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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Prioritätsbeanspruchung
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der provisorischen US-Anmeldung Nr. 60/727,404.
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2. Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft allgemein Impulssbreitenmodulations-Energiewandler, und spezieller einen Generator zur Erzeugung einer exakten Dreieckssignalform, der ein Dreieckssignal erzeugt, das beispielsweise bei Verstärkern mit verschachtelter Impulsbreitenmodulation eingesetzt wird.
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3. Stand der Technik
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Verstärkung mit Impulsbreitenmodulation (PWM) für Audio-Anwendungen wurde dazu eingesetzt, den Wirkungsgrad zu erhohen, durch Einsatz von Ausgabegeräten, die als Schalter dienen, im Vergleich zu linearen Geräten, welche ein wesentliches Ausmaß an Leistung abgeben müssen. Bei PWM-Verstärkern wird ein Audiosignal in eine impulsbreitenmodulierte Signalform umgewandelt. Zu diesem Zweck wird ein Audiosignal dem Verstarker zugeführt, um die Breite einer Rechtecksignalform zu modulieren, die beispielsweise auf der Amplitude des Audiosignals beruht. Die modulierte Signalform wird dazu verwendet, ein oder mehrere Ausgangsgeräte als Schalter zu betreiben, die entweder völlig gesättigt oder ausgeschaltet sind. Die Ausgabegeräte, die häufig unter Verwendung von Schalt-Leistungstransistoren verwirklicht sind, können als Halbbrückenpaare ausgebildet sein, bei denen ein Gerät des Paars eine positive Spannung auf den Ausgang schaltet, während das andere Gerät eine negative Spannung auf den Ausgang schaltet. Die geschalteten Ausgangssignale können dem Eingang eines Tiefpassfilters zur Verfügung gestellt werden, um zu versuchen, harmonische Signale und Seitenbänder abzutrennen, die jenseits des Spektrums der gewünschten Ausgangssignalform liegen. Das gefilterte Analogsignal wird zum Betreiben eines Verbrauchers eingesetzt, beispielsweise eines Lautsprechers.
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Dreieckssignalformgeneratoren werden dazu verwendet, das Audiosignal zu modulieren, um die Signalformen mit Impulsbreitenmodulation zu erzeugen. Derartige Dreieckssignalformgeneratoren können spannungsgesteuerte Oszillatoren einsetzen, deren Frequenz auf eine bestimmte Steuerspannung reagiert. Das Dreieckssignal, das von einem derartigen Dreieckssignalgenerator erzeugt wird, kann mit einer Bezugsfrequenz phasenverriegelt sein. Das Dreieckssignal kann durch die Steuerspannung moduliert sein, um die Amplitude in eine Impulsbreite umzuwandeln. Momentan sind Dreieckssignalformgeneratoren nicht dazu fähig, gleichzeitig das Dreieck der Signalamplitude, deren Frequenz, deren Symmetrie und/oder Phase zu steuern. Daher werden Systeme und Verfahren benötigt, um exakter die Qualität der Dreieckssignalform zu steuern.
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US 2004/0169553 A1 bezieht sich auf einen Pulsbreitenmodulationsverstärker, der dahingehend ausgebildet ist, dass er unerwünschte Abstrahlung reduziert, um somit die elektromagnetische Verträglichkeit verbessert, unter gleichzeitiger Reduktion der Herstellungskosten des Verstärkers.
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US 2004/0227549 A1 zeigt einen Feed-Forward-Oszillator mit hoher Bandbreite, der eine Sägezahnspannung zur Betriebssteuerung einer pulsbreitenmoduliert geschalteten Gleichspannungsversorgung erzeugt. Der Oszillator passt die steigende und fallende Flanke des Sägezahnsignals proportional an den Betrag der Eingangsspannung an, während er die Frequenz der Sägezahnsignalform konstant hält.
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US 6,278,301 B1 bezieht sich auf einen Wellenformgenerator, der digitale Spektrumsspreizung ermöglicht durch Einsatz einer Steuerungsschaltung zum Laden und Entladen einer Lastkapazität, um damit die Grundfrequenz des Generators zu verändern.
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JP 2004-007 324 A bezieht sich auf einen Dreiecksformsignalgenerator mit einem Klasse-D-Verstärker, der ein Dreiecksformsignal mit hoher Genauigkeit erzeugen kann, bei der keine Veränderung im Spitzenwert auftritt und auch keine Offset-Abweichungen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es wird ein Dreieckssignalformgenerator zur Verfügung gestellt, der ein kapazitives Element aufweist, einen Regler, und eine Steuerschaltung. Der Regler ist so ausgebildet, das kapazitive Element in Reaktion auf ein erstes Steuersignal aufzuladen, und das kapazitive Element in Reaktion auf ein zweites Steuersignal zu entladen. Die Steuerschaltung reagiert auf eine Bezugssignalform, um das erste und das zweite Steuersignal zu erzeugen. Bei einem Beispiel erzeugt die Steuerschaltung ein erstes und ein zweites Steuersignal in Reaktion auf die Amplitude, die Frequenz, Phase, und Symmetrie der Bezugssignalform.
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Andere Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden Fachleuten auf diesem Gebiet nach Untersuchung der nachstehenden Figuren und der detaillierten Beschreibung deutlich werden. Alle derartigen Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile, die aus dieser Beschreibung deutlich werden, sollen vom Umfang der Erfindung umfasst sein, und durch die nachstehenden Patentansprüche geschützt sein.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird besser unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen und die Beschreibung verständlich werden. Die in den Figuren dargestellten Bauteile sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht, da die Grundlagen der Erfindung hervorgehoben sind. Weiterhin bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile in den unterschiedlichen Darstellungen.
