Ausgangssignal des Vergleichers sind im wesentlichen konstant, wenn das dem Vergleicher zugeführte periodische Wellenformsignal sich nicht in der Nähe seiner minimalen oder maximalen Spannung befindet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Pulsbreiten- oder Pulsdauermodulationssysteme. Die vorliegende Erfindung be trifft insbesondere lineare Pulsbreitenmodulationssysteme, die ein pulsbreitenmoduliertes (PWM) Signal bereitstellen, das einen Tastgrad von 0-100% aufweist, der sich mit einem Steuerspannungssignal linear ändert.

Ein Pulsbreitenmodulator ist eine Schaltung, die ein PWM-Signal von einer Gleichspannungs-(DC-)Steuerspannung und einer periodischen analogen Wellenform, z. B. einer Drei eckswellenform, erzeugt. Fig. 1 zeigt einen bekannten Puls breitenmodulator 10. Der Pulsbreitenmodulator 10 weist einen Vergleicher 14 auf, der eine Steuerspannung V_C an seinem nicht-invertierenden Eingang mit einem durch einen Wellen formgenerator 12 erzeugten, periodischen analogen Wellen formsignal V_W an seinem invertierenden Eingang vergleicht, um ein PWM-Signal V_PWM zu erzeugen. Der Vergleicher erzeugt ein Signal V_PWM, das sich in Antwort auf die Spannungsdifferenz zwischen dem invertierenden und dem nicht-invertierenden Eingang zwischen einem Zustand LOW (z. B. 0 Volt) und einem Zustand HIGH (z. B. 5 V) ändert.

Ein PWM-Signal ist ein periodisches Signal mit einer Amplitude, die sich zwischen den Zuständen LOW und HIGH än dert, und mit einem Tastgrad zwischen 0 und 100%. Die Peri ode des Signals V_PWM ist durch die Periode des Signals V_W festgelegt. Der Tastgrad von V_PWM ist typischerweise als Pro zentanteil der Zeit definiert, in der V_PWM während seiner Pe riodendauer den Zustand HIGH aufweist. Der Tastgrad von V_PWM wird durch den Wert von V_C festgelegt und ändert sich basie rend auf Änderungen in V_C.

In vielen Anwendungen sind Pulsbreitenmodulatoren er forderlich, die ein PWM-Signal mit einem Tastgrad bereit stellen, der sich über den gesamten Tastgradbereich von 0% bis 100% linear mit der Steuerspannung ändert. Der Tastgrad des PWM-Signals kann sich nichtlinear mit V_C ändern, wenn das Ausgangssignal des Vergleichers des Pulsbreitenmodulators veränderliche Verzögerungszeiten aufweist. Die Verzögerungs zeit des Vergleichers 14 ist die Zeit, die sein Ausgangs signal (V_PWM) benötigt, um die Mitte zwischen den Zuständen LOW und HIGH zu erreichen, ausgehend von dem Zeitpunkt, an dem die Spannungsdifferenz zwischen dem nicht-invertierenden und dem invertierenden Eingang die Nullinie durchläuft. Es existieren zwei wesentliche Verzögerungszeiten: t_PLH bezeich net die Verzögerungszeit für den Fall, wenn das Signal V_PWM vom Zustand LOW auf den Zustand HIGH übergeht, und t_PHL be zeichnet die Verzögerungszeit für den Fall, wenn das Signal V_PWMvom Zustand HIGH auf den Zustand LOW übergeht.

Beispiele von Signalen V_W, V_C und V_PWM für die Schaltung 10 sind in Fig. 2 dargestellt. Das Signal V_W ändert sich zwi schen V_MAX und V_MIN, und das Signal V_PWM hat zwei Zustände (HIGH und LOW). Idealerweise hat V_PWM Zustand HTGH, wenn V_C < V_W ist, und den Zustand LOW, wenn V_C < V_W ist. In der Realität weist der Vergleicher 14 jedoch von Null verschiedene Verzö gerungszeiten t_PHL 20 und t_PLH 22 auf. t_PHL 20 bezeichnet die Differenz zwischen dem Zeitpunkt, an dem das Signal V_W das Signal V_C von einem Wert unmittelbar darunter zu einem Wert unmittelbar darüber kreuzt, und dem Zeitpunkt, an dem V_PWM die Mitte zwischen den Zuständen HIGH und LOW erreicht, und t_PLH 22 bezeichnet die Differenz zwischen dem Zeitpunkt, an dem das Signal V_W das Signal V_C von einem Wert unmittelbar darüber zu einem Wert unmittelbar darunter kreuzt, und dem Zeitpunkt, an dem V_PWM die Mitte zwischen den Zuständen LOW und HIGH erreicht.

Die Verzögerungszeiten t_PHL und t_PLH können sich ändern, wenn V_C sich aufgrund von Änderungen der Übersteuerung (d. h. der Amplitude des Unterschieds zwischen den Spannungen am nicht-invertierenden und am invertierenden Eingang des Ver gleichers) zwischen V_MAX und V_MIN und aufgrund der endlichen Spannungsschwankungen der inneren Knoten des Vergleichers ändert. Beispielsweise nimmt t_PHL zu und t_PLH ab, wenn V_C sich V_MIN nähert, und t_PHL nimmt ab und t_PLH zu, wenn V_C sich V_MAX nä hert.

Fig. 3 zeigt einen Graphen des Tastgrades des Signals V_PWMvon Schaltung 10, wobei V_W ein Signal mit einer periodi schen Dreieckswellenform ist. Die Spitze-Spitze- oder Dop pelamplitude von V_W ist seine Maximalspannung V_MAX minus sei ner Minimalspannung V_MIN. Die Steuerspannung V_C ändert sich zwischen V_MAX und V_MIN, so daß der Tastgrad von V_PWM sich zwi schen 100% und 0% ändert. Änderungen der Verzögerungszeiten t_PHL und t_PLH des Vergleichers 14 verursachen eine Nichtlinea rität 38 in V_PWM in der Nähe eines Tastgrad von 100%, wenn V_C einen Wert in der Nähe von V_MAX hat (wenn V_C z. B. größer ist als 80% der Spitzen-Spitzen-Amplitude von V_W), und eine Nichtlinearität 39 in V_PWM in der Nähe eines Tastgrades von 0%, wenn V_C einen Wert in der Nähe von V_MIN hat (wenn V_C z. B. kleiner ist als 20% der Spitzen-Spitzen-Amplitude von V_W). Außerdem treten Nichtlinearitäten in V_PWM in der Nähe eines Tastgrades von 100% und 0% in Pulsbreitenmodulatoren auf, die asymmetrische periodische Sägezahnwellenformen verwen den.

Es kann ein Hochgeschwindigkeitsvergleicher verwendet werden, um eine bessere lineare Beziehung zwischen V_C und dem Tastgrad von V_PWMzu erhalten. Der Tastgrad des PWM- Ausgangssignals eines in einem Pulsbreitenmodulator verwen deten Hochgeschwindigkeitsvergleichers kann sich einem Tastgrad von 0% bzw. 100% dichter nähern, bevor durch Verzö gerungszeitänderungen Nichtlinearitäten in der Beziehung zwischen V_C und V_PWM verursacht werden. Für Hochgeschwindig keitsvergleicher ist jedoch typischerweise eine wesentlich höhere Leistung und eine komplexere Schaltungsstruktur er forderlich als für einen Standardvergleicher.

Es wäre jedoch wünschenswert, einen Pulsbreitenmodula tor bereitzustellen, der über einen vollen Tastgradbereich im wesentliche konstante Verzögerungszeiten aufweist, ohne daß ein wesentlich höherer Leistungsbedarf entsteht und eine komplexe Schaltungsstruktur erforderlich ist.

Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Pulsbreitenmodulator bereitzustellen, der über einen vollen Tastgradbereich im wesentlichen konstante Verzöge rungszeiten aufweist, wobei kein wesentlich höherer Lei stungsverbrauch entsteht und keine komplexe Schaltung erfor derlich ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprü che gelöst.

Diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch einen Pulsbreitenmodulator gelöst, der mehrere Vergleicher, einen Multiplexer und mindestens einen Wellen formgenerator aufweist, der mehrere periodische Wellenform signale erzeugt. Jeder der mehreren Vergleicher überwacht eine Steuerspannung V_C und vergleicht sie mit einem der peri odischen Wellenformsignale. Jedes der periodischen Wellen formsignale ist bezüglich den anderen Wellenformsignalen verzögert.

