DE102019209089B4

DE102019209089B4 - Signalmodulator

Info

Publication number: DE102019209089B4
Application number: DE102019209089.3A
Authority: DE
Inventors: David Coyne
Original assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Current assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Priority date: 2019-02-28
Filing date: 2019-06-24
Publication date: 2022-06-09
Anticipated expiration: 2039-06-25
Also published as: DE102019209089A1; US10862471B2; US20200280306A1

Abstract

Signalmodulator zum Modulieren mindestens eines Eingangssignals; wobei der Modulator Folgendes umfasst:eine Eingangsstufe, die dazu ausgelegt ist, das mindestens eine Eingangssignal und ein Referenzsignal zu empfangen;einen adaptiven Rampengenerator, der dazu ausgelegt ist, ein Taktsignal mit einem Taktzyklus zu empfangen, ein Rampensignal mit einem Rampensignalprofil, das in jedem Taktzyklus von einem minimalen Pegel aus startet, bereitzustellen und den minimalen Pegel in jedem Taktzyklus anzupassen; wobei der adaptive Rampengenerator dazu ausgelegt ist, das Signal mit der höchsten Amplitude unter dem mindestens einen Eingangssignal und dem Referenzsignal zu identifizieren; und den minimalen Pegel so anzupassen, dass ein Spitzenwert des Rampensignals im Wesentlichen gleich dem Signal mit der höchsten Amplitude gehalten wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Signalmodulator. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf einen Pulsbreitenmodulator.
Hintergrund
Pulsbreitenmodulatoren werden in vielen Anwendungen verwendet. Insbesondere werden sie dazu verwendet, eine Leistungsstufe in Audioverstärkersystemen wie Klasse-D-Verstärkern anzusteuern. Verschiedene Signalmodulationstechniken wurden vorgeschlagen, wie beispielsweise AD-Modulation, BD-Modulation und 1SPW-Modulation.
Diese Modulationstechniken haben begrenzte Anwendungen. Zum Beispiel sollten bei Gebrauch eines AD-Modulators zum Ansteuern einer Leistungsstufe nur minimale und maximale Tastgradwerte verwendet werden, um einen verlässlichen Betrieb der Leistungsstufe zu garantieren. Ein Beschränken des Tastgrads auf minimale und maximale Werte bringt es mit sich, dass die Leistungsstufentransferfunktion nichtlineare Regionen aufweist, die zu Verzerrungen führen. Vorhandene Tastgradmodulationsschemata wie 1SPW weisen eine stark nichtlineare Transferfunktion auf, was zu deutlichen Verzerrungen und verminderter Stabilität führt.
Zusammenfassung
Es ist eine Aufgabe der Offenbarung, eine oder mehrere der oben beschriebenen Beschränkungen zu beseitigen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Offenbarung wird ein Signalmodulator zum Modulieren mindestens eines Eingangssignals geschaffen; wobei der Modulator Folgendes umfasst: eine Eingangsstufe, die dazu ausgelegt ist, das mindestens eine Eingangssignal und ein Referenzsignal zu empfangen; einen adaptiven Rampengenerator, der dazu ausgelegt ist, ein Taktsignal mit einem Taktzyklus zu empfangen, ein Rampensignal mit einem Rampensignalprofil, das in jedem Taktzyklus von einem minimalen Pegel aus startet, bereitzustellen und den minimalen Pegel in jedem Taktzyklus anzupassen; wobei der adaptive Rampengenerator dazu ausgelegt ist, das Signal mit der höchsten Amplitude unter dem mindestens einen Eingangssignal und dem Referenzsignal zu identifizieren; und den minimalen Pegel so anzupassen, dass ein Spitzenwert des Rampensignals im Wesentlichen gleich dem Signal mit der höchsten Amplitude gehalten wird.
Wahlweise variiert das mindestens eine Eingangssignal innerhalb eines Amplitudenbereichs und ist der adaptive Rampengenerator dazu ausgelegt, von einem Pegel des mindestens einen Eingangssignals in Bezug auf das Referenzsignal abhängig in verschiedenen Regionen zu arbeiten.
Wahlweise umfasst das mindestens eine Eingangssignal ein erstes Eingangssignal und ein zweites Eingangssignal; wobei der adaptive Rampengenerator dazu ausgelegt ist, das Signal mit der höchsten Amplitude unter dem ersten Eingangssignal, dem zweiten Eingangssignal und dem Referenzsignal zu identifizieren.
Wahlweise weist das Referenzsignal einen Referenzpegel auf, der einen minimalen Tastgrad definiert.
Wahlweise ist das Rampensignalprofil ein periodisches Profil, das linear zwischen dem minimalen Pegel und einem maximalen Pegel in jedem Taktzyklus variiert; wobei das Rampenprofil durch eine maximale absolute Amplitude gekennzeichnet ist.
Wahlweise wird auf ein Identifizieren hin, dass eines aus dem ersten Eingangssignal und dem zweiten Eingangssignal größer als der Referenzpegel ist, der minimale Pegel gleich der Amplitude des Eingangssignals mit der höchsten Amplitude minus der maximalen absoluten Amplitude des Rampenprofils gesetzt und auf ein Identifizieren hin, dass das erste und zweite Eingangssignal beide kleiner als der Referenzpegel sind, der minimale Pegel auf den Referenzpegel gesetzt.
Wahlweise umfasst der adaptive Rampengenerator eine Rampenerzeugungsschaltung, die mit einem Rampenverschiebungsgenerator gekoppelt ist, wobei der Rampenverschiebungsgenerator dazu ausgelegt ist, einen Versatzwert zum Anpassen des minimalen Pegels zu berechnen.
Wahlweise umfasst der adaptive Rampengenerator einen Tastgradverzerrungssensor, der mit dem Rampenverschiebungsgenerator gekoppelt ist; wobei der Tastgradverzerrungssensor dazu ausgelegt ist, eine Leistungsstufentastgradverzerrung zu erfassen und einen Tastgradverzerrungskorrekturkoeffizienten zu liefern; wobei der Rampenverschiebungsgenerator den Versatzwert basierend auf dem Tastgradverzerrungskorrekturkoeffizienten erzeugt.
Wahlweise umfasst der Signalmodulator einen Regionsidentifizierer, der mit dem adaptiven Rampengenerator gekoppelt ist; wobei der Regionsidentifizierer dazu ausgelegt ist, eine Betriebsregion des Modulators zu identifizieren; wobei der Tastgradverzerrungssensor dazu ausgelegt ist, den Tastgradverzerrungskorrekturkoeffizienten basierend auf der Betriebsregion zu liefern.