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1 ist ein schematisches Blockschaltbild eines Impulsbreitenmodulations-Verstärkers, der eine Verschachtelung in der Größenordnung von zwei aufweist.
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2 ist ein schematisches Blockschaltbild eines beispielhaften Phasenfrequenzsteuersystems, das in dem System von 1 eingesetzt werden kann.
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3 ist ein schematisches Blockschaltbild eines beispielhaften Dreieckssignalerzeugungssystems, das in dem in 1 gezeigten System eingesetzt werden kann.
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4 ist ein schematisches Blockschaltbild eines weiteren Beispiels für ein Phasenfrequenzsteuersystem, das bei dem in 1 gezeigten System eingesetzt werden kann.
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5 ist ein schematisches Blockschaltbild eines weiteren Beispiels für ein Dreieckssignalerzeugungssystem, das bei dem in 1 dargestellten System verwendet werden kann.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 ist ein Blockschaltbild eines Beispiels für einen verschachtelten Vollbrücken-impulsbreitenmodulierten Verstärker 100 (PWM-Verstärker) mit zwei Brücken (N = 2). Der verschachtelte PWM-Verstärker 100 empfängt ein Eingangssignal von einer Signalquelle 110. Das Eingangssignal kann auf einen ersten Zweig 112 und einen zweiten Zweig 114 aufgeteilt werden. Der erste Zweig 112 weist einen Invertierungsblock 120 auf, der so ausgebildet ist, dass er das Eingangssignal invertiert. Der Invertierungsblock 120 ist an einen ersten Impulsbreitenmodulator 130 angeschlossen, der als PWM A bezeichnet ist. PWM A 130 ist an eine erste Halbbrücke 150 angeschlossen, die als Halbbrücke A bezeichnet ist. Der Ausgang der Halbbrücke A 150 ist dann an einen Verbraucher 160 angeschlossen.
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Das invertierte Eingangssignal kann dann auf eine erste Dreieckssignalform aufmoduliert werden, mit einer PWM-Modulation mit N = 2 durch die PWM A 130. Die Erzeugung der ersten Dreieckssignalform umfasst die Erzeugung einer Schaltfrequenz (Fs) für jedes Ausgangssignal, welches dem Verbraucher 160 zugeführt wird, unter Verwendung eines Phasenfrequenzsteuersystems 170. Die Schaltfrequenz (Fs) kann von einem Dreieckssignalerzeugungssystem 180 zur Erzeugung einer ersten Dreieckssignalform verwendet werden. Die Modulation des invertierten Eingangssignals zur ersten Dreieckssignalform führt zu einem ersten Steuersignal. Das erste Steuersignal kann der ersten Halbbrücke 150 zugeführt werden, um die Leistung zu steuern, welche an den Verbraucher 160 ausgegeben wird. Der zweite Zweig 114 weist einen nicht-invertierenden Block 125 auf, der an einen zweiten Impulsbreitenmodulator 135 angeschlossen ist, der mit PWM B bezeichnet ist. PWM B 135 moduliert entsprechend das nicht-invertierte Eingangssignal bei einer zweiten Dreieckssignalform, um ein zweites Steuersignal zu erzeugen, unter Verwendung eines Phasenfrequenzsteuersystems 170 und eines Dreieckssignalerzeugungssystems 180. Das zweite Steuersignal kann einer zweiten Halbbrücke 155 zur Verfügung gestellt werden, die mit PWM B bezeichnet ist, um die Leistung zu steuern, die an den Verbraucher 160 abgegeben wird.
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Bei einem Beispiel konnen das Phasenfrequenzsteuersystem 170 und das Dreieckssignalerzeugungssystem 180 in Bezug auf die Funktion in Form einer integrierten Schaltung vorgesehen werden. Eine derartige integrierte Schaltung würde weniger Kosten und geringere Abmessungen ermöglichen. Mehrere Kanäle der Dreieckssignalformerzeugung können in einem Gehäuse enthalten sein. Die integrierte Schaltung kann durch einen gemeinsamen Bezugstakt mit exakter Phasensteuerung betätigt werden. Bei anderen Beispielen kann die Funktionsweise des Phasenfrequenzsteuersystems 170 und des Dreieckssignalerzeugungssystems 180 mit getrennten Bauteilen ausgebildet werden, oder mit jeder Kombination getrennter Bauteile oder einer oder mehreren integrierten Schaltungen.
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2 ist ein Blockdiagramm eines Beispiels für ein Phasenfrequenzsteuersystem 200 für eine Impulsbreitenmodulationsvorrichtung. Das Phasenfrequenzsteuersystem 200 kann als integrierte Schaltung und/oder als miteinander verbundene, unabhängige Bauteile ausgebildet sein. Die folgende Erläuterung eines Beispiels für die Konstruktion beruht auf einem Phasenfrequenzsteuersystem 200, das als integrierte Schaltung ausgebildet ist. In 2 wird ein Steueroszillator 202 durch einen Steuerkristall 204 betrieben, um ein Steueroszillatorausgangssignal auf einer Steuerausgangsleitung 206 zu erzeugen, beispielsweise Freischaltung durch ein Steuer-Slavesignal (M/S-Signal) 207. Der Steuerkristall 104 kann außerhalb der integrierten Schaltung vorgesehen sein, wie durch die Kreise in 2 angedeutet, welche Eingabe/Ausgabe-Pins der integrierten Schaltung darstellen. Der Steuerkristall 204 kann eine vorbestimmte Frequenz vorgeben, beispielsweise 16 MHz, in dem breiten Bereich von Frequenzen, in welchem ein Kristall eingesetzt werden kann, um eine Frequenz zu erzeugen. Das erste Ausgangssignal 206 kann einem OR-Gate 208 zugeführt werden. Ein spannungsgesteuerter Oszillator 210 kann ein spannungsgesteuertes Ausgangssignal für eine spannungsgesteuerte Leitung 212 zum OR-Gate 208 zur Verfügung stellen, bei Freischaltung durch ein Slave-Mastersignal (S/M) 216. Der spannungsgesteuerte Oszillator 210 kann ein Steuersignal von einer Phasenfrequenzdetektor-Ladungspumpe 218 empfangen.