Die Ausgänge der Vergleicher sind mit Eingängen der Multiplexer verbunden. Der Multiplexer wählt das Ausgangs signal eines der Vergleicher als PWM-Signal aus, wenn die Amplitude des diesem Vergleicher zugeführten periodischen Wellenformsignals nicht in der Nähe seines maximalen oder minimalen Spannungswerts liegt. Während dieses Zeitinter valls haben Übergänge des Ausgangssignals des ausgewählten Vergleichers im wesentlichen konstante Verzögerungszeiten.

Weil jede periodische Wellenform bezüglich den anderen periodischen Wellenformen zeitverzögert ist, wird während jedes Zyklus des PWM-Signals das Ausgangssignal nur eines Vergleichers als das PWM-Signal ausgewählt. Durch Verwendung mehrerer Vergleicher und periodischer Wellenformen ist der Multiplexer in der Lage, ein kombiniertes PWM-Signal zusam menzustellen, das das Ausgangssignal jedes Vergleichers nur dann verwendet, wenn dieser Vergleicher im wesentlichen kon stante Verzögerungszeiten aufweist. In der vorliegenden Er findung können Niedriggeschwindigkeitsvergleicher mit gerin ger Leistungsaufnahme verwendet werden, um ein PWM-Signal mit einem Tastgrad zu erhalten, der sich mit der Steuerspan nung über einen vollen Tastgradbereich verändert. Durch die vorliegende Erfindung werden außerdem Verfahren zum Erzeugen eines PWM-Signals mit einem Tastgrad bereitgestellt, der sich mit der Steuerspannung über einen vollen Tastgradbe reich ändert.

Die vorstehenden Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachstehenden ausführlichen Be schreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verdeutlicht, in denen gleiche Bezugszeichen die gleichen Strukturelemente bezeichnen; es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines herkömmlichen Pulsbrei tenmodulators;

Fig. 2 ein Zeitdiagramm von Signalen der herkömmlichen Schaltung von Fig. 1;

Fig. 3 ein Zeitdiagramm der Tastgradtransferfunktion eines PWM-Signals in der herkömmlichen Schaltung von Fig. 1;

Fig. 4A ein Blockdiagramm einer zur Erläuterung dienen den Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Pulsbreitenmodu lators;

Fig. 4B ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Wellenformgenerators von Fig. 4A;

Fig. 5 ein Zeitdiagramm exemplarischer Signale für die Schaltung von Fig. 4A;

Fig. 6 ein anderes Zeitdiagramm exemplarischer Signale für die Schaltung von Fig. 4A

Fig. 7 ein Blockdiagramm einer anderen zur Erläuterung dienenden Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Pulsbrei tenmodulators;

Fig. 8 ein Zeitdiagramm exemplarischer Signale für die Schaltung von Fig. 7;

Fig. 9 ein anderes Zeitdiagramm exemplarischer Signale für die Schaltung von Fig. 7;

Fig. 10 ein anderes Zeitdiagramm exemplarischer Signale für die Schaltung von Fig. 7; und

Fig. 11 ein anderes Zeitdiagramm exemplarischer Signale für die Schaltung von Fig. 7.

Fig. 4A zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsge mäßen linearen Pulsbreitenmodulationssystems 40. Die Schal tung 40 erzeugt ein PWM-Signal V_PWM von einem Steuerspan nungssignal V_C. Der Tastgrad von V_PWM ändert sich linear mit der Steuerspannung V_C.

Die Schaltung 40 (die eine integrierte Schaltung sein kann) weist einen Wellenformgenerator 48, Vergleicher 42 und 44 und einen Multiplexer 46 auf. Der Wellenformgenerator 48 erzeugt periodische Wellenformen V₁ und V₂, die den invertie renden Eingängen der Vergleicher 42 bzw. 44 zugeführt wer den. Den nicht-invertierenden Eingängen der Vergleicher 42 und 44 wird die Steuerspannung V_C zugeführt. Der Vergleicher 42 erzeugt ein Signal V_Z1 an einem Knoten 52, der mit einem ersten Eingang des Multiplexers 46 verbunden ist. Der Ver gleicher 44 erzeugt ein Signal V_Z2 an einem Knoten 54, der mit einem zweiten Eingang des Multiplexers 46 verbunden ist. Ein Auswahlsignal V_S wird dem S-Eingang des Multiplexers 46 zugeführt. Der Multiplexer 46 erzeugt das Ausgangssignal V_PWM an einem Knoten 56.

Beispiele der Signale V₁, V₂, V_C, V_S, V_Z1, V_Z2 und V_PWM sind in Fig. 5 dargestellt. V₁ und V₂ sind in diesem Beispiel asymmetrische Sägezahnwellenformsignale mit langsam steigen den und schnell abfallenden Flanken, die sich zwischen V_MAX und V_MIN ändern. Die Wellenformsignale V₁ und V₂ haben die gleiche Wellenform und die gleiche Frequenz, sie sind jedoch um 180° phasenverschoben. Der Wellenformgenerator 48 kann auch Sägezahnwellenformen mit schnell steigenden Flanken oder Sägezahnwellenformen mit nicht schnell steigenden und abfallenden Flanken erzeugen. Der Wellenformgenerator 50 in Fig. 4B ist ein mögliches Beispiel des Wellenformgenerators 48. Der Wellenformgenerator 50 erzeugt z. B. Sägezahnwellen formsignale V₁ und V₂ mit schnell abfallenden Flanken, wie in Fig. 5 dargestellt.

Der Wellenformgenerator 50 weist einen Taktsignalgene rator 60, Konstantstromquellen 61 und 64, Kondensatoren 62 und 65, n-Kanal-MOSFET-Transistoren 63 und 66, und monosta bile Schaltungen oder Monoflops (one shots) 67 und 68 auf. Die Konstantstromquelle 61 weist einen mit einer Versor gungsspannung V_CC verbundenen ersten Anschluß und einen mit einem ersten Anschluß des Kondensators 62, einer Drain- Elektrode des Transistors 63 und V₁ verbundenen zweiten An schluß auf. Der Kondensator 62 weist einen mit Masse verbun denen zweiten Anschluß auf, und der Transistor 63 weist eine mit Masse verbundene Source-Elektrode auf. Die Konstant stromquelle 64 weist einen mit der Versorgungsspannung V_CC verbundenen ersten Anschluß und einen mit einem ersten An schluß des Kondensators 65, einer Drain-Elektrode des Tran sistors 66 und V₂ verbundenen zweiten Anschluß auf. Der Kon densator 65 weist einen mit Masse verbundenen zweiten An schluß auf, und der Transistor 66 weist eine mit Masse ver bundene Source-Elektrode auf. Der Taktsignalgenerator 60 weist einen mit Eingangsanschlüssen der Monoflops 67 und 68 an einem Knoten 69 verbundenen Ausgangsanschluß auf. Der Monoflop 67 weist einen mit der Gate-Elektrode des Transi stors 63 verbundenen Ausgang auf, und der Monoflop 68 weist einen mit der Gate-Elektrode des Transistors 66 verbundenen Ausgang auf.

Der Taktsignalgenerator 60 erzeugt am Knoten 69 ein di gitales Rechteckimpuls-Taktsignal mit einem Tastgrad von 50%, das sich zwischen Zuständen HIGH und LOW ändert. Wäh rend jedes Zyklus des Taktsignals lädt die Konstantstrom quelle 61 den Kondensator 62 von V_MIN auf V_MAX auf, und die Konstantstromquelle 64 lädt den Kondensator 65 von V_MIN auf V_MAX auf. Wenn das Taktsignal den Zustand HIGH annimmt, schaltet das Signal am Ausgang des Monoflops 67 von LOW auf HIGH, wodurch der Transistor 63 eingeschaltet wird. Die Spannung V₁ des Kondensators 62 fällt dann von V_MAX auf V_MIN ab. Das Ausgangssignal des Monoflops 67 bleibt nur für eine kurze Zeitdauer (z. B. 1% der Zeitdauer, in der das Taktsi gnal am Knoten 69 auf dem Zustand HIGH bleibt) auf dem Zu stand HIGH. Das Ausgangssignal des Monoflops 67 geht dann in den Zustand LOW über, und der Transistor 63 schaltet ab. Die Konstantstromquelle 61 beginnt dann, den Kondensator 62 er neut auf V_MAX aufzuladen. Das Ausgangssignal des Monoflops 67 bleibt bis zur nächsten Anstiegsflanke des Taktsignals auf dem Zustand LOW.