Zum Beispiel können verschiedene Regionen durch Vergleichen des Eingangssignals mit Bezug auf ein erstes Referenzsignal und ein zweites Referenzsignal identifiziert werden.
Wahlweise wird die Leistungsstufentastgradverzerrung an einem Übergangspunkt zwischen verschiedenen Betriebsregionen erfasst.
Wahlweise ist die Eingangsstufe dazu ausgelegt, ein erstes Maskensignal zu erzeugen, wenn ein Betrag des ersten Eingangssignals über einem Schwellenwert liegt, und ein zweites Maskensignal zu erzeugen, wenn ein Betrag des zweiten Eingangssignals über dem Schwellenwert liegt.
Wahlweise umfasst der Signalmodulator eine Komparatorstufe, die dazu ausgelegt ist, das erste Eingangssignal mit dem Rampensignal zu vergleichen, um eine erste modulierte Ausgabe zu liefern, und das zweite Eingangssignal mit dem Rampensignal zu vergleichen, um eine zweite modulierte Ausgabe zu liefern; wobei die Komparatorstufe dazu ausgelegt ist, das erste und zweite Maskensignal zu empfangen und die erste modulierte Ausgabe zu blockieren, wenn das erste Maskensignal aktiviert ist; und die zweite modulierte Ausgabe zu blockieren, wenn das zweite Maskensignal aktiviert ist.
Wahlweise umfassen sowohl das erste als auch das zweite modulierte Ausgangssignal einen Puls, wobei der adaptive Rampengenerator dazu ausgelegt ist, die erste modulierte Ausgabe zu blockieren oder die zweite modulierte Ausgabe zu blockieren, wenn deren Puls eine Pulsbreite aufweist, die unter einen minimalen Schwellenwert fällt.
Zum Beispiel kann der minimale Schwellenwert ein Minimalwert sein, der notwendig ist, eine Leistungsstufe zu betreiben.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Offenbarung wird ein Signalverstärker geschaffen, der umfasst: eine Leistungsstufe, die eine erste Halbbrücke und eine zweite Halbbrücke umfasst; und einen Modulator, der dazu ausgelegt ist, eine erste modulierte Ausgabe zum Ansteuern der ersten Halbbrücke zu liefern; und eine zweite modulierte Ausgabe zum Ansteuern der zweiten Halbbrücke zu liefern, wobei der Modulator einen adaptiven Rampengenerator umfasst, der dazu ausgelegt ist, ein Taktsignal mit einem Taktzyklus zu empfangen, ein Rampensignal mit einem Profil, das in jedem Taktzyklus von einem minimalen Pegel aus startet, zu liefern und in jedem Taktzyklus den minimalen Pegel anzupassen.
Der Signalverstärker gemäß dem zweiten Aspekt der Offenbarung kann jedes der oben in Bezug auf den Signalmodulator gemäß dem ersten Aspekt der Offenbarung beschriebenen Merkmale aufweisen.
Gemäß einem dritten Aspekt der Offenbarung wird ein Verfahren zum Modulieren mindestens eines Eingangssignals geschaffen, wobei das Verfahren ein Empfangen mindestens eines Eingangssignals, ein Empfangen eines Taktsignals mit einem Taktzyklus, ein Empfangen eines Referenzsignals, ein Bereitstellen eines Rampensignals mit einem Profil, das in jedem Taktzyklus von einem minimalen Pegel aus startet, ein Identifizieren des Signals mit der höchsten Amplitude unter dem mindestens einen Eingangssignal und dem Referenzsignal und ein Anpassen des minimalen Pegels in jedem Zyklus so, dass ein Spitzenwert des Rampensignals im Wesentlichen gleich dem Signal mit der höchsten Amplitude gehalten wird, umfasst.
Wahlweise weist das Referenzsignal einen Referenzpegel auf, der einen minimalen Tastgrad definiert.
Wahlweise ist das Rampensignalprofil ein periodisches Profil, das in jedem Taktzyklus linear zwischen dem minimalen Pegel und einem maximalen Pegel variiert; wobei das Rampenprofil durch eine maximale absolute Amplitude gekennzeichnet ist.
Wahlweise umfasst das mindestens eine Eingangssignal ein erstes Eingangssignal und ein zweites Eingangssignal; wobei auf das Identifizieren hin, dass ein erstes oder ein zweites Eingangssignal größer ist als der Referenzpegel, der minimale Pegel gleich der Amplitude des Eingangssignals mit der höchsten Amplitude minus der maximalen absoluten Amplitude des Rampenprofils gesetzt wird; und auf Identifizieren hin, dass das erste und zweite Eingangssignal beide kleiner sind als das Referenzsignal, der minimale Pegel auf den Referenzpegel gesetzt wird.
Wahlweise umfasst ein Bereitstellen des Rampensignals ein Modifizieren eines vorhandenen Rampensignals.
Der dritte Aspekt kann Merkmale des ersten Aspekts, wie sie vorstehend und hierin dargelegt sind, gemein haben.
Figurenliste
Die Offenbarung wird im Folgenden genauer beispielhaft und unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.

1 ist eine Darstellung eines Klasse-D-Verstärkers.
2 ist ein Zeitdiagramm, das die Arbeit eines herkömmlichen Niedertastgradmodulators zeigt.
3A ist eine Darstellung, die Variationen des PWM-Ausgangssignals zeigt, das unter Verwendung des 1SPW-Modulationsschemas erzeugt wird.
3B ist die 1SPW-Modulatortransferfunktion, die aus 3A erhalten wird.
3C ist eine Darstellung, die Variationen des PWM-Ausgangssignals zeigt, das unter Verwendung des 1SPW-Modulationsschemas erzeugt wird, wenn eine Minimalpulsbreitenbeschränkung angewendet wird.
3D ist die1SPW-Modulatortransferfunktion, die aus 3C erhalten wird.
4 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Modulieren eines Signals gemäß der Offenbarung.
5 ist eine Darstellung eines Signalmodulators zum Implementieren des Verfahrens von 4.
6 ist ein Rampensignal mit einem dreieckigen Profil.
7 ist ein Ablaufdiagramm zum Erzeugen eines angepassten Rampensignals.
8 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Erzeugen eines modulierten Signals unter Verwendung des Modulators von 5 zeigt.
9 ist ein moduliertes Rampensignal.
10 ist ein Zeitdiagramm, das die Arbeit des Modulators von 5 zeigt.
11 ist ein weiteres Zeitdiagramm, das die Arbeit des Modulators von 5 zeigt.
12 ist noch ein weiteres Zeitdiagramm, das die Arbeit des Modulators von 5 zeigt.
13 ist eine Darstellung eines adaptiven Rampengenerators zur Verwendung in der Schaltung von 5.