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Der spannungsgesteuerte Oszillator 210 kann ein Slave sein, der unabhängig von dem Steuer-Oszillator 202 arbeitet, wenn der Steuer-Oszillator 202 nicht verfügbar ist. Alternativ kann, da der Steuer-Oszillator 202 mit einer festen, vorbestimmten Frequenz arbeitet, der Steuer-Oszillator 202 gesperrt werden, und kann der spannungsgesteuerte Oszillator 210 so freigeschaltet werden, dass das Phasenfrequenzsteuersystem 200 bei einer anderen Frequenz als einer vorbestimmten Frequenz betrieben wird.
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Eine Ausgangsgröße des OR-Gates 208 kann einem ersten Synchronzähler 224 und einem zweiten Synchronzähler 226 zugeführt werden. Der erste und der zweite Synchronzähler 224 bzw. 226 sind so ausgebildet, dass sie die vollständige Länge zählen, und Ausgangsbits zur Verfügung stellen, die sich sämtlich gleichzeitig ändern, um eine Phasensteuerung zwischen mehreren Ausgangskanälen 228 zur Verfügung zu stellen. Bei einem Beispiel können der erste und der zweite Synchronzähler 224 bzw. 226 jeweils ein Synchronzähler mit 6 Bit sein. Der erste und der zweite Synchronzahler 224 und 226 können mit einem Phasenfrequenzregister 232 betrieben werden, das einen ersten Wert für den ersten Synchronzähler 224 zur Verfugung stellt. Alternativ können der erste und der zweite Synchronzähler 224 und 226 getrennte und unabhängige Register aufweisen.
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Die Register 232 des ersten und zweiten Synchronzähler 224 und 226 können nicht-flüchtig sein, und können mit Werten geladen werden, welche zu einer festen Frequenzsteuerung durch das Phasenfrequenzsteuersystem 200 fuhren. Alternativ können die Register 232 flüchtig sein, und mit einem oder mehreren Werten geladen werden, die zu einer variablen Frequenz führen. So kann beispielsweise nur der zweite Synchronzähler 226 mit einem nicht-flüchtigen Speicher versehen sein, in welchem ein Wert gespeichert werden kann. Bei diesem Beispiel kann nach Einschalten und Betrieb zum Inkrementieren des zweiten Synchronzählers 226 der zweite Synchronzahler 226 einen Wert in den ersten Synchronzähler 224 laden, wenn der zweite Synchronzähler 226 bis zu einem vorbestimmten Zustand zählt. Bei einer anderen Alternative kann einer dieser Werte, aber auch beide, in das oder die Register 232 durch ein I2C-Signal auf einer I2C-Signalleitung 234 geladen werden. Bei anderen Beispielen können ein anderes Kommunikationssystem und/oder ein anderes Protokoll dazu verwendet werden, Werte in das oder die Register 232 zu laden.
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Die Ausgangskanäle 228 sind Schaltfrequenzsignale (Fs), die als interne Signale in der integrierten Schaltung beibehalten werden, und dem Dreieckssignalerzeugungssystem 180 (1) zugefuhrt werden. In 2 sind vier Ausgangskanäle 228 vorhanden, und bei anderen Beispielen kann jede andere Anzahl an Ausgangskanalen 228 erzeugt werden, abhängig von dem Verbraucher, der versorgt wird. Ein erstes Schaltfrequenzsignal kann auf einem ersten Kanal (Ch1Fs) 236 zur Verfügung gestellt werden. Das erste Schaltfrequenzsignal kann von dem ersten synchronen Zähler 224 erzeugt werden, wenn ein vorbestimmter Wert bei einem vorbestimmten Bit erreicht wird, beispielsweise dem Bit Q5, des synchronen Zahlers 224.