Wenn das Taktsignal auf den Zustand LOW schaltet, schaltet das Signal am Ausgang des Monoflops 68 von LOW auf HIGH, wodurch der Transistor 66 eingeschaltet wird. Die Spannung V₂ des Kondensators 65 fällt dann von V_MAX auf V_MIN ab. Das Ausgangssignal des Monoflops 68 bleibt nur für eine kurze Zeitdauer (z. B. 1% der Zeitdauer, in der das Taktsi gnal am Knoten 69 auf dem Zustand LOW bleibt) auf dem Zu stand HIGH. Das Ausgangssignal des Monoflops 67 geht dann in den Zustand LOW über, und der Transistor 66 schaltet ab. Die Konstantstromquelle 64 beginnt nun erneut, den Kondensator 65 auf V_MAX aufzuladen. Das Ausgangssignal des Monoflops 68 bleibt bis zur nächsten abfallenden Flanke des Taktsignals auf dem Zustand LOW.

Das Auswahlsignal V_S ist beispielsweise ein digitales Signal mit einer Amplitude, die zwei Zustände annimmt (d. h. HIGH oder LOW), wie in Fig. 5 dargestellt. Das Signal V_S steuert, welches Signal (V_Z1 oder V_Z2) der Multiplexer 46 als das Signal V_PWM auswählt. Das Signal V_S veranlaßt den Multi plexer 46, V_Z1 als das Signal V_PWM auszuwählen, wenn V_S den Zu stand HIGH aufweist, und V_Z2 als das Signal V_PWM auszuwählen, wenn V_S den Zustand LOW aufweist.

V_Y ist der Wert von V₁, wenn V_S von HIGH auf LOW über geht, und der Wert von V₂, wenn V_S von LOW auf HIGH übergeht. V_X ist der Wert von V₁, wenn V_S von LOW auf HIGH übergeht. V_X ist der Wert von V₁, wenn V_S von LOW auf HIGH übergeht, und der Wert von V₂, wenn V_S von HIGH auf LOW übergeht. Die Schaltung 40 veranlaßt, daß der Tastgrad von V_PWM sich zwi schen 0% und 100% ändert, wenn V_C sich zwischen V_X und V_Y ändert.

Der Multiplexer 46 verbindet das Signal am Eingangskno ten 52 oder das Signal am Eingangsknoten 54 als Funktion des Auswahlsignals V_S mit dem Ausgangsknoten 56. Wenn V_S bei spielsweise den Zustand HIGH aufweist, verbindet der Multi plexer 46 das Ausgangssignal des Vergleichers 42 als das Si gnal V_PWM mit dem Ausgangsknoten 56, und wenn V_S den Zustand LOW aufweist, verbindet der Multiplexer 46 das Ausgangs signal des Vergleichers 44 als das Signal V_PWM mit dem Aus gangsknoten 56. Der Multiplexer 46 verbindet die Ausgangs signale der Vergleicher 42 und 44 für aufeinanderfolgende Zeitintervalle alternierend als das Signal V_PWM mit dem Kno ten 56. In einem Zyklus von V_S gleicht V_PWM für ein erstes Zeitintervall dem Ausgangssignal (V_Z1) des Vergleichers 42, und dann gleicht V_PWM für ein anschließendes zweites Zeitin tervall dem Ausgangssignal (V_Z2) des Vergleichers 44. Dieser Zyklus von V_S wiederholt sich periodisch. Jedes Zeitinter vall, während dem ein Ausgangssignal des Vergleichers 42 oder 44 mit dem Knoten 56 verbunden wird, entspricht einem Zyklus von V_PWM.

Das Signal V_S wählt V_Z1 als das Signal V_PWM aus, wenn der Vergleicher 42 sich in einem Betriebsbereich befindet, in dem V₁ zwischen V_X und V_Y liegt, und wählt das Signal V_Z2 als das Signal V_PWM aus, wenn der Vergleicher 44 sich in einem Betriebsbereich befindet, in dem V₂ zwischen V_X und V_Y liegt. Das Signal V_S wählt das Signal V_Z1 während Zeitperioden, in denen der Vergleicher 42 veränderliche Verzögerungszeiten t_PHL und t_PLH aufweist, vorzugsweise nicht als das Signal V_PWM aus. Die Verzögerungszeiten des Vergleichers 42 können sich ändern, wenn V₁ das Signal V_C kreuzt und einen Wert unter V_X oder über V_Y annimmt. Das Signal V_S wählt das Signal V_Z2 wäh rend Zeitperioden, in denen der Vergleicher 44 veränderliche Verzögerungszeiten t_PHL und t_PLH aufweist, vorzugsweise nicht als das Signal V_PWM aus. Die Verzögerungszeiten des Verglei chers 44 können sich ändern, wenn V₂ das Signal V_C kreuzt und einen Wert unter V_X oder über V_Y annimmt.

Es werden nur Änderungen in V_C zwischen V_X und V_Y ver wendet, um den Tastgrad von V_PWM zu ändern, weil die Verzöge rungszeiten der Vergleicher 42 und 44 relativ zueinander möglicherweise nicht konstant sind, wenn V_C kleiner ist als V_X oder größer als V_Y. Die Schaltung 40 stellt das Signal V_PWM bereit, das einen Tastgrad aufweist, der sich mit V_C linear ändert, wobei nur die Ausgangssignale der Vergleicher 42 und 44 während Zeitperioden verwendet werden, in denen ihre Ver zögerungszeiten t_PHL und t_PLH im wesentlichen konstant sind.

Fig. 5 zeigt Signalwellenformen der Schaltung 40, wobei die Signale V₁ und V₂ Sägezahnwellenformen mit schnell abfal lenden Flanken sind. An der Anstiegsflanke von V_S gleicht V₁ dem Signal V_X und steigt an, und V₂ gleicht V_Y und steigt an. Wenn V_S den Zustand HIGH aufweist, steigt V₁ von V_X auf V_Y an, und der Multiplexer 46 wählt V_Z1 als das Signal V_PWM aus. An der abfallenden Flanke von V_S gleicht V₂ dem Signal V_X und steigt an, und V₁ gleicht dem Signal V_Y und steigt an. Wenn V_S den Zustand LOW aufweist, steigt V₂ von V_X auf V_Y an, und der Multiplexer 46 wählt V_Z2 als das Signal V_PWM aus. Die Ver gleicher 42 und 44 der Schaltung 40 können Verzögerungszei ten t_PHL und t_PLH aufweisen, die sich ändern, wenn ihre ent sprechenden Eingangswellenformsignale V₁ und V₂ das Signal V_C kreuzen und einen Wert unter V_X oder über V_Y annehmen, weil die Ausgangssignale der Vergleicher 42 und 44 während dieser Zeitperioden nicht verwendet werden, um V_PWM zu erzeugen.

Fig. 5 zeigt auch eine Wellenform V_EFF, die eine effek tive Wellenform ist, die aus Abschnitten von V₁ und V₂ be steht, die verwendet werden, um V_PWM zu erzeugen. V_PWM hat den Zustand LOW, wenn die Wellenform V_EFF über V_C liegt, und V_PWM hat den Zustand HIGH, wenn die Wellenform V_EFF unter V_C liegt. Daher geht V_PWM in den Zustand LOW über, wenn V₁ oder V₂ auf einen Wert über V_C ansteigt. V_PWM geht in den Zustand HIGH über, wenn V_S vom Zustand LOW auf den Zustand HIGH oder vom Zustand HIGH auf den Zustand LOW übergeht.