14 ist eine Simulation eines angepassten Rampensignals.
15 ist eine Simulation einer gesamten harmonischen Verzerrung, die mit einem herkömmlichen Modulator und mit dem Modulator gemäß der Offenbarung erhalten wird.
16 ist die gemessene Tastgradverzerrung als eine Funktion der Laststromstärke, die an den Ausgängen einer Vollbrückenleistungsstufe erhalten wird.
17 ist ein weiterer adaptiver Rampengenerator zur Verwendung mit der Schaltung von 5.
18 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Anpassen eines Rampensignals unter Verwendung eines Tastgradverzerrungskorrekturterms.
19 ist eine Darstellung, die Variationen der PWM-Ausgaben des Modulators von 5 zeigt.

Genaue Beschreibung
1 zeigt einen Klasse-D-Verstärker 100 zum Verstärken eines Eingangssignals. Der Verstärker 100 umfasst ein Schleifenfilter 105 und einen Modulator 110, der mit einer Vollbrückenleistungsstufe gekoppelt ist. Der Modulator 110 ist mit einem ersten Treiber 120 zum Ansteuern einer ersten Halbbrücke 130, die durch Leistungsschalter M1 und M2 ausgebildet ist; und mit einem zweiten Treiber 140 zum Ansteuern einer zweiten Halbbrücke 150, die durch Leistungsschalter M3 und M4 ausgebildet ist, gekoppelt. Die Ausgänge der ersten und zweiten Halbbrücke 130 und 150 sind mit dem Schleifenfilter 105 gekoppelt und bilden damit eine Rückkopplungsschleife.
Im Betrieb unterdrückt der Schleifenfilter 105 das Rauschen, das in dem ersten und zweiten Eingangssignal in_n und in_p und Rückkopplungssignalen out_n und out_p vorhanden sein kann, wobei das Schleifenfilter jeweils Schleifenfilterausgangssignale m_in_n und m_in_p erzeugt. Der Modulator 110 empfängt die Schleifenfilterausgangssignale m_in_n und m_in_p und erzeugt ein pulsbreitenmoduliertes PWM-Ausgangssignal für jedes Schleifenfilterausgangssignal, das als m_out_n bzw. m_out_p bezeichnet wird. Das erste PWM-modulierte Signal m_out_n wird von dem Treiber 120 empfangen, der dann ein Hochseitenansteuersignal zum Ansteuern von M1 und ein Niederseitenansteuersignal zum Ansteuern von M2 erzeugt. Die erste Halbbrücke 130 liefert somit ein verstärktes Ausgangssignal out_n. Ähnlich wird das zweite PWM-modulierte Signal m_out_p von dem Treiber 140 empfangen, der dann ein Hochseitenansteuersignal zum Ansteuern von M3 und ein Niederseitenansteuersignal zum Ansteuern von M4 in der zweiten Halbbrücke 150 erzeugt. Die zweite Halbbrücke 150 liefert somit ein verstärktes Ausgangssignal out_p. Die verstärkten Signale out_n und out_p können in einen Wandler wie etwa einen Lautsprecher eingespeist werden.
2 ist ein Zeitdiagramm 200, das die Arbeit eines herkömmlichen Niedertastgradmodulators zeigt, wobei der Modulatoreingang m_in_p mit der Zeit steigt und der Modulatoreingang m_in_n mit der Zeit fällt. 2 zeigt die Wellenformen eines ersten Eingangssignals m_in_n, 210, eines zweiten Eingangssignals m_in_p 220 und eines dreieckigen Rampensignals 230. Zudem sind die erste modulierte Ausgabe m_out_p, 240, das zweite modulierte Ausgangsignal m_out_n, 250, zusammen mit einem Differenzsignal 260 des ersten modulierten Signals 240 minus des zweiten modulierten Signals 250 gezeigt. Der Modulator invertiert, was bedeutet, dass m_in_n 210 m_out_p 240 erzeugt und m_in_p 220 m_out_n 250 erzeugt. Zudem ist ein Summensignal 270 gezeigt, das die Summe aus dem ersten Modulatorausgangssignal 240 und dem zweiten Modulatorausgangssignal 250 ist.
Das Modulationsschema, das auch als 1SPW bezeichnet wird, funktioniert wie folgt: ein Hocheffizienz-PWM-Leistungstreiber stellt einen nominellen Tastgrad Dnom auf einen Wert niedriger als 50 %, z. B. 15 %, ein. Wenn das Modulatoreingangssignal steigt, steigt die Ausgangspulsbreite des modulierten Signals 240, während die Ausgangspulsbreite des modulierten Signals 250 wie gezeigt in der Zeit zwischen den Zeitpunkten t1-t7 fällt.
Zum Zeitpunkt t1 oder vorher verengt sich der Ausgangspuls 240 auf null, was zu einer sogenannten Ausgangsklemmung des Modulatorausgangs m_out_p führt. Ähnlich, wird zum Zeitpunkt t7 und danach ein Punkt erreicht, an dem sich die Breite des Ausgangspulses 250 auf null verengt, was zu einer sogenannten Ausgangsklemmung des Modulatorausgangs m_out_n führt. Da für Zeitperioden zum Zeitpunkt t1 oder früher und zum Zeitpunkt t7 oder später eines der beiden Ausgangssignale 240 oder 250 geklemmt ist und jeweils eine Halbbrücke 150 oder 130 nicht schaltet, wird dadurch Energie gespart. Jedenfalls ist das 1SPW-Modulationsschema durch signifikante Signalverzerrung beschränkt. Eine Auswertung eines einfachen 1SPW-Modulationsschemas wird nun erörtert.
3A ist ein Diagramm 305, das die Variationen der PWM-Ausgangssignale m_out_n und m_out_p, die unter Verwendung des 1SPW-Modulationsschemas erzeugt werden, als Funktion ihrer Eingangssignale m_in_n und m_in_p zeigt. 3B zeigt die 1SPW-Modulatortransferfunktion 310, die aus 3A erhalten wird. Die Transferfunktion 310 ist nichtlinear und erzeugt damit Signalverzerrung. Der Tastgrad beträgt 30 %, wenn die Modulatoreingangssignale m_in_n und m_in_p die Bedingung erzeugen, die veranlasst, dass entweder der Ausgang 240 oder 250 geklemmt wird, wodurch die inkrementelle Verstärkung des Modulators verringert wird. Eine solche Schleifenverstärkungsänderung wirkt sich auf die Stabilität aus und macht es erforderlich, dass die Schleifenbandbreite auf einen niedrigen Wert gesetzt wird.