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Das erste Schaltfrequenzsignal kann durch einen Puffer 238 verzögert werden, und dann als eine Eingangsgröße einem Flip-Flop 240 eines zweiten Ausgangskanals zugeführt werden. Das Flip-Flop 240 des zweiten Ausgangskanals kann auf Grundlage eines Taktsignals umgeschaltet werden, das als Ausgangswert von dem synchronen Zähler 224 zur Verfügung gestellt wird. Der Ausgangswert kann ein anderes Bit, beispielsweise das Bit Q3, des ersten synchronen Zählers 224 sein. Der Ausgangswert des Flip-Flops 240 des zweiten Ausgangskanals kann ein zweites Schaltfrequenzsignal (Fs) sein, das auf einem zweiten Kanal (Ch2Fs) 242 zur Verfügung gestellt wird. Ein Flip-Flop 244 eines dritten Ausgangskanals und ein Flip-Flop 246 eines vierten Ausgangskanals konnen darüber hinaus aufeinanderfolgend verzögert werden, bevor ein drittes Schaltfrequenzsignal erzeugt wird, das auf einem dritten Kanal (Ch3Fs) 248 zur Verfügung gestellt wird, sowie ein viertes Schaltfrequenzsignal, das auf einem vierten Kanal (Ch4Fs) 250 zur Verfügung gestellt wird. Sowohl das erste, zweite, dritte als auch vierte Schaltfrequenzsignal kann jeweils um ein vorbestimmtes Ausmaß gegenseitig verschoben sein, so dass der verschachtelte Leistungswandler Vektoren erzeugt, die gleichmäßig verteilt sind, etwa um 22,5 Grad. Bei anderen Beispielen können andere Systeme und Verfahren dazu verwendet werden, die versetzten ersten, zweiten, dritten und vierten Schaltfrequenzsignale in den jeweiligen Kanälen zu erzeugen.
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Das Phasenfrequenzsteuersystem 200 weist weiterhin einen Frequenzteiler 260 auf, einen symmetrischen Empfänger 262 und einen symmetrischen Sender 264. Der Frequenzteiler 260 kann dazu eingesetzt werden, eine niedrigere Frequenz zu erzeugen, wenn der spannungsgesteuerte Oszillator 210 freigeschaltet ist. Die erzeugte Frequenz kann niedriger sein als die Frequenz eines externen Bezugstaktes 266, der von einem anderen Steuertakt zur Verfügung gestellt wird, beispielsweise von einer anderen integrierten Schaltung oder einer Stromversorgung. Der externe Bezugstakt 266 kann dem Frequenzteiler 260 durch den symmetrischen Empfänger 262 zur Verfugung gestellt werden. Der externe Bezugstakt 266 kann von einer Quelle außerhalb der integrierten Schaltung des vorliegenden Beispiels empfangen werden, wie durch die Kreise dargestellt, welche Eingangs/Ausgangs-Pins der integrierten Schaltung zeigen. Der symmetrische Empfänger 262 kann als Puffer arbeiten, der symmetrisch ausgebildet ist, um elektromagnetische Felder (EMF) zu verringern, und das Signal-Rauschverhältnis (S/N) in der integrierten Schaltung zu verbessern. Daher können, wenn der Steuer-Oszillator 202 nicht verfügbar (oder gesperrt) ist, der spannungsgesteuerte Oszillator 210 und die Phasenfrequenz-Detektorladungspumpe 218 bei der Bezugsfrequenz und/oder einer oder mehreren verringerten Frequenzen arbeiten, die von dem Frequenzteiler 260 zur Verfügung gestellt werden, auf Grundlage der Bezugsfrequenz, die von dem symmetrischen Empfänger 262 zur Verfügung gestellt wird.
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Wenn der Steuer-Oszillator 202 freigeschaltet ist, kann der symmetrische Sender 264 entsprechend durch dasselbe Master/Slave-Signal 207 freigeschaltet werden. Der symmetrische Sender 264 kann ein Signal, welches den Steuer-Oszillator 202 repräsentiert, als den externen Bezugstakt 266 zur Verfügung stellen. Wenn der Steuer-Oszillator 202 arbeitet, kann der externe Bezugstakt 266 als eine Bezugsfrequenz für andere Geräte außerhalb der integrierten Schaltung zur Verfügung gestellt werden.
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Im Betrieb kann das Phasenfrequenzsteuersystem 200 mehrere Kanale von Schaltfrequenzsignalen (Fs-Signalen) zur Verfügung stellen, die in Bezug auf die Phase gegeneinander um ein vorbestimmtes Ausmaß versetzt sind. Der Impulsbreitenmodulator kann Signalformen in Form von Dreieckssignal formen modulieren, welche Amplitudeninformation in Impulsbreiteninformation umkodieren, auf Grundlage der Schaltfrequenzsignale (Fs-Signale).
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Die Fähigkeit, die Phase der Schaltfrequenzsignale (Fs) zu steuern, ist nützlich zum Minimieren der Verstümmelung von Signalen, die infolge von Schaltrauschen-Übersprechen auftritt. Wenn samtliche Ausgangskanäle 236, 242, 248 und 250 exakt synchron betrieben werden, ist eine maximale Möglichkeit für Übersprechen vorhanden. Der Vorgang der Phaseneinstellung von Kanälen so, dass eine maximale Zeit zwischen jeweiligen Schaltereignissen vorhanden ist, minimiert eine Signalverstümmelung infolge von Übersprech-Einschwingvorgängen. Anders ausgedrückt, kann die Entfernung zwischen dem Schalten von Paaren von Schaltern maximiert werden, um das Übersprechen zu minimieren.
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Das Phasenfrequenzsteuersystem 200 kann eine exakte Steuerung der relativen Phase aufweisen, um den Modulationszeitraum auf gleichmäßige Abstände zwischen sämtlichen Ausgangskanälen 236, 242, 248 und 250 zu unterteilen. Das Phasenfrequenzsteuersystem 200 kann auch so arbeiten, dass es die Phase steuert, wenn eine verschachtelte Modulation bei Verschachtelungszahlen von vier oder mehr erforderlich ist. Eine einzige Dreieckssignalform ist ausreichend für eine Verschachtelung von zwei, wie in 2 dargestellt.