Im Beispiel von Fig. 5 wird der Vergleicher 42 vorzugs weise so ausgewählt, daß er im wesentlichen konstante Verzö gerungszeiten t_PHL aufweist, wenn V_C zwischen V_X und V_Y liegt, und der Vergleicher 44 wird vorzugsweise so ausgewählt, daß er im wesentlichen konstante Verzögerungszeiten t_PHL auf weist, wenn V_C zwischen V_X und V_Y liegt. Der Vergleicher 42 befindet sich in einem Betriebsbereich, wenn V₁ und V_C zwi schen V_X und V_Y liegen, in dem t_PHL im wesentlichen konstant ist, weil HIGH→LOW-Übergänge in V_Z1 verwendet werden, um im Beispiel von Fig. 5 das Signal V_PWM zu erzeugen. Der Verglei cher 44 befindet sich in einem Operationsbereich, wenn V₂ und V_C zwischen V_X und V_Y liegen, in dem t_PHL im wesentlichen kon stant ist, weil HIGH→LOW-Übergänge in V_Z2 ebenfalls verwen det werden, um im Beispiel von Fig. 5 V_PWM zu erzeugen. Ver zögerungszeiten t_PLH der Vergleicher 42 und 44 müssen im Bei spiel von Fig. 5 zwischen V_X und V_Y nicht im wesentlichen konstant sein, weil LOW→HIGH-Übergänge in V_Z1 und V_Z2 nicht verwendet werden, um V_PWM zu erzeugen. V_Z1 sollte jedoch vom Zustand LOW auf den Zustand HIGH übergehen, bevor V_Z1 durch den Multiplexer 46 als das Signal V_PWM ausgewählt wird (wenn V₁ auf V_X ansteigt), und V_Z2 sollte vom Zustand LOW auf den Zustand HIGH übergehen, bevor V_PWM durch den Multiplexer 46 als das Signal V_PWM ausgewählt wird (wenn V₂ auf V_X ansteigt).

In weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfin dung können die LOW→HIGH-Übergänge der Signale V_Z1 und V_Z2 verwendet werden, um V_PWM zu erzeugen. Beispielsweise kann V_C den invertierenden Eingängen der Vergleicher 42 und 44 zuge führt werden, und V₁ und V₂ können den nicht-invertierenden Eingängen der Vergleicher 42 bzw. 44 zugeführt werden. Diese Ausführungsform der Erfindung funktioniert auf die gleiche Weise wie die Schaltung 40, außer daß die Polarität von V_PWM invertiert ist. In diesen Ausführungsformen sollten die Ver zögerungszeiten t_PLH der Vergleicher 42 und 44 relativ zuein ander im wesentlichen konstant sein, wenn V₁ und V₂ das Si gnal V_C zwischen V_X und V_Y kreuzen, um eine lineare Beziehung zwischen dem Tastgrad von V_PWM und V_C zu erhalten. Die LOW→HIGH-Übergänge in V_Z1 und V_Z2 können verwendet werden, um LOW→HIGH-Übergänge in V_PWM zu erzeugen, und die HIGH→LOW- Übergänge und die LOW→HIGH-Übergänge in V_S können verwendet werden, um die HIGH→LOW-Übergänge in V_PWM zu erzeugen. Die Verzögerungszeiten tpHL müssen relativ zueinander nicht im wesentlichen konstant sein, weil die HIGH→LOW-Übergänge von V_Z1 und V_Z2 nicht verwendet werden, um V_PWM zu erzeugen.

Der Tastgrad von V_PWM ändert sich zwischen 0% und 100%, wenn V_C sich zwischen V_X und V_Y ändert. Wenn V_C dem Wert V_Y gleicht, beträgt der Tastgrad von V_PWM 100%. Wenn V_C dem Wert V_X gleicht, beträgt der Tastgrad von V_PWM 0%. Der Tastgrad von V_PWM nimmt zu, wenn V_C zunimmt, und nimmt ab, wenn V_C abnimmt. Änderungen in V_C über V_Y oder unter V_X in Bereichen, in denen die Verzögerungszeiten t_PHL und t_PLH der Vergleicher 42 und 44 sich ändern, werden durch die Schaltung 40 ignoriert.

Wellenformsignale V₁ und V₂ können durch einen einzigen Wellenformgenerator oder durch mehrere Wellenformgeneratoren erzeugt werden. Die Wellenformsignale V₁ und V₂ können bei spielsweise asymmetrische Sägezahnwellenformen mit nicht schnell steigenden Flanken und schnell abfallenden Flanken sein (vergl. z. B. Fig. 5). Alternativ können V₁ und V₂ asym metrische Sägezahnwellenformen mit schnell steigenden Flan ken und nicht schnell abfallenden Flanken sein, oder asymme trische Sägezahnwellenformen mit nicht schnell steigenden Flanken und nicht schnell abfallenden Flanken sein (vergl. Fig. 6).

Asymmetrische Sägezahnwellenformen mit nicht schnell steigenden und abfallenden Flanken können in der beispiels weise in Fig. 6 dargestellten Schaltung 40 verwendet werden. Fig. 6 zeigt Beispiele von Signalen V₁', V₂'_, V_S, V_EFF und V_PWM. Die Sägezahnwellenformen V₁' oder V₂' können durch den Wel lenformgenerator 48 in Schaltung 40 erzeugt werden. Die Sä gezahnwellenformen V₁' und V₂' haben die gleiche Wellenform und die gleiche Frequenz, sie sind jedoch um 180° phasenver schoben. Die Vergleicher 42 und 44 haben im wesentlichen konstante Verzögerungszeiten t_PHL, wenn V₁ oder V₂ das Signal V_C zwischen V_X und V_Y kreuzt, weil die HIGH→LOW-Übergänge in V_Z1 und V_Z2 verwendet werden, um V_PWM zu erzeugen. V_PWM hat ei nen Tastgrad, der sich für alle Tastgrade von V_PWM linear mit V_C ändert.

Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können eine beliebige Zahl (größer als eins) von Verglei chern und eine gleiche Anzahl periodischer Wellenformsignale aufweisen. Fig. 7 zeigt einen erfindungsgemäßen Pulsbreiten modulator mit N Vergleichern und einem Wellenformgenerator, der N periodische Wellenformsignale erzeugt. Durch Verwen dung von mehr als zwei Vergleichern und periodischen Wellen formsignalen wird veranlaßt, daß der erfindungsgemäße Puls breitenmodulator einen schmaleren Bereich der Spitzen- Spitzen-Amplitude jedes periodischen Wellenformsignals ver wendet, um V_PWM zu erzeugen. Durch Verwendung eines schmale ren Bereichs der Spitzen-Spitzen-Amplitude der Wellenformsi gnale wird für Vergleicher, die Verzögerungszeiten t_PHL und t_PLH aufweisen können, die sich außerhalb dieses schmalen Be reichs wesentlich ändern können, ein PWM-Signal mit einem Tastgrad bereitgestellt, der sich linear mit V_C ändert.

Die Schaltung 70 weist N Vergleicher (74 ₁, 74 ₂, . . ., 74 _N, einen Wellenformgenerator 72, der N periodische Wellen formsignale (V₁, V₂, . . ., V_N) erzeugt, und einen Multiplexer 78 mit N Eingängen auf. In weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann eine beliebige Anzahl von Wel lenformgeneratoren verwendet werden, um N periodische Wel lenformsignale an den Eingängen der N Vergleicher zu erzeu gen. Beispielsweise können N Wellenformgeneratoren, die je weils eine periodische Wellenform mit der gleichen Wellen form erzeugen, durch ein Taktsignal mit N Zuständen synchro nisiert werden, so daß die Wellenformen relativ zueinander um 360°/N phasenverschoben sind.

Der Wellenformgenerator 72 führt den invertierenden Eingängen der Vergleicher 74 ₁, 74 ₂, . . ., 74 _N periodische Wel lenformsignale V₁, V₂, . . ., V_N zu. Das Signal V_C wird den nicht-invertierenden Eingängen der Vergleicher 74 ₁, 74 ₂, . . ., 74 _N zugeführt. Die Vergleicher 74 ₁, 74 ₂, . . ., 74 _N führen Ein gängen 77 ₁, 77 ₂, . . ., 77 _N des Multiplexers 78 Signale V_Z1, V_Z2, . . ., V_ZN zu. Das Auswahlsignal V_Swird dem S-Eingang des Mul tiplexers 78 zugeführt. Der Multiplexer 78 stellt das Si gnal V_PWM am Ausgangsknoten 79 bereit.