Eine Rückkopplungsschleife zweiter Ordnung allein kann unzureichend sein, um die Verzerrung zu unterdrücken, die sich aus der Wirkung der Ausgangsklemmung ergibt. Signalverzerrung kann durch Erhöhen der Schleifenfilterbandbreite und Verstärkung über die Bandbreite von Interesse hinweg mit einem verbundenen Anstieg in der PWM-Schaltfrequenz verringert werden. Allerdings erhöht dies den Energieverbrauch des Systems. Ein Schleifenfilter höherer Ordnung kann eine erhöhte Verstärkung über die Bandbreite von Interesse liefern und dabei helfen, Verzerrungen zu unterdrücken. Allerdings können sich Schleifenfilter höherer Ordnung als schwierig zu stabilisieren herausstellen und benötigen oft automatische Abstimmung, um Schleifenstabilität über Prozessspannungs- und Temperaturvariationen (PVT-Variationen) aufrechtzuerhalten.
3C ist ein Diagramm 315, das die Variationen der PWM-Ausgangssignale m_out_n und m_out_p zeigt, die unter Verwendung des 1SPW-Schemas erzeugt werden, wenn eine Minimalpulsbreitenbeschränkung angewendet wird, und zwar als Funktion der Eingangssignale m_in_n und m_in_p gezeigt. 3D zeigt die 1SPW-Modulatortransferfunktion 320, die aus 3C erhalten wird. Ein Ausgangspuls, der für zu schmal befunden wird, wird durch Klemmen des Modulatorausgangs maskiert. Dieser „verlorene“ Puls erzeugt eine vertikale Stufe in der Transferfunktion, wodurch die Nichtlinearität der Transferfunktion weiter vergrößert wird.
4 ist ein Ablaufdiagramm 400 eines Verfahrens zum Modulieren eines Signals gemäß der Offenbarung. In Schritt 410 werden ein erstes Eingangssignal, ein zweites Eingangssignal, ein drittes Eingangssignal und ein Taktsignal mit einem Taktzyklus empfangen. Zum Beispiel können das erste und das zweite Eingangssignal aus einem einzigen Signal abgeleitet sein, so dass das zweite Signal gleich dem um 180 Grad verschobenen ersten Signal ist und damit eine gegenläufige Phase aufweist. Zum Beispiel können das erste und zweite Signal von einem Audiosignal abgeleitet sein. Das dritte Signal kann einen festen Pegel aufweisen, der den nominellen Tastgrad des Modulators festlegt.
In Schritt 420 wird ein Rampensignal mit einem Profil bereitgestellt, das in jedem Taktzyklus von einem minimalen Pegel aus startet. Zum Beispiel kann das Rampensignal ein dreieckiges Profil aufweisen.
In Schritt 430 wird das Eingangssignal mit der höchsten Amplitude unter dem ersten Eingangssignal, dem zweiten Eingangssignal und dem dritten Eingangssignal identifiziert.
Bei Schritt 440 wird der minimale Pegel des Rampensignals angepasst und der Spitzenwert der Rampe wird im Wesentlichen gleich dem Eingangssignal mit der höchsten Amplitude unter dem ersten Eingangssignal, dem zweiten Eingangssignal und dem dritten Eingangssignal gehalten.
5 beschreibt einen Signalmodulator 500 zum Implementieren des Verfahrens von 4. In diesem Beispiel ist der Modulator 500 ein PWM-Modulator, der eine Eingangsstufe 510, einen adaptiven Rampengenerator 550; und eine Vergleichsstufe, die durch Unterkomparatorschaltungen 520 bzw. 530 ausgebildet ist, umfasst. Die Eingangsstufe 510 umfasst einen ersten Komparator 512, der mit einer ersten Speicherzelle wie etwa einem D-Flipflop 516 gekoppelt ist; und einen zweiten Komparator 514, der mit einer zweiten Speicherzelle oder einem D-Flip-Flop 518 gekoppelt ist.
Der Komparator 512 hat einen nichtinvertierenden Eingang zum Empfangen eines ersten Eingangssignals m_in_n, einen invertierenden Eingang zum Empfangen einer Referenz ref_ton und einen Ausgang, der mit dem Dateneingang D des D-Flipflops 516 gekoppelt ist. In ähnlicher Weise hat der zweite Komparator 514 einen nichtinvertierenden Eingang zum Empfangen eines zweiten Eingangssignals m_in_p, einen invertierenden Eingang zum Empfangen der einer Referenz ref_ton und einen Ausgang, der mit dem Dateneingang D des zweiten D Flipflops 516 gekoppelt ist. Das erste und das zweite D-Flipflop 516, 518 umfassen jeweils einen Dateneingang D, einen Takteingang CK, einen ersten Ausgang Q und einen zweiten Ausgang Qb, der dem Komplement des ersten Ausgangs Q entspricht. Der Takteingang des ersten und des zweiten D-Flipflops sind miteinander gekoppelt, um dasselbe Taktsignal clk0 zu empfangen. Das Taktsignal clk0 hat eine Schaltfrequenz, die als PWM-Frequenz bezeichnet werden kann.
Die erste Unterkomparatorschaltung 520 umfasst eine Abtast- und Halteschaltung 522, einen Komparator 524 und optional ein NOR-Gatter 526 mit drei Eingängen. Die Abtast- und Halteschaltung 522 tastet den Eingang m_in_n zu Beginn des Taktzyklus clk0 ab und hält den abgetasteten Wert für die Dauer der clkO-Taktperiode. Techniken zum Implementieren der Abtast- und Halteschaltung 522 sind Fachleuten bekannt. Der Komparator 524 hat einen invertierenden Eingang, der mit dem Ausgang der Abtast- und Halteschaltung 522 gekoppelt ist; einen nichtinvertierenden Eingang, der zum Empfangen eines Rampensignals pwm_ramp mit einem Ausgang des adaptiven Rampengenerators 550 gekoppelt ist. Das NOR-Gatter 526 mit drei Eingängen hat einen ersten Eingang zum Empfangen eines Signals gate_out von dem adaptiven Rampengenerator 550, einen zweiten Eingang, der mit dem Ausgang des Komparators 524 gekoppelt ist, und einen dritten Eingang, der mit dem Ausgang Q des D-Flipflops 516 gekoppelt ist.