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3 ist ein schematisches Blockschaltbild eines Dreieckssignalerzeugungssystems 300, das dazu verwendet werden kann, das in 2 gezeigte Dreieckssignalerzeugungssystem 180 zu implementieren. Das Dreieckssignalerzeugungssystem 300 kann als eine integrierte Schaltung und/oder als miteinander verbundene, unabhängige Bauteile ausgebildet sein. Die folgende Diskussion eines Beispiels für eine Konstruktion beruht auf einem Dreieckssignalerzeugungssystem 300, das als integrierte Schaltung ausgebildet ist.
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In 3 enthält das Dreieckssignalerzeugungssystem 300 einen spannungsgesteuerten Oszillator 301 und eine Phasenfrequenzdetektor-Ladungspumpe 303. Ein Dreieckssignal wird durch den spannungsgesteuerten Oszillator 301 durch Laden und Entladen eines Kondensators Ct 302 erzeugt. Der Kondensator Ct 302 kann in vorteilhafter Art und Weise bei einer integrierten Schaltung vorgesehen werden, da sein eines Ende an Masse liegt, und das andere Ende betrieben wird. Dies kann deswegen vorteilhaft sein, da die Streukapazität bei Kondensatoren integrierter Schaltungen relativ groß ist, und die Streukapazität nunmehr parallel zur gewünschten Kapazität geschaltet ist.
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Der Kondensator Ct 302 kann selektiv durch einen Ladungsregler 304 und einen Entladungsregler 306 geladen bzw. entladen werden. Der Ladungsregler 304 weist einen Ladungsstromschalter 308 und eine Ladungsstromquelle 309 auf. Der Entladungsregler 306 weist einen Entladungsstromschalter 310 und eine Entladungsstromquelle 311 auf. Die Ladungsstromquelle 309 und die Entladungsstromquelle 311 können mit einer Versorgungsspannung (Vdd) 314 versorgt werden, beispielsweise 5 Volt Gleichspannung und Masse. Weiterhin kann die Stärke des Stroms gesteuert werden, der von jeder der Stromquellen 309 und 311 und den Stromschaltern 308 und 310 geliefert wird.
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Das selektive Schalten der jeweiligen Stromschalter 308 und 310 und die Steuerung der jeweiligen Stromquellen 309 und 311 kann eine Spannung (Vt) 316 steuern, die bei dem Kondensator Ct 302 vorhanden ist. Die Spannung (Vt) 316 kann mit einer Spannung Vtp 318 mit positivem Potential und einer Spannung Vtn 320 mit negativem Potential durch einen ersten Komparator 322 und einen zweiten Komparator 324 verglichen werden, die in dem spannungsgesteuerten Oszillator 301 vorgesehen sind.
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Die Spannungen Vtp 318 und Vtn 320 mit positivem bzw. negativem Potential können die Ausgangssignale des PWM-Verstärkers 100 repräsentieren, der in 1 gezeigt ist. Die Spannungen Vtp 318 und Vtn 320 mit positivem bzw. negativem Potential können auf eine vorbestimmte Spannung zentriert sein, beispielsweise eine CMOS-Spannung von 2,5 Volt Gleichspannung oder eine getrennte Spannung mit Massepotential oder Null Volt. Die Spannung (Vt) 316 kann durch einen Puffer 328 gepuffert werden, bevor sie durch den ersten und den zweiten Komparator 322 und 324 verglichen wird. Der erste und der zweite Komparator 322 und 324 können einen Fensterdetektor bilden. Die Komparatorausgangssignale können dazu verwendet werden, einen Hystereseschalter 329 umzuschalten, beispielsweise ein R-S Flip-Flop. Der Hystereseschalter 329 kann das Steuern der Lade- und Entladeströme freischalten, welche die Ladung auf dem Kondensator Ct 302 beeinflussen.
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Das Steuern der Lade- und Entladeströme, die von der Ladestromquelle 309 bzw. der Entladestromquelle 311 zur Verfügung gestellt werden, kann mit der Phasenfrequenzdetektor-Ladungspumpe 303 durchgeführt werden. Der spannungsgesteuerte Oszillator 301 kann Dreieckssignale erzeugen, wenn die Ladungsstromquelle 309 und die Entladungsstromquelle 311 durch gemeinsame Frequenzsteuersignale programmiert sind, die von der Phasenfrequenzdetektor-Ladungspumpe 303 zur Verfügung gestellt werden. Die Phasenfrequenzdetektor-Ladungspumpe 303 kann die Strome der Ladestromquelle 309 und der Entladestromquelle 311 so steuern, dass sie Gleichlaufströme sind, die annähernd gleich und von entgegengesetzter Größe sind.
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In dem Dreieckssignalerzeugungssystem 300 werden die Ladestromquelle 309 und die Entladestromquelle 311 getrennt geregelt, um eine exakte Steuerung der beiden Rampen zu ermoglichen, welche die Dreieckssignalform bilden. Ein erstes Fensterkomparatorausgangssignal auf einer ersten Fensterkomparatorausgangsleitung 330 und ein zweites Fensterkomparatorausgangssignal auf einer zweiten Fensterkomparatorausgangsleitung 332 können als logische Eins oder logische Null durch den Hystereseschalter 329 zur Verfügung gestellt werden. Die Ausgänge des Hystereseschalters 329 werden der Phasenfrequenzdetektor-Ladungspumpe 303 zur Verfügung gestellt, und sind auch dazu einsetzbar, den Betrieb der Lade- und Entladestromschalter 308 bzw. 319 in dem jeweiligen ersten bzw. zweiten Regler 304 bzw. 306 zu steuern.