Der Multiplexer kann Knoten 76 ₁, 76 ₂, . . ., 76 _Noder ande re Knoten mit dem Knoten 79 verbinden. Das Auswahlsignal V_S ist ein periodisches Signal, das dem Multiplexer 78 anzeigt, wenn die Knoten 76 ₁, 76 ₂, . . ., 76 _N oder andere Knoten mit dem Ausgangsknoten 79 verbunden werden sollen. Daher zeigt V_S dem Multiplexer 78 an, wenn die Ausgangssignale eines der Ver gleicher 74 ₁, 74 ₂, . . ., 74 _N oder anderer Vergleicher (die Si gnale V_Z1, V_Z2, . . ., oder V_ZN) als das Signal Vausgewählt werden sollen. Der Multiplexer 78 wählt die Ausgangssignale der Vergleicher 74 ₁, 74 ₂, . . ., 74 _Nund anderer Vergleicher für aufeinanderfolgende Zeitintervalle alternierend als das Si gnal V_PWM aus, wie durch V_S angezeigt wird. In einem Zyklus von V_S gleicht V_PWM dem Signal V_Z1, dann für aufeinanderfolgen de Zeitintervalle den Signalen V_Z2, . . ., und V_ZN. Der Zyklus von V_S wiederholt sich periodisch. Jedes der sich wiederho lenden Zeitintervalle, während denen ein Ausgang eines der Vergleicher 74 ₁, 74 ₂, . . ., 74 _N oder anderer Vergleicher mit dem Knoten 79 verbunden ist, entspricht einem Zyklus von V_PWM.

Beispiele der Signale V₁, V₂, . . ., V_N sind in den Fig. 8-11 für verschiedene Werte von N dargestellt. Die Signale V₁, V₂, . . ., V_N sind periodische Wellenformen, die sich zwi schen V_MAX und V_MIN ändern. Die Wellenformsignale V₁, V₂, . . ., V_N sind relativ zueinander um 360°/N phasenverschoben. Wie in den Fig. 8-11 dargestellt, wählt das Signal V_S das Aus gangssignal des Vergleichers 74 ₁ als das Signal V_PWM aus, wenn V₁ zwischen V_X und V_Y liegt. Das Signal V_S wählt das Ausgangs signal des Vergleichers 74 ₂ als das Signal V_PWM aus, wenn V₂ zwischen V_X und V_Y liegt. Das Signal V_S wählt das Ausgangs signal des Vergleichers 74 _N als das Signal V_PWM aus, wenn V_N zwischen V_X und V_Y liegt.

Das Signal V_S wählt vorzugsweise nicht das Ausgangs signal des Vergleichers 74 ₁, 74 ₂, . . ., 74 _N oder anderer Ver gleicher während Zeitperioden als das Signal V_PWM aus, in de nen dieser Vergleicher sich ändernde Verzögerungszeiten (tpHL und t_PLH) aufweist. Die Vergleicher der Schaltung 70 können sich ändernde Verzögerungszeiten aufweisen, wenn die peri odische Wellenform (V₁, V₂, . . ., V_N) das Signal V_C kreuzt und einen Wert über V_Y oder unter V_X annimmt. Die Schaltung 70 stellt das PWM-Signal V_PWM mit einem Tastgrad bereit, der sich linear mit V_C ändert, wobei die Ausgangssignale der Ver gleicher nicht während Zeitperioden verwendet werden, in de nen ihre Verzögerungszeiten t_PHL und t_PLH sich ändern, um V_PWM zu erzeugen.

Das Auswahlsignal V_S veranlaßt den Multiplexer 78, das Ausgangssignal eines Vergleichers für eine Zeitdauer, in der das durch diesen Vergleicher empfangene Wellenformsignal ei nen Wert zwischen V_X und V_Y hat, als das Signal V_PWM auszuwäh len, so daß der Tastgrad von V_PWM sich linear mit V_C ändert. Die Schaltung 70 kombiniert dadurch die Ausgangssignale al ler N Vergleicher, um ein kombiniertes oder Verbund-PWM- Signal zu erzeugen, das sich für alle Tastgrade von V_PWM li near mit V_C ändert. Das Signal V_S kann ein einzelnes Signal mit mindestens N Zuständen sein oder ein digitales Mehrbit- Signal, das für mindestens N verschiedene Zustände codiert ist.

Die N periodischen Wellenformsignale (V₁, V₂, . . ., V_N) in der Schaltung 70 können asymmetrische Sägezahnwellenfor men mit schnell abfallenden Flanken, asymmetrische Sägezahn wellenformen mit schnell steigenden Flanken (vergl. z. B. Fig. 9) oder asymmetrische Sägezahnwellenformen mit nicht schnell steigenden und abfallenden Flanken sein. Die peri odischen Wellenformsignale der Schaltung 70 können auch sym metrische Dreieckswellenformsignale sein, wobei N ≧ 3 ist (vergl. z. B. Fig. 8).

Signale einer Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung, in der die Schaltung 70 verwendet wird, wobei N = 3 ist, sind in Fig. 8 dargestellt. Die Schaltung 70 kann eine N = 3-Schaltung mit drei Vergleichern 74 ₁, 74 ₂ und 74 ₃, die an ihren Ausgängen Signale V_Z1. V_Z2 bzw. V_Z3 erzeugen; drei peri odischen Wellenformsignalen (V₁, V₂ und V₃); und einem Multi plexer 78 mit drei Eingängen sein, die mit den Ausgängen je des der Vergleicher verbunden sind. Beispiele der Signale V₁, V₂, V₃, V_S, V_Z1, V_Z2, V_Z3, V_EFF und V_PWM sind in Fig. 8 dar gestellt. Die Signale V₁, V₂ und V₃ können beispielsweise symmetrische Dreieckswellenformen sein, die sich zwischen V_MAX und V_MIN ändern. Die Signale V₁, V₂ und V₃ haben jeweils die gleiche Wellenform, die gleiche Frequenz und eine Peri ode, die der dreifachen gewünschten Periode von V_PWM ent spricht. Die Signale V₁, V₂ und V₃ sind relativ zueinander um 1/3 ihrer Periode versetzt, so daß Maximalspannungen V_MAX an gleich beabstandeten Zeitintervallen auftreten. Die Wellen formsignale V₁, V₂ und V₃ sind um 120° phasenverschoben.

Das Auswahlsignal V_S kann beispielsweise ein einzelnes Signal mit drei Pegeln L1, L2 und L3 sein. Das Signal V_S be stimmt, welches der Signale V_Z1, V_Z2 und V_Z3 durch den Multi plexer 78 für ein vorgegebenes Zeitintervall als das Signal V_PWM ausgewählt wird. In der Ausführungsform von Fig. 8 ver wendet die Schaltung 70 periodisch jedes der Ausgangssignale V_Z1, V_Z2 und V_Z3 der Vergleicher 74 ₁, 74 ₂ und 74 ₃, um das Si gnal V_PWM zu erzeugen, wenn das entsprechende Eingangswellen formsignal V₁, V₂ und V₃ dieses Vergleichers zwischen V_X und V_Y ansteigt oder abfällt. Das Signal V_S veranlaßt den Multi plexer 78, V_Z2 als das Signal V_PWM auszuwählen, wenn V_S dem Pegel L2 gleicht. Wenn V_S dem Pegel L2 gleicht, befindet sich der Vergleicher 74 ₂ in einem Betriebsbereich, so daß V₂ zwischen V_X und V_Y ansteigt oder abfällt. Das Signal V_S ver anlaßt den Multiplexer 78, V_Z1 als das Signal V_PWM auszuwäh len, wenn V_S dem Pegel L1 gleicht. Wenn V_S dem Pegel L1 gleicht, befindet sich der Vergleicher 74 ₁ in einem Be triebsbereich, so daß V₁ zwischen V_X und V_Y ansteigt oder ab fällt. Das Signal V_S veranlaßt den Multiplexer 78, V_Z3 als das Signal V_PWM auszuwählen, wenn V_S dem Pegel L3 gleicht. Wenn V_S dem Pegel L3 gleicht, befindet sich der Vergleicher 74 ₃ in einem Betriebsbereich, so daß V₃ zwischen V_X und V_Y ansteigt oder abfällt. Beispielsweise wählt das Signal V_S das Signal V_Z2, dann das Signal V_Z1 und dann das Signal V_Z3 nicht sequentiell als das Signal V_PWM aus, wie in Fig. 8 dar gestellt.