In ähnlicher Weise umfasst die zweite Unterkomparatorschaltung 530 eine Abtast- und Halteschaltung 532, einen Komparator 534 und optional ein NOR-Gatter 536 mit drei Eingängen. Die Abtast- und Halteschaltung 532 tastet den Eingang m_in_p zu Beginn des Taktzyklus clk0 ab und hält den Abtastwert für die Dauer der Taktperiode clk0. Techniken zum Implementieren der Abtast- und Halteschaltung 532 sind Fachleuten bekannt. Der Komparator 534 hat einen invertierenden Eingang, der mit dem Ausgang der Abtast- und Halteschaltung 532 gekoppelt ist; einen nichtinvertierenden Eingang, der zum Empfangen des Rampensignals pwm_ramp mit einem Ausgang des adaptiven Rampengenerators 550 gekoppelt ist. Das NOR-Gatter 536 mit drei Eingängen hat einen ersten Eingang zum Empfangen des Signals gate_out von dem adaptiven Rampengenerator 550, einen zweiten Eingang, der mit dem Ausgang des Komparators 534 gekoppelt ist, und einen dritten Eingang, der mit dem Ausgang Q des D-Flipflops 518 gekoppelt ist.
Optional kann ein Betriebsregionsidentifizierer 540 an dem Ausgang der Eingangsstufe 510 bereitgestellt sein, um eine Betriebsregion des Modulators zu identifizieren. Der Identifizierer 540 wird durch eine Menge von NOR-Gattern 542, 544 und 546 gebildet. Das erste NOR-Gatter 542 hat einen ersten Eingang, der mit dem Ausgang Qb des D-Flipflops 516 gekoppelt ist, und einen zweiten Eingang, der mit dem Ausgang Q des zweiten D- Flipflop 518 gekoppelt ist. Das erste NOR-Gatter 542 liefert ein Logiksignal region<2>. Das zweite NOR-Gatter 544 hat einen ersten Eingang, der mit dem Ausgang Q des ersten D-Flipflops 516 gekoppelt ist, und einen zweiten Eingang, der mit dem Ausgang Q des zweiten D-Flipflops 518 gekoppelt ist. Das zweite NOR-Gatter 544 liefert ein Logiksignal region<1>. Das dritte NOR-Gatter 546 hat einen ersten Eingang, der mit dem Ausgang Q des ersten D-Flipflops 516 gekoppelt ist, und einen zweiten Eingang, der mit dem Ausgang Qb des D-Flipflops 518 gekoppelt ist. Das dritte NOR-Gatter 546 liefert ein Logiksignal region<0>.
Der adaptive Rampengenerator 550 weist mehrere Eingänge und zwei Ausgänge zum Liefern des Rampensignals pwm_ramp und optional des Sperrsignals gate_out auf. In diesem Beispiel hat der adaptive Rampengenerator 12 Eingänge und zusätzliche Eingänge, die in einem 3-Bit-Bus zum Empfangen des ersten und zweiten Eingangssignals m_in_n und m_in_p, des Taktsignals clk0, des modulierten Signals m_out_p aus der Unterkomparatorschaltung 520; des modulierten Signals m_out_n aus der Unterkomparatorschaltung 530; des Signals sampled_in_n aus der Abtast- und Halteschaltung 522; des Signals sampled_in_p aus der Abtast- und Halteschaltung 532; Extrema-Signale ramp_out_min und ramp_out_max; und eines Signals enable zum Aktivieren des Rampengenerators gebildet sind. Die Signale ref_ton, ref_toff, ramp_out_min und ramp_out_max können aus der Versorgungsspannung abgeleitet sein, die auch als Eingangsspannung vin bezeichnet wird, die mit Bezug auf 1 beschrieben ist. Beispielsweise kann in 1 eine Widerstandsleiter mit mehreren Ausgängen verwendet werden, um diese Signale zu erzeugen. Infolgedessen können die Referenzsignale ref_ton, ref_toff, ramp_out_min und ramp_out_max in Bezug auf die Versorgungsspannung fixiert werden und abnehmen, wenn die Versorgungsspannung abnimmt. Der Wert von ref_ton kann so hoch wie möglich gewählt werden, um den Energieverbrauch auf ein Minimum zu reduzieren, jedoch niedrig genug, um genügend Freiraum für das System zu schaffen, um beispielsweise Versätze in Komparatoren zuzulassen.
Optional kann der adaptive Rampengenerator 550 auch das durch die Ausgänge der NOR-Gatter 542, 544 und 546 gebildete Signal region<2:0>; sowie einen ersten und zweiten Halbbrückenausgang out_n und out_p aus einer Leistungsstufe empfangen. Beispielsweise kann out_n von der Halbbrücke 130 stammen und out_p kann von der Halbbrücke 150 von 1 stammen.
Im Betrieb tasten die Abtast- und Halteschaltungen 522 und 532 das erste und zweite Eingangssignal m_in_n und m_in_p an dem Anfang eines PWM-Zyklus ab; somit wird das Signal sampled_in_n bzw. sampled_in_p erzeugt. Jedes abgetastete Signal wird für die Dauer des PWM-Zyklus konstant gehalten.
Der adaptive Rampengenerator 550 erzeugt in jedem PWM-Zyklus ein modifiziertes Rampensignal pwm_ramp, indem der Spitzenwert des Rampensignals auf den Maximalwert der abgetasteten Eingangssignale oder das Signal ramp_out_max ausgerichtet wird. Dies ermöglicht die Korrektur von nichtlinearen Effekten, die andernfalls aufgrund der Ausgangsleistungsstufenklemmung und der Minimalpulsbreitentorsteuerung auftreten würden. Optional kann der adaptive Rampengenerator auch ein Torsteuersignal gate_out erzeugen, das einer minimalen Pulsbreite zum Ansteuern der Ausgangsstufe entspricht.
Die Eingangsstufe 510 empfängt das erste und das zweite Eingangssignal m_in_n und m_in_p und die Referenz ref_ton; und erzeugt ein erstes Komparatorsignal, das m_in_n zugeordnet ist, und ein zweites Komparatorsignal, das m_in_p zugeordnet ist. Das erste und das zweite Komparatorsignal werden dann dem D_Flipflop 516 und 518 zugeführt, um ein erstes Maskensignal n_mask zu erzeugen, wenn m_in_n größer als ref_ton ist; und ein zweites Maskensignal p_mask zu erzeugen, wenn m_in_p größer als ref_ton ist. Bei getakteten D-Flipflops werden die Maskensignale oder Pulse n_mask und p_mask zu Beginn des PWM-Zyklus gebildet und dauern für die Dauer des PWM-Zyklus an.