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Die Phasenfrequenzdetektor-Ladungspumpe 303 weist einen ersten Phasenfrequenzdetektor 340 und einen zweiten Phasenfrequenzdetektor 342 auf. Im Betrieb vergleichen der erste und der zweite Phasenfrequenzdetektor 340 und 342 jeweils eine Flanke des Dreieckssignals mit einem Bezugsschaltfrequenzsignal (Fs) 344 und einem invertierten Bezugsschaltfrequenzsignal/Fs 346. Das Bezugsschaltfrequenzsignal (Fs) 344 wird von dem Phasenfrequenzsteuersystem 200 (2) zur Verfügung gestellt. Der erste und der zweite Phasenfrequenzdetektor 340 und 342 vergleichen die Flanken und die Bezugssignale in Bezug auf Frequenz und Symmetrie.
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Die Phasenfrequenzdetektoren 340 und 342 können Digitaldetektoren sein, welche den Vergleich durchführen, und eine Gruppe von Ladungspumpen 350 aktivieren, auf solche Art und Weise, dass die gewünschten Steuerung durchgeführt werden. Genauer gesagt, umfasst die Gruppe von Ladungspumpen 350 eine erste Gruppe von Ladungspumpen 352, die so betrieben werden, dass sie ein Ladungsstromsteuersignal auf einer Ladungsstromsteuerleitung 354 erzeugen. Weiterhin wird eine zweite Gruppe von Ladungspumpen 356 so betrieben, dass ein Entladungsstromsteuersignal auf einer Entladungsstromsteuerleitung 358 erzeugt wird. Daher können zwei getrennte und in gewisser Weise unabhängige Steuerschleifen unabhängig die Ladestromquelle 309 und die Entladestromquelle 311 steuern.
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Die erste Gruppe von Ladungspumpen 352 umfasst eine erste Hauptladungspumpe 362 und eine erste Kreuzkopplungs-Ladungspumpe 364. Entsprechend umfasst die zweite Gruppe von Ladungspumpen 356 eine zweite Hauptladungspumpe 366 und eine zweite Kreuzkopplungs-Ladungspumpe 368. Bei anderen Beispielen kann die Anzahl an Gruppen von Ladungspumpen und/oder die Anzahl verwendeter Ladungspumpen erhöht oder verringert werden. Während des Betriebs können sowohl die ersten als auch die zweiten Phasenfrequenzdetektoren 340 bzw. 342 auf einen Fehler von Null Grad konvergieren. Bei Bedingungen mit einem Fehler von Null Grad sind sowohl die Ausgänge ”hoch” als auch ”niedrig” der ersten und zweiten Phasenfrequenzdetektoren 340 und 342 eingeschaltet, wodurch die Ladungspumpen 362, 364, 356, 358 gleich und entgegengesetzt eingeschaltet werden, was zu einem Wert von Null führt. Die Ausgangssignale auf den Lade- und Entladestromsteuerleitungen 354 bzw. 358 werden an den Ladungsregler 304 und den Entladungsregler 306 entsprechend angelegt.
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Bei einem Beispiel für das Steuerschema kann jeder Detektor 340 und 342 die Ladungspumpe betätigen, welche die Rampe steuert, welche die Flanke des Hystereseschalters 329 freigeschaltet hat, die mit dem entsprechenden Bezugsschaltfrequenzsignal (Fs) verglichen wurde. Bei dieser Vorgehensweise erhält man jedoch kein Schema, das konvergiert. Die Erhöhung der Rampengeschwindigkeit einer Flanke stellt den Ereigniszeitpunkt stärker vor als die angestrebte Flanke. Die gesamte Wechselwirkung der Flanken kann dazu führen, dass sich die beiden Steuerschleifen im Betrieb gegenseitig bekämpfen. Wenn eine ihr Ereignis vorstellt, stellt sie das andere Ereignis vor, was dazu führt, dass die Steuerung der anderen beide Ereignisse verzögert.
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Bei einem anderen Beispiel für ein Steuerschema, wie in 3 gezeigt, kann zur Verbesserung der Stabilität die Wechselwirkung zwischen den beiden Ereignissen eine konvergente Sequenz sein. Wenn eine Steuerung ihre Rampengeschwindigkeit erhöht, kann die andere Rampengeschwindigkeit verringert werden, und umgekehrt. Wenn jedoch eine Steuerung immer ihre Auswirkungen durch eine exakte Zählerkorrektur der anderen Steuerung korrigieren würde, gäbe es eine begrenzte Fähigkeit des Dreieckssignalerzeugungssystems 300 in Bezug auf die Erlangung einer Frequenzsteuerung des spannungsgesteuerten Oszillators 301 und des Verriegelns auf dem Bezugsschaltfrequenzsignal (Fs), da der gesamte Oszillatorzeitraum ohne irgendeine echte Steuerung sein könnte.