Die Vergleicher 74 ₁, 74 ₂ und 74 ₃, der Schaltung 70 kön nen Verzögerungszeiten t_PHL und t_PLH aufweisen, die sich rela tiv zueinander ändern, wenn ihre entsprechenden Eingangswel lenformsignale V₁, V₂ oder V₃ das Signal V_C kreuzen und einen Wert unter V_X oder über V_Y annehmen, weil die Ausgangssignale der Vergleicher 74 ₁, 74 ₂ und 74 ₃ während dieser Zeitperioden nicht verwendet werden, um V_PWM zu erzeugen. Die Schaltung 70 verwendet keine Änderungen in V_C über V_Y oder unter V_X, um den Tastgrad von V_PWM zu ändern. Die Vergleicher 74 ₁, 74 ₂ und 74 ₃ werden so ausgewählt, daß sie im wesentlichen konstante Verzögerungszeiten t_PHL und t_PLH aufweisen, wenn V_C sich zwi schen V_X und V_Y befindet, weil LOW→HIGH-Übergänge und HIGH→LOW-Übergänge in V_Z1, V_Z2 und V_Z3 verwendet werden, um zu erzeugen. Die Schaltung 70 veranlaßt, daß der Tastgrad von V_PWM sich zwischen 0% und 100% ändert, wenn V_C sich zwischen V_X und V_Y ändert.

Fig. 8 zeigt eine Dreieckswellenform V_EFF, die eine aus Abschnitten von V₁, V₂ und V₃ gebildete, effektive Wellenform darstellt, die verwendet wird, um V_PWM zu erzeugen. V_PWM hat den Zustand LOW, wenn die Wellenform V_EFF über V_C liegt, und V_PWM hat den Zustand HIGH, wenn die Wellenform V_EFF unter V_C liegt. Der Tastgrad von V_PWM ändert sich zwischen 0% und 100%, wenn V_C sich zwischen V_X und V_Y ändert. Wenn V_C gleich V_Y ist, beträgt der Tastgrad von V_PWM 100%. Wenn V_C gleich V_X ist, beträgt der Tastgrad von V_PWM 0%. Der Tastgrad von V_PWM nimmt zu, wenn V_C zunimmt, und ab, wenn V_C abnimmt. Änderun gen in V_C auf einen Wert über V_Y oder unter V_X in Bereichen, in denen die Verzögerungszeiten t_PHL und t_PLH der Vergleicher 74 ₁, 74 ₂ und 74 ₃ sich ändern können, werden durch die Schal tung 70 ignoriert.

In einer weiteren Ausführungsform der Schaltung 70 kön nen die Signale V₁, V₂ und V₃ Dreieckswellenformsignale sein, und das Signal V_S kann sequentiell V_Z1, dann V_Z2 und dann V_Z3 als das Signal V_PWM auswählen. In dieser Ausführungsform ist V_EFF ein Sägezahnwellenformsignal mit einer schnell abfallen den Flanke. In dieser Ausführungsform müssen lediglich die Verzögerungszeiten t_PHL der Vergleicher 74 ₁, 74 ₂ und 74 ₃ im wesentlichen konstant sein, um eine lineare Beziehung zwi schen V_C und dem Tastgrad von V_PWM zu erhalten.

Fig. 9 zeigt Beispiele von vier periodischen Sägezahn wellenformsignalen V₁, V₂, V₃ und V₄ mit langsam abfallenden Flanken und das PWM-Signal V_PWM für die Schaltung 70, wobei N = 4 ist (Fig. 7). Die Signale V₁, V₂, V₃ und V₄ ändern sich zwischen V_MAX und V_MIN, und alle Signale haben die gleiche Wellenform, die gleiche Frequenz und eine Periode, die der vierfachen gewünschten Periode von V_PWM entspricht. Die Wel lenformsignale V₁, V₂, V₃ und V₄ sind relativ zueinander um 90° phasenverschoben.

Die Signale V_Z1, V_Z2, V_Z3 und V_Z4 der Vergleicher 74 ₁, 74 ₂ und 74 ₃ und 74 ₄ werden durch das Auswahlsignal V_S für ein Zeitintervall (select V₁, select V₂, select V₃, select V₄ in Fig. 9), in dem das Eingangswellenformsignal dieses Verglei chers (V₁, V₂, V₃ und V₄) von V_Y auf V_X abnimmt, als das Si gnal V_PWM ausgewählt. Das Auswahlsignal V_S veranlaßt den Mul tiplexer 78, den Ausgang eines Vergleichers mit dem Aus gangsknoten 79 zu verbinden, wenn das durch diesen Verglei cher empfangene periodische Wellenformsignal auf V_Y abnimmt. Der Multiplexer 78 unterbricht die Verbindung des Ausgangs dieses Vergleichers mit dem Knoten 79, wenn das durch den Vergleicher empfangene Wellenformsignal auf V_X abnimmt. Die Wellenformsignale V₁, V₂, V₃ und V₄ sind zeitlich gleichmäßig beabstandet, so daß, wenn eine periodische Wellenform auf V_X abnimmt, die nächste periodische Wellenform auf V_Y abnimmt.

V_EFF ist eine Sägezahnwellenform mit einer schnell an steigenden Flanke, wie in Fig. 9 dargestellt. V_EFF ändert sich zwischen V_X und V_Y. V_PWM hat den Zustand LOW, wenn V_EFF größer ist als V_C, und den Zustand HIGH, wenn V_EFF kleiner ist als V_C.

Die Vergleicher 74 ₁, 74 ₂ und 74 ₃ und 74 ₄ in der Schal tung 70 haben im wesentlichen konstante Verzögerungszeiten t_PHL, wenn das dem Vergleicher zugeführte Wellenformsignal von V_Y auf V_X abnimmt, weil die LOW→HIGH-Übergänge in V_Z1, V_Z2, V_Z3 und V_Z4 verwendet werden, um V_PWM zu erzeugen. Die HIGH→LOW-Übergänge in V_PWM werden durch die Übergänge in V_S erzeugt. Daher müssen die Verzögerungszeiten t_PHL für die Vergleicher 74 ₁, 74 ₂ und 74 ₃ und 74 ₄ relativ zueinander nicht im wesentlichen konstant sein, weil die HIGH→LOW-Übergänge in V_Z1, V_Z2, V_Z3 und V_Z4 nicht verwendet werden, um V_PWM zu er zeugen. Jeder der Vergleicher 74 ₁, 74 ₂ und 74 ₃ und 74 ₄ sollte Verzögerungszeiten t_PHL aufweisen, die kleiner sind als das Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt, wenn die Eingangswel lenform des Vergleichers über V_C ansteigt, und dem Zeit punkt, wenn das Ausgangssignal dieses Vergleichers anschlie ßend als das Signal V_PWM ausgewählt wird. Die Vergleicher 74 ₁, 74 ₂ und 74 ₃ und 74 ₄ können sich ändernde Verzögerungs zeiten aufweisen, wenn ihre Wellenformsignale V_C kreuzen und Werte über V_Y oder unter V_X annehmen.

Unter Verwendung von mehr Wellenformsignalen und mehr Vergleichern in der Schaltung 70 kann die Spannungsdifferenz zwischen V_X und V_Y reduziert werden. Wenn die in der Schal tung 70 verwendeten Vergleicher im wesentlichen konstante Verzögerungszeiten nur in einem schmalen Bereich aufweisen, wenn V_C das Wellenformsignal kreuzt, kann die Anzahl von Vergleichern und periodischen Wellenformsignalen in der Schaltung 70 erhöht werden, so daß nur der lineare Bereich jedes Vergleichers verwendet wird, um V_PWM zu erzeugen. Durch Verwendung von mehr Vergleichern und mehr Wellenformsignalen wird außerdem ein PWM-Signal mit einer größeren Frequenz be reitgestellt, ohne daß die Frequenz der periodischen Wellen formsignale zunimmt. Durch Erhöhen der Anzahl von Verglei chern und periodischen Wellenformen nehmen jedoch der Schal tungsaufwand und der Leistungsverbrauch zu.