Der erste Komparator 524 des Unterkomparators 520 empfängt die erste abgetastete Eingabe sampled_in_n und das Signal pwm_ramp und liefert das modulierte Signal m_out_p an dem Ausgang des NOR-Gatters 526. Das modulierte Ausgangssignal kann durch das NOR-Gatter 526 blockiert werden, wenn entweder das Signal gate_out oder das Signal n_mask hoch ist, beispielsweise eine logische 1. In ähnlicher Weise empfängt der zweite Komparator 534 des Unterkomparators 530 das zweite abgetastete Eingangssignal sampled_in_p und das Signal pwm_ramp und liefert das modulierte Signal m_out_n an dem Ausgang des NOR-Gatters 536. Das modulierte Ausgangssignal m_out_n kann durch das NOR-Gatter 536 blockiert werden, wenn entweder das Signal gate_out oder das Signal p_mask hoch ist, beispielsweise eine logische 1. Daher wird einer der PWM-Ausgänge m_out_p und m_out_n bei entsprechender Maskierung in den Aus-Zustand gezwungen, wenn das entsprechende Maskierungssignal, n_mask oder p_mask, aktiviert ist. Wie es in 1 dargestellt ist, können die modulierten Ausgangssignale m_out_n und m_out_p verwendet werden, um eine PWM-Leistungsstufe in einem Klasse-D-Verstärker anzusteuern.
Der Modulator 500 kann abhängig von dem Pegel des Eingangssignals in Bezug auf ref_ton in drei verschiedenen Regionen arbeiten. Der Satz von Logikgattern 542, 544 und 546 kann verwendet werden, um eine erste Region zu identifizieren, die als region<0> bezeichnet wird, wenn das Eingangssignal m_in_p über ref_ton liegt und m_in_n kleiner als ref_ton ist; eine zweite Region zu identifizieren, die als region<1> bezeichnet wird, wenn der Eingang m_in_p und m_in_n beide unter ref_ton liegen, und eine dritte Region zu identifizieren, die als region<2> bezeichnet wird, wenn m_in_p kleiner als ref_ton ist und m_in_n größer als ref_ton ist. Beispielsweise können diese Regionen von dem adaptiven Rampengenerator 550 verwendet werden, um einen Tastgradverzerrungskorrekturkoeffizienten zu berechnen.
Wenn der Modulator in der ersten Region (region<0>) arbeitet, wird der minimale Pegel des Rampensignals gleich der Amplitude des Signals m_input_p minus der maximalen absoluten Amplitude des Rampenprofils gesetzt. Wenn der Modulator in der dritten Region (region<2>) arbeitet, wird der minimale Pegel des Rampensignals gleich der Amplitude des Signals m_input_n minus der maximalen absoluten Amplitude des Rampenprofils gesetzt. Wenn der Modulator in der zweiten Region (Region<1>) arbeitet, wird der minimale Pegel auf einen vorbestimmten Wert gesetzt, der zu einem niedrigen Tastgrad führt.
Der Modulator 500 kombiniert mehrere Vorteile. Durch adaptives Anpassen des Rampensignals in jedem Taktzyklus wird eine Transferfunktion mit geringer Verzerrung erhalten, ohne dass ein Schleifenfilter höherer Ordnung erforderlich ist. Der Modulator 500 ermöglicht auch das Aufrechterhalten einer konstanten Verstärkung über einen erweiterten Bereich, wodurch die Verzerrung weiter gemindert wird. Darüber hinaus wird durch die Implementierung einer Ausgangsklemmung des Signals mit einer definierten Schwelle der Energieverbrauch innerhalb des Systems reduziert.
6 veranschaulicht ein Zeitdiagramm 600, wobei ein Rampensignal 610 ein dreieckiges Profil aufweist und ein Taktsignal 620 eine PWM-Frequenz f_pwm und eine PWM-Periode t_pwm 640 aufweist. In jedem Taktzyklus steigt das Rampensignal zwischen einem minimalen Pegel 612 und einem maximalen Pegel 614 für die erste halbe Periode und fällt während der zweiten halben Periode von dem maximalen Pegel auf den minimalen Pegel ab. Mittendrin erreicht das Rampensignal seine maximale absolute Amplitude oder seinen maximalen Spitzenwert. Ein erster Referenzpegel ref_ton 632 wird verwendet, um ein Minimal-ton-Fenster ton_min zu definieren, wenn das Rampensignal 610 über ref_ton 632 liegt. In ähnlicher Weise wird ein zweiter Referenzpegel ref_toff 634 verwendet, um ein Minimal-toff-Fenster toff_min zu definieren, wenn das Rampensignal 610 unter ref_toff 634 liegt
7 zeigt ein Ablaufdiagramm 700 zum Erzeugen eines angepassten Rampensignals gemäß der Offenbarung. In Schritt 710 beginnt ein PWM-Zyklus und die Abtast- und Halteschaltungen 522 und 532 tasten die Eingänge m_in_n bzw. m_in_p ab. In den Schritten 720 und 730 vergleicht die Eingangsstufe 510 die Eingangssignale m_in_p und m_in_n mit der Referenz ref_ton. Wenn m_in_p größer als ref_ton ist, so ist das Logiksignal p_mask = 1; wenn m_in_n größer als ref_ton ist, so ist das logische Signal n_mask = 1.
In Schritt 740 berechnet der adaptive Rampengenerator 550 einen minimalen Pegel zum Starten des Rampensignals. Der Minimalpegel ist definiert als die maximale Eingangsamplitude, die unter dem ersten Eingangssignal, dem zweiten Eingangssignal und dem Referenzsignal ramp_out_max ausgewählt ist, minus dem Maximalwert oder dem Spitzenwert des Rampensignals. Optional kann die Berechnung des minimalen Pegels durch Addieren eines Tastgradverzerrungskoeffizienten DCD korrigiert werden. Das Rampensignal weist einen linearen Anstieg und einen linearen Abfall auf. Abhängig von der Implementierung kann der Anstieg und Abfall des Rampensignals dem Laden und Entladen einer Kondensatorschaltung folgen. Auf diese Weise wird die Spitze des Rampensignals auf dem höheren der beiden abgetasteten Eingangssignale sampled_in_p und sampled_in_n oder dem Referenzsignal ramp_out_max gehalten.
In Schritt 740 steigt das Rampensignal linear auf den maximalen Pegel an, wobei an diesem Punkt das Taktsignal niedrig wird (Schritt 750). In Schritt 760 fällt das Rampensignal linear auf den minimalen Pegel ab, wobei an diesem Punkt das Taktsignal hoch wird (Schritt 770). An dem Ende des Taktzyklus (Schritt 780) werden die Maskensignale auf null gesetzt.
8 ist ein Ablaufdiagramm 800, das ein Verfahren zum Erzeugen eines modulierten Signals unter Verwendung des Modulators von 5 darstellt. In Schritt 810 vergleicht der adaptive Rampengenerator 550 das Rampensignal mit ref_toff. Wenn das Rampensignal kleiner als ref_toff ist, gibt der adaptive Rampengenerator 550 das Signal gate_out = 1 aus. Wenn das Rampensignal alternativ größer als ref_toff ist, gibt der adaptive Rampengenerator 550 das Signal gate_out = 0 aus.