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Zum Implementieren und Beibehalten einer echten Steuerung kann eine Filterung von Steuersignalen verwendet werden, die langsam in Bezug auf die grundsätzlichen Signale sind, die verarbeitet und geregelt werden. Große Kondensatoren, beispielsweise Kondensatoren mit mehr als 100 Picofarad, können in dem Dreieckssignalerzeugungssystem 300 zum Filtern in den Steuerschaltungen vorgesehen werden. Da die Integration großer Kondensatoren in einer integrierten Schaltung schwierig sein kann, können zusätzliche Schaltungsklemmen vorgesehen werden, zum Anschluss der integrierten Schaltung an externe Kondensatoren. Alternativ kann eine Ladungspumpschaltung in der integrierten Schaltung, wie in 3 gezeigt, dazu verwendet werden, kürzere Steuersignale zu filtern, anstelle der großen Kondensatoren. Eine derartige Ladungspumpe kann ähnlich wie eine Ladungspumpe arbeiten, die mit einem digitalen Phasenfrequenzdetektor in einer phasenverriegelten oder verzögerungsverriegelten Schleife verwendet wird. Der Verriegelungspunkt kann die Phase Null sein, wenn die Steuersignale sehr schmal und plötzlich werden. Bei Null Grad werden die Aufwarts- und Abwärtsimpulse der Ladung sehr klein und fallen zeitlich zusammen, so dass die jeweilige Ladungsausgabe ausgeglichen wird. Wenn ein relativ geringer bis kein Brumm bei Verriegelungsbedingungen vorhanden ist, kann es relativ einfach sein, ein derartiges Signal unter Verwendung nur kleiner Kondensatoren in einer Schaltung mit geringer Streuung zu verwenden. Der Brumm kann groß sein, wenn keine Verriegelung vorhanden ist, jedoch stellt dies keine Betriebsart dar.
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Die vier Ladungspumpen 362, 364, 366 und 368 können die Implementierung einer konvergenten Steuerung in dem Dreieckssignalgenerator 301 ermöglichen. Die kreuzgekoppelten Ladungspumpen 364 und 368 können mit einer Stromstärke gewichtet werden (Faktor K), die niedriger ist als bei den Hauptladungspumpen 362 und 366. Dies bedeutet, dass der Faktor K kleiner als Eins ist. Wäre K gleich Eins, könnte die Frequenzregelung beeinträchtigt werden. Wäre K größer als Eins, kann die Frequenzregelung divergieren. Daher sollte K eine positive ganze Zahl größer als Null, aber kleiner als Eins sein. Ein Beispiel für den Wert von K ist K = 0,5.
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Damit sie stabil ist, kann jede Regelschleife eine Null in ihrer Regelschleife aufweisen. Dies ist der Zweck eines Reihen-RC-Netzwerks 370, das in einem Ladungsspeichernetzwerk jeder der ersten und zweiten Gruppe von Ladungspumpen 352 und 356 enthalten ist. Jedes der RC-Netzwerke 370 enthält zumindest einen Widerstand 372 und zumindest einen Kondensator 374. Bei anderen Beispielen können andere Anzahlen und Konfigurationen von Widerständen und Kondensatoren als dargestellt verwendet werden. Der Widerstandswert des oder der Widerstände 372 kann relativ groß sein, muss jedoch nicht exakt sein. Daher können der oder die Widerstände 372 einfach in einen gemischten Signalprozess von CMOS integriert werden.
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Das Dreieckssignalerzeugungssystem 300 kann auch eine Amplitudeneinstellung der Dreieckssignalform aufweisen, um eine Vorwärtskopplungskompensation der Wandlerverstärkung mit offener Schleife zu ermöglichen. Dies kann dadurch erfolgen, dass die Dreieckssignalformen dazu veranlasst werden, eine Amplitude proportional zu den Stromversorgungsspannungen in den Leistungswandlerstufen aufzuweisen, den Halbbrücken 150 und 155 von 1. Wenn bei den Dreieckssignalformen eine Amplitude proportional zu den Stromversorgungsspannungen aufrechterhalten wird, wird die Verstärkung konstant und unabhangig von den Versorgungsspannungen. Ohne eine derartige Kompensation kann die Verstärkung direkt proportional zu den Versorgungsspannungen sein.
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Das Dreieckssignalerzeugungssystem 300 kann auch mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen arbeiten. So kann beispielsweise ein Leistungswandler, der als einfacher Audioverstärker der Klasse D verwendet wird, mit der Fähigkeit einer vollen Bandbreite ausgelegt werden, und kann mit 500 kHz modulieren, wogegen dann, wenn der Leistungsverstärker nur zum Einsatz bei Bassfrequenzen ausgelegt ware, der Wandler bei 50 kHz modulieren kann. Die Anforderungen an Frequenz- und Amplitudenmodulation können sich zusammen so auswirken, dass der Bereich der Steigungen des eingesetzten Dreieckssignals wesentlich vergrößert wird. Das Dreieckssignalerzeugungssystem 300 kann im Modulationsbereich von etwa 1 MHz bis etwa 50 MHz verwendet werden, infolge des weiten Bereichs möglicher Steigungen, die auf Grundlage einer steuerbaren Änderung der Dreieckssignal-Rampengeschwindigkeit erzielbar sind. Bei einem anderen Beispiel kann das Dreieckssignalerzeugungssystem 300 im Modulationsbereich von 50 kHz bis etwa 500 kHz verwendet werden.
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Die Umwandlung von Amplituden in Impulsbreite erfolgt im wesentlichen ohne Verzerrungen, da die Dreieckssignalformen sehr linear sind, und im wesentlichen exakte Symmetrie aufweisen. Dies bedeutet, dass die gleichmäßig ansteigende Steigung der Dreieckssignalform im wesentlichen gleiche Größe aufweist wie die absinkende Steigung. Wird ein Symmetriefehler zugelassen, so wird hierdurch ein unerwünschtes PWM-Spektrum in das Ausgangssignal eingeführt, das einem Verbraucher zur Verfügung gestellt wird, infolge der Tatsache, dass Phasenmodulation der Ausgangs-PWM-Signalform hinzugefügt wird. Das Dreieckssignalerzeugungssystem 300 kann auch ohne externes Rauschen oder externe Schwankungen auf der Signalform arbeiten, um die Wahrscheinlichkeit zu vermeiden, dass Rauschfehler in dem PWM-Ausgangssignal auftreten. Derartige Fehler werden durch die effektive Ausgangsstufenversorgungsspannung vergrößert.