In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Er findung können sinusförmige Wellenformen als periodische Wellenformen verwendet werden, wie in Fig. 10 dargestellt. Sinus- oder Kosinuswellenformen, die zwischen V_Y und V_X im wesentlichen linear sind (z. B. die in Fig. 10 dargestellten Wellenformen), erzeugen ein im wesentlichen lineares PWM- Signal. Fig. 10 zeigt ein Beispiel von VPS, das unter Ver wendung der Schaltung 70 mit vier sinusförmigen Wellenformen V₁, V2, V₃ und V₄ und vier Vergleichern erhalten wurde (N = 4). In Verbindung mit der Schaltung von Fig. 7 kann jedoch eine beliebige Anzahl N von sinusförmigen Wellenformen und Vergleichern verwendet werden. Gemäß Fig. 10 weist die Schaltung 70 einen Wellenformgenerator, der vier sinusförmi ge periodische Wellenformen erzeugt (V₁, V₂, V₃ und V₄), vier Vergleicher 74 ₁, 74 ₂ und 74 ₃ und 74 ₄ und einen Multiplexer 78 mit vier Eingängen auf. Alle Wellenformen V₁, V₂, V₃ und V₄ haben die gleiche Form, die gleiche Frequenz und eine Peri ode, die der vierfachen Periode von V_PWM gleicht. Die Wellen formsignale V₁, V₂, V₃ und V₄ sind relativ zueinander um 90° phasenverschoben.

Durch das Auswahlsignal V_S wird bestimmt, wenn ein Aus gangssignal des Vergleichers als das Signal V_PWM ausgewählt wird. Die in Fig. 10 dargestellten vier Auswahlintervalle (select V₁, select V₂, select V₃ und select V₄) entsprechen den Zeitintervallen, in denen jedes sinusförmige Wellenform signal das Signal V_PWM bestimmt. Das Auswahlsignal V_S veran laßt den Multiplexer 78, den Ausgang jedes der vier Verglei cher für das Zeitintervall, in dem das durch diesen Verglei cher empfangene Wellenformsignal (V₁, V₂, V₃ und V₄) von V_X auf V_Y ansteigt, sequentiell mit dem Knoten 79 zu verbinden.

In der Ausführungsform von Fig. 10 werden die Verglei cher 74 ₁, 74 ₂ und 74 ₃ und 74 ₄ so ausgewählt, daß sie im we sentlichen konstante Verzögerungszeiten t_HPL aufweisen, wenn das Eingangswellenformsignal dieses Vergleichers V_C kreuzt, während es von V_X auf V_Y ansteigt. Der Tastgrad von V_PWM än dert sich linear mit V_C, wenn die Verzögerungszeiten t_PHL der Vergleicher im wesentlichen konstant sind, wenn V_C das Ein gangswellenformsignal (V₁, V₂, V₃ oder V₄) zwischen V_X und V_Y kreuzt, weil die HIGH→LOW-Übergänge der Ausgangssignale (V_Z1, V_Z2, V_Z3 und V_Z4) des Vergleichers verwendet werden, um V_PWM zu erzeugen. Die LOW→HIGH-Übergänge in V_PWM treten am Beginn jedes Auswahlintervalls auf, wie in Fig. 10 darge stellt.

In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Er findung können periodische Widerstand/Kondensator-(RC-) Wellenformsignale verwendet werden, um das Signal V_PWM zu er zeugen, wie in Fig. 11 dargestellt. Die RC-Wellenformsignale werden durch den Anstieg bzw. die Abnahme eines Spannungspe gels eines Kondensators erzeugt, der unter Verwendung eines durch den Widerstand geleiteten Stroms aufgeladen wird. Mit einer größeren Anzahl von Wellenformsignalen (z. B. N = 6 in der Schaltung 70) wird nur ein sehr schmales Band jedes RC- Wellenformsignals zwischen V_X und V_Y verwendet, um das Signal V_PWM zu erzeugen, wie in Fig. 11 dargestellt. Dieses schmale Band ist ein relativ linearer Bereich der periodischen RC- Wellenformsignale. Wenn V_X und V_Y zu weit voneinander beab standet sind, kann V_PWM einen Tastgrad aufweisen, der auf grund der Krümmung der periodischen RC-Wellenformsignale be züglich V_C unerwünscht nicht linear ist.

Fig. 11 zeigt ein Beispiel der Schaltung 70 mit sechs periodischen Wellenformsignalen mit langsam steigenden Flan ken, die als Signale V₁, V₂, V₃, V₄, V₅ und V₆ dargestellt sind. In Verbindung mit der Schaltung von Fig. 7 kann jedoch eine beliebige Anzahl N von RC-Wellenformen und Vergleichern verwendet werden. Jedes der Wellenformsignale V₁, V₂, V₃, V₄, V₅ und V₆ in Fig. 11 hat die gleiche Wellenform, die gleiche Frequenz und eine Periode, die der sechsfachen Periode von V_PWM gleicht. Die Wellenformsignale V₁, V₂, V₃, V₄, V₅ und V₆ sind relativ zueinander um 60° phasenverschoben.

Die Schaltung 70 (N = 6) kann verwendet werden um V_PWM zu erzeugen, wie in Fig. 11 dargestellt. Die Schaltung 70 kann aufweisen: sechs Vergleicher 74 ₁, 74 ₂, 74 ₃, 74 ₄, 74 ₅ und 74 ₆; einen Wellenformgenerator, der 6 periodische Wellen formsignale V₁, V₂, V₃, V₄, V₅ und V₆ erzeugt; und einen Mul tiplexer 78 mit 6 Eingängen. Das Ausgangssignal jedes Ver gleichers wird durch das Auswahlsignal V_S für ein Zeitinter vall, in dem das durch diesen Vergleicher empfangene peri odische Wellenformsignal während des entsprechenden, in Fig. 11 dargestellten Auswahlintervalls von V_X auf V_Y ansteigt, sequentiell als das Signal V_PWM ausgewählt. Jedes Verglei cherausgangssignal hat im wesentlichen konstante Verzöge rungszeiten t_PHL, wenn es durch V_S als das Signal V_PWM ausge wählt wird, weil die HIGH→LOW-Übergänge in den Ausgangs signalen (V_Z1, V_Z2, V_Z3, V_Z4, V_Z5 und V_Z6) der Vergleicher ver wendet werden, um V_PWM zu erzeugen. Die sechs durch V_S be stimmten Auswahlzeitintervalle wiederholen sich in der in Fig. 11 dargestellten Folge periodisch. Die LOW→HIGH- Übergänge in P_PWM treten am Beginn jedes Auswahlintervalls auf. V_EFF ist die effektive Wellenform, die sich zwischen V_X und V_Y ändert.

Für Fachleute ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Schaltung innerhalb des durch die beigefügten Patentansprü che definierten Schutzumfangs der Erfindung auch unter Ver wendung von von den vorstehend dargestellten und diskutier ten Schaltungskonfigurationen verschiedenen Schaltungskonfi gurationen realisierbar ist.

Claims

1. Verfahren zum Bereitstellen eines Pulsbreitenmodulati onssignals mit einem Tastgrad an einem Ausgang eines Pulsbreitenmodulators, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Zuführen eines zum Ändern des Tastgrads des Puls breitenmodulationssignals verwendeten Steuersignals zu einem ersten Eingangsknoten jeder von mehreren (N) Ver gleicherschaltungen;
Zuführen von mehreren (N) periodischen Wellenfor men zu einem zweiten Eingangsknoten der N Vergleicher schaltungen, wobei jede der mehrerem periodischen Wel lenformen im wesentlichen die gleiche Wellenform auf weist und die Wellenformen um 360°/N relativ zueinander phasenverschoben sind;
Vergleichen des Steuersignals mit jeder der N pe riodischen Wellenformen unter Verwendung der N Verglei cherschaltungen, um N Vergleicherausgangssignale zu er zeugen; und
Kombinieren der N Vergleicherausgangssignale, um das Pulsbreitenmodulationssignal zu erzeugen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kombinieren der N Vergleicherausgangssignale ferner aufweist: Kombinieren der N Vergleicherausgangssignale unter Verwendung einer Multiplexerschaltung mit N Eingangsknoten, denen die N Vergleicherausgangssignale zugeführt werden, und mit einem Ausgangsknoten, an dem das Pulsbreitenmodulati onssignal bereitgestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Kombinieren der N Vergleicherausgangssignale ferner aufweist: sequentiel les Verbinden der N Eingangsknoten der Multiplexer schaltung mit dem Ausgangsknoten der Multiplexerschal tung.