Der adaptive Rampengenerator 550 vergleicht kontinuierlich die abgetasteten Eingangssignale sampled_in_n und sampled_in_p mit dem Signal pwm_ramp, um das Modulatorsignal m_out_p bzw. m_out_n zu erzeugen. Das Ausgangssignal ist hoch, wenn pwm_ramp den abgetasteten Eingang überschreitet, solange das Eingangssignal unter dem Pegel ref_ton und über dem Pegel ref_toff liegt. Dies wird durch die Schritte 820, 830 und 840 für das modulierte Signal m_out_n gezeigt. Wenn in Schritt 830 das Maskensignal aktiviert ist, wird das modulierte Signal m_out_n blockiert und somit auf null gesetzt. Wenn in Schritt 840 das Torsteuersignal gate_out aktiviert ist, wird das modulierte Signal m_out_n blockiert und somit auf null gesetzt. Entsprechende Schritte 850, 860 und 870 werden für das modulierte Signal m_out_p implementiert.
9 zeigt ein Zeitdiagramm 900, wobei zwei Rampensignale relativ zueinander verschoben sind, zusammen mit den modulierten Ausgangssignalen. Dem ersten Rampensignal 910a, das auch als BD-Rampensignal bezeichnet wird, ist eine Gleichtaktspannung von 2,5 V zugeordnet. Die Ausgaben des Modulators sind in diesem Fall Signale 930a und 940a mit einem nominellen Tastgrad Dnom von 0,5 oder 50 %. Das zweite Rampensignal 910b, das auch als 1SPW-Rampensignal bezeichnet wird, ist in Bezug auf das erste Rampensignal 910a um einen Rampenversatzwert von in diesem Beispiel 0,825 V nach unten verschoben. Das zweite Rampensignal 910b ist einer Gleichtaktspannung von 1,675 V zugeordnet. Die Ausgaben des Modulators sind in diesem Fall Signale 930b und 940b mit einem nominellen Tastgrad Dnom von 0,17 oder 17 %.
10 ist ein Zeitdiagramm 1000, das die Arbeit des Modulators von 5 darstellt. 10 zeigt die abgetasteten Eingangssignale sampled_in_p 1010 und sampled_in_n 1020, das pwm_ramp-Signal 1030, die modulierten Ausgangssignale m_out_n 1050 und m_out_p 1040 sowie die Maskensignale n_mask 1060 und p_mask 1070. Es sind auch die modulierten Ausgangssignale m_out_p 1042 und m_out_n 1052 aus dem vorhergehenden Zyklus und die Referenz ref_ton 1005 dargestellt.
Zu Beginn eines neuen Zyklus hat das Eingangssignal zugenommen. In diesem Beispiel steigt das Signal sampled_in_p 1010 von einem Pegel geringfügig unter ref_ton auf einen Pegel geringfügig über ref_ton 1005 an. Die Spitze des Rampensignals 1030 ist nun auf das abgetastete Eingangssignal sampled_in_p 1010 ausgerichtet. Infolgedessen ist der minimale Pegel des Rampensignals 1001 in dem neuen Zyklus höher als der minimale Pegel in dem vorhergehenden Zyklus 1002. Die breite des Pulses 1040 ist im Vergleich zu der Breite des Pulses 1042 im vorhergehenden Zyklus verringert worden. Da das Signal sampled_in_p 1010 über dem Referenzpegel ref_ton liegt, wird das Ausgangssignal m_out_n 1050 als zu schmal zum Betreiben der Leistungsstufe angesehen und durch das Maskensignal p_mask 1070 maskiert. Die Breite des Pulses 1040 m_out_p wird reduziert, um den verlorenen Puls 1050 zu kompensieren, und kann schmaler sein als der Puls 1042 des vorherigen Zyklus.
11 zeigt ein weiteres Zeitdiagramm 1100 zum Darstellen der Arbeit des Modulators von 5. 11 zeigt das Signal sampled_in_p 1110, das Signal sampled_in_n 1120, das Signal pwm_ramp1130, die modulierten Ausgaben m_out_p 1140 und m_out_n 1150. Die modulierten Ausgangssignale m_out_p 1142 und m_out_p 1152 aus dem vorhergehenden Zyklus sind ebenfalls dargestellt. In diesem Szenario steigt das Eingangssignal von leicht unter ref_ton auf deutlich über ref_ton. Die Breite des Ausgangssignals 1140 m_out_p nimmt dem modularen Eingang sampled_in_n folgend zu. Das Ausgangssignal m_out_n 1150 ist maskiert.
12 zeigt noch ein weiteres Zeitdiagramm 1200, das sampled_in_p 1210, sampled_in_n 1220, das Signal pwm_ramp 1230, Ausgangssignale m_out_p 1240 und m_out_n 1250 sowie das Signal gate_out 1280 zeigt. In diesem Szenario steigt der Modulatoreingang auf eine Maximalausgangstastgradbeschränkung. Zu diesem Zeitpunkt zwingt ein Signal gate_out 1280 das verbleibende Ausgangssignal 1240 auf einen niedrigen Pegel.
13 ist eine beispielhafte Ausführungsform eines adaptiven Rampengenerators zur Verwendung in der Schaltung von 5. In diesem Beispiel arbeitet der Rampengenerator ohne DCD-Korrektur. Die Schaltung 1300 umfasst einen Rampengenerator 1352, der mit einem Rampenverschiebungsgenerator 1354 und einem Pulsgenerator 1356 gekoppelt ist. Der Rampenverschiebungsgenerator 1354 hat sieben Eingänge zum Empfangen von Eingangssignalen m_in_p und m_in_n, eines Rampenminimalwertsignals ramp_out_min und eines Rampenmaximalwertsignals ramp_out_max, eines Regionssignals region<2:0>, eines Freigabesignals und eines Taktes clk0. Der Rampenverschiebungsgenerator 1354 hat einen Ausgang zum Liefern eines Rampenverschiebungssignals.
Die Rampengeneratorschaltung 1352 hat fünf Eingänge zum Empfangen des Taktsignals clkO, des Freigabesignals, der Extrema-Signale ramp_out_min und ramp_out_max sowie des Rampenverschiebungssignals von dem Rampenverschiebungsgenerator 1354. Der Rampengenerator 1352 hat einen Ausgang zum Liefern des angepassten Signals pwm_ramp.
Die Pulsgeneratorschaltung 1356 hat zwei Eingänge zum Empfangen der Rampenverschiebung von dem Rampenverschiebungsgenerator 1354 und des Signals pwm_ramp von dem Rampengenerator 1352. Der Pulsgenerator 1356 ist dazu ausgelegt, ein Torsteuersignal gate_out zu liefern.