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Wahrend des Betriebs kann das sich ergebende Steuersystem Einstellungen an den geeignetsten Punkten der Dreieckssignalform vornehmen. Derartige geeignete Punkte können beispielsweise an den Spitzen liegen, an welchen die natürliche Diskontinuität der Dreieckssignalform an den Grenzen des Modulationsprozesses auftritt. Anders ausgedrückt, kann die Steuerung auf die Dreieckssignalform an ihren Spitzen zugreifen, und sie regeln. Die Steuerung kann in der Hinsicht stark konvergent ausgebildet werden, dass sowohl zu hohe als auch zu niedrige Rampengeschwindigkeiten proportional zu ihrem Fehler korrigiert werden können, um das Ergebnis zu regeln.
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4 ist ein Blockdiagramm einer weiteren Schaltung, die dazu verwendet werden kann, die Phasenfrequenzsteuersystem 170 zu implementieren, die in 1 gezeigt ist. Ähnliche Schaltungen wie in 2 sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Wie die in 2 eingesetzte Schaltung, kann die Schaltung 400 in einer von zwei Betriebsarten betrieben werden. In einer Steuertaktbetriebsart, wird das Steuertaktsignal 404 auf Grundlage eines internen Signals erzeugt, das von dem Steuer-Oszillator 202 zusammen mit dem Kristall 204 zur Verfügung gestellt wird. In einer Slave-Betriebsart wird das Steuertaktsignal 404 durch den VCO 210 erzeugt, auf Grundlage des Ausgangssignals einer Phasenfrequenzdetektor-Ladungspumpe 218, die wiederum auf das externe Bezugstaktsignal 266 reagiert.
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Bei dem in 4 gezeigten Beispiel erzeugt die Phasenfrequenzsteuerschaltung 400 zwei Bezugssignale 406 und 408, obwohl die Schaltung 400 erweitert werden kann, um zusätzliche Bezugssignale zu erzeugen. Die Bezugssignale 406 und 408 in der Schaltung 400 können dieselbe Frequenz aufweisen, und können phasengleich oder gegeneinander phasenverschoben sein. Die Signale 406 und 408 werden wiederum als Bezugssignale von dem Dreieckssignalgenerator 180 eingesetzt, um die mehreren Dreieckssignale zu erzeugen, die von den Impulsbreitenmodulatoren 130 und 135 verwendet werden.
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Jedesmal, wenn der Zahler 226 seinen endgültigen Zählwert erreicht, wird ein Signal an der Leitung 410 für den Zähler 224 erzeugt, welches den Zähler 224 anweist, den im Betriebsartregister 412 gespeicherten Wert in den Zähler 224 zu laden. Bei dem dargestellten Beispiel werden nur die Daten, die an den Bits D8 bis D13 des Betriebsartregisters 412 gespeichert sind, in den Zahler 224 geladen. Die Ausgangsbits Q4 und Q5 des Zahlers 224 werden den Eingängen eines Multiplexers 412 zugeführt. Das Ausgangsbit Q5 wird auch dem Eingang eines Teilers 414 zugeführt, der wiederum die Frequenz teilt, mit welcher das Bit Q5 zur Ausgabe an der Leitung 416 ausgegeben wird. Bei dieser beispielhaften Architektur umfassen die Eingangssignale für den Multiplexer 412 ein erstes Signal, das eine Frequenz von MClk/2 aufweist, ein zweites Signal, das eine Frequenz von MClk/64 aufweist, und ein drittes Signal, das eine Frequenz von MClk/128 aufweist. Die Frequenz des Taktsignals, das am Multiplexerausgang 418 für den Takteingang des Flip-Flops 420 bereitgestellt wird, wird durch den Zustand der Ausgangsbits D14 und D15 des Betriebsartregisters 412 bestimmt. Entsprechend können die Ausgangsbits D14 und D15 dazu verwendet werden, den Faktor zu bestimmen, mit welchem die Frequenz des Signals bei Q5 geteilt wird, sowie die Frequenz des Ausgangssignals 406. Zusammen arbeiten die Phasendaten der Bits D8 bis D13 und die Frequenzdaten der Bits D14 und D15 so zusammen, dass die Schaltung 400 angewiesen wird, die Bezugssignale 406 und 408 mit der gewünschten Frequenz und relativen Phase zu erzeugen.
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5 ist ein schematisches Blockschaltbild einer alternativen Version eines Dreieckssignalerzeugungssystems 500, das dazu verwendet werden kann, das in 1 gezeigte Dreieckssignalerzeugungssystem 180 zu implementieren. Das System 500 gleicht in vieler Hinsicht dem in 3 gezeigten System 300, so dass gleiche Bezugszeichen verwendet werden.
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Anders als das System 300, ist der Kondensator 505 nicht auf echte Masse bezogen. Stattdessen ist der Kondensator 505 an eine negative Klemme eines Operationsverstärkers 520 angeschlossen, so dass er in Bezug auf eine virtuelle Massespannung geladen wird, die einen Spannungspegel Vrsrc aufweist. Diese Architektur erleichtert ein exaktes Laden und Entladen des Kondensators 505, durch Verringerung von Implementierungsproblemen innerhalb der Regler 304 und 306.