4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Kombinieren der N Vergleicherausgangssignale ferner aufweist: nicht sequentielles Verbinden der N Eingangsknoten der Multi plexerschaltung mit dem Ausgangsknoten der Multiplexer schaltung.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei der Tastgrad des Pulsbreitenmodulationssignals bezüglich des Steuersignals im wesentlichen linear ist.

6. Verfahren zum Bereitstellen eines Pulsbreitenmodulati onssignals an einem Ausgangsknoten eines Pulbreitenmo dulators, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Zuführen eines ersten Steuersignals an einem er sten Steuersignalknoten zu einem ersten Eingangsknoten jeder von mehreren (N) Vergleicherschaltungen, wobei die N Vergleicherschaltungen jeweils einen Betriebsbe reich und einen Ausgangsknoten aufweisen;
Zuführen mehrerer (N) periodischer Wellenformen zu einem zweiten Eingangsknoten einer entsprechenden der N Vergleicherschaltungen, wobei die N periodischen Wel lenformen im wesentlichen die gleiche Wellenform auf weisen und relativ zueinander um 360°/N phasenverscho ben sind;
Verbinden der mehreren (N) Ausgangsknoten der Ver gleicherschaltungen mit einem entsprechenden von N Ein gangsknoten einer Multiplexerschaltung;
Zuführen eines zweiten Steuersignals zu einem Steuersignalknoten der Multiplexerschaltung, wobei das zweite Steuersignal N Zustände aufweist, wobei jeder Zustand anzeigt, welche der N Vergleicherschaltungen in dem Betriebsbereich arbeitet; und
Verbinden eines der N Eingangsknoten der Multiple xerschaltung mit einem Ausgangsknoten der Multiplexer schaltung basierend auf dem Zustand des zweiten Steuer signals, wobei der Ausgangsknoten der Multiplexerschal tung mit dem Ausgangsknoten des Pulsbreitenmodulators verbunden ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Verbinden des ei nen der N Eingangsknoten der Multiplexerschaltung mit dem Ausgangsknoten der Multiplexerschaltung ferner das sequentielle Verbinden der N Eingangsknoten der Multi plexerschaltung mit dem Ausgangsknoten der Multiplexer schaltung aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Verbinden des ei nen der N Eingangsknoten der Multiplexerschaltung mit dem Ausgangsknoten der Multiplexerschaltung ferner das nicht-sequentielle Verbinden der N Eingangsknoten der Multiplexerschaltung mit dem Ausgangsknoten der Multi plexerschaltung aufweist.

9. Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, wobei die mehreren (N) Vergleicher in ihrem entsprechenden Betriebsbereich jeweils im wesentlichen konstante Verzögerungszeiten aufweisen.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die mehreren (N) Vergleicher aus zwei Vergleichern bestehen und N = 2 ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die mehreren (N) Vergleicher aus drei Vergleichern bestehen und N = 3 ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die N periodischen Wellenformen sinusförmige Wellenformen sind.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die N periodischen Wellenformen RC-Wellenformen sind.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die N periodischen Wellenformen Sägezahnwellenformen sind.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die N periodischen Wellenformen Dreieckswellenformen sind.

16. Pulsbreitenmodulatorschaltung zum Erzeugen eines puls breitenmodulierten Signals an einem Ausgangsknoten ei nes Pulsbreitenmodulators von einem ersten und einem zweiten Steuersignal an einem ersten bzw. einem zweiten Steuersignalknoten, wobei das zweite Steuersignal N Zu stände aufweist, wobei die Pulsbreitenmodulatorschal tung aufweist:
eine Einrichtung zum Erzeugen mehrerer (N) peri odischer Wellenformen an einem entsprechenden von meh reren (N) Wellenformsignalknoten, wobei die N periodi schen Wellenformen im wesentlichen die gleiche Wellen form aufweisen und relativ zueinander um 360°/N phasen verschoben sind;
mehrere (N) Vergleicher, die jeweils einen Be triebsbereich, einen mit dem ersten Steuersignalknoten verbundenen ersten Eingang und einen mit einem entspre chenden der N Wellenformsignalknoten verbundenen zwei ten Eingang aufweisen und ein Ausgangssignal an einem Vergleicherausgangsknoten bereitstellen; und
eine Multiplexerschaltung mit N Eingangssignalkno ten, die jeweils mit einem entsprechenden der N Ver gleicherausgangsknoten verbunden sind, einem mit dem zweiten Steuersignalknoten verbundenen Multiplexersteu erknoten und einem mit dem Pulsbreitenmodulatoraus gangsknoten verbundenen Multiplexerausgangsknoten, wo bei die Multiplexerschaltung einen der N Eingangs signalknoten basierend auf dem Zustand des zweiten Steuersignals, der anzeigt, daß einer der N Vergleicher im Betriebsbereich arbeitet, mit dem Multiplexeraus gangsknoten verbindet.

17. Pulsbreitenmodulatorschaltung zum Erzeugen eines puls breitenmodulierten Signals an einem Ausgangsknoten ei nes Pulsbreitenmodulators von einem ersten und einem zweiten Steuersignal an einem ersten bzw. einem zweiten Steuersignalknoten, und zum Erzeugen mehrerer (N) peri odischer Signale an einem entsprechenden von mehreren (N) Signalknoten, wobei die N periodischen Signale im wesentlichen die gleiche Wellenform aufweisen und rela tiv zueinander um 360°/N phasenverschoben sind, wobei das zweite Steuersignal N Zustände aufweist, wobei der Pulsbreitenmodulator aufweist:
mehrere (N) Vergleicher, die jeweils einen Be triebsbereich aufweisen, einen mit dem ersten Steuersi gnalknoten verbundenen ersten Eingang und einen mit ei nem entsprechenden der N Signalknoten verbundenen zwei ten Eingang und ein Ausgangssignal an einem Verglei cherausgangsknoten bereitstellen;
eine Multiplexerschaltung mit N Eingangssignalkno ten, die jeweils mit einem entsprechenden der N Ver gleicherausgangsknoten verbunden sind, einem mit dem zweiten Steuersignalknoten verbundenen Multiplexersteu erknoten und einem mit dem Ausgangsknoten des Pulsbrei tenmodulators verbundenen Multiplexerausgangsknoten, wobei die Multiplexerschaltung einen der N Eingangs signalknoten basierend auf dem Zustand des zweiten Steuersignals, der anzeigt, daß einer der N Vergleicher im Betriebsbereich arbeitet, mit dem Multiplexeraus gangsknoten verbindet.

18. Schaltung nach Anspruch 16 oder 17, wobei die Multiple xerschaltung jeden der N Eingangssignalknoten basierend auf dem Zustand des zweiten Steuersignals sequentiell mit dem Multiplexerausgangsknoten verbindet.

19. Schaltung nach Anspruch 16 oder 17, wobei die Multiple xerschaltung jeden der N Eingangssignalknoten basierend auf dem Zustand des zweiten Steuersignals nicht sequentiell mit dem Multiplexerausgangsknoten verbin det.

20. Schaltung nach Anspruch 16, 17, 18 oder 19, wobei die mehreren (N) Vergleicher in ihren entsprechenden Be triebsbereichen jeweils konstante Verzögerungszeiten aufweisen.

21. Schaltung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei die mehreren (N) Vergleicher aus zwei Vergleichern bestehen und N = 2 ist.

22. Schaltung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei die mehreren (N) Vergleicher aus drei Vergleichern bestehen und N = 3 ist.

23. Schaltung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, wobei die Pulsbreitenmodulatorschaltung eine integrierte Schal tung ist.

24. Schaltung nach einem der Ansprüche 16 bis 2, wobei die N periodischen Signale sinusförmige Signale sind.

25. Schaltung nach einem der Ansprüche 16 bis 23, wobei die N periodischen Signale RC-Signale sind.

26. Schaltung nach einem der Ansprüche 16 bis 23, wobei die N periodischen Signale Sägezahnsignale sind.

27. Schaltung nach einem der Ansprüche 16 bis 23, wobei die N periodischen Signale Dreieckssignale sind.