Im Betrieb empfängt der Rampenverschiebungsgenerator 1354 die Signale m_in_p und m_in_n und das Signal ramp_out_max und berechnet den minimalen Pegel oder den Startpegel für das Rampensignal. Wie oben beschrieben hält der Startwert der Rampe die Spitze des PWM-Rampensignals auf dem höchsten Pegel der beiden abgetasteten Eingangssignale und des Signals ramp_out_max. Der Rampengenerator 1352 erzeugt ein Rampensignal mit einem periodischen linearen Profil, wie beispielsweise ein dreieckiges Rampensignal. Der Pulsgenerator 1356 vergleicht das Rampensignal aus dem Rampengenerator 1352 mit der Referenz, die aus dem Rampenverschiebungssignal abgeleitet ist und der Schwelle ref_toff äquivalent ist, um das Torsteuersignal gate_out auszugeben.
In dieser Ausführungsform arbeiten zwei Schaltungen in abwechselnden PWM-Zyklen, nämlich ungeraden und geraden Zyklen. Dies verringert die zeitlichen Einschränkungen für das Zurücksetzen des Rampengenerators in jedem PWM-Zyklus. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass der adaptive Rampengenerator ohne Verwendung einer solchen Zeitmultiplextechnik implementiert werden kann.
Der Rampengenerator 1352 kann eine lineare Stromquelle und einen Kondensator umfassen. Eine lineare Spannungsrampe kann daher erzielt werden, indem der Kondensator mit dem linearen Strom geladen wird. Der Pulsgenerator 1356, der auch als Minimum-Off-Pulsgenerator bezeichnet, erzeugt das Ausgangssignal gate_out, wenn die Rampe unterhalb des Abtast-Eingangssignals liegt.
14 ist eine Simulation 1400 eines angepassten Rampensignals. 14 zeigt ein erstes Eingangssignal 1410, ein zweites Eingangssignal 1420, ein Eingangsrampensignal 1430 und das Signal pwm_ramp 1440. 14 zeigt zudem die Verschiebungspegel 1450 des Rampensignals, die einen Betrag darstellen, um den der Rampengleichspannungspegel jeden Zyklus verschoben wird. Das erste Eingangssignal 1410 entspricht m_in_n und das zweite Eingangssignal 1420 entspricht m_in_p. Drei Regionen können als region<0>, region<1> und region<2> bezeichnet werden. In region<0> ist m_in_p 1420 größer als ref_ton und m_in_n 1410 kleiner als ref_ton und die Spitze der Rampenausgänge folgen dem Signal m_in_p. In der zweiten Region region<1> ist m_in_p 1420 kleiner als ref_ton und m_in_n 1410 kleiner als ref_ton. Die Spitze des Rampenausgangssignals bleibt konstant auf einem Pegel, der dem nominellen Tastgrad von 17 % entspricht. Schließlich entspricht region<2> der Region, in der m_in_p 1420 kleiner als ref_ton und m_in_n 1410 größer als ref_ton ist. Die Spitze des Rampenausgangssignals folgt dem Signal m_in_n. Eine vertikale Stufe in dem Signal pwm_ramp 1440 erscheint zwischen der region<2> und der region<1> und zwischen der region<1> und der Region<0>. Diese Stufe korrigiert den verlorenen Puls an den Grenzen zwischen Regionen.
15 ist eine Simulation 1500 einer gesamten harmonischen Verzerrung THD, die i) mit einem herkömmlichen 1SPW-Modulator (Simulation 1510); ii) mit dem Modulator gemäß der Offenbarung, der die Linearitätskorrektur umfasst (Simulation 1520), und iii) mit dem Modulator gemäß der Offenbarung, der sowohl die Linearitätskorrektur als auch die Tastgradverzerrungskorrektur (DCD-Korrektur) umfasst (Simulation 1530) erhalten wurde.
Die Simulationen wurden für einen vollen Klasse-D-Verstärker mit Schleifenfilter höherer Ordnung erhalten. Simulationen von Übergangsrauschen wurden für ein 1-kHz-Eingangssignal über verschiedene Ausgangsleistungspegel hinweg mit einem nominellen Tastgrad Dnom = 17 % und einem Minimal-ton-Signal von 50 Nanosekunden durchgeführt. Die Hauptversorgungsspannung betrug 24 V und ermöglichte Ausgangsleistungen von bis zu 60 W bei einer Last von 4 Ohm.
Durch Vergleichen der Simulationen 1510 und 1520 kann beobachtet werden, dass der neue Modulator bei einem Leistungspegel oberhalb der Schwelle ref_ton, d. h. oberhalb von etwa 3 W, eine deutliche Verbesserung der Verzerrung bietet. Bei der höchsten Leistungsstufe im Bereich von 60 W steigt die Verzerrung für die Simulation 1510 auf über 1 %; die für den Modulator der Offenbarung erhaltene Verzerrung beträgt jedoch weniger als 0,01 %. Die Simulation 1520 zeigt auch, dass die Verzerrung über 3 W aufgrund der Tastgradverzerrung DCD in der Leistungsstufe ansteigt. Dies kann korrigiert werden, indem ein Korrekturterm in die PWM-Rampe eingefügt wird, wie es in Simulation 1530 dargestellt ist, wobei die Verzerrung weiter auf 0,002 % abfällt.
Eine Tastgradverzerrung DCD tritt auf, wenn sich der ausgegebene Tastgrad eines Eingangssignals, das in eine Vorrichtung eintritt, von dem ausgegebenen Tastgrad des Ausgangssignals, das die Vorrichtung verlässt, unterscheidet.
16 zeigt 1600 die gemessene Tastgradverzerrung der Leistungsstufe, die in den Simulationen von 15 verwendet wird, als Funktion der Laststromstärke, die an den Ausgängen einer Vollbrückenleistungsstufe erhalten wird. Die Messung 1610 entspricht der DCD, die an dem Ausgang out_n der Leistungsstufe erhalten wird, während die Messung 1620 der DCD entspricht, die an dem Ausgang out_p der Leistungsstufe erhalten wird. Wenn die Ausgangsstromstärke nahe null ist, ist dies auch bei der DCD der Fall. Wenn die Laststromstärke ansteigt, nimmt die einem Ausgang zugeordnete DCD zu, während die dem anderen Ausgang zugeordnete DCD abnimmt. Wenn die Laststromstärke ungefähr 0,15 Ampere erreicht, verschwindet die n_dcd 1610 aufgrund einer Klemmung. Ein ähnlicher Effekt ist auch zu beobachten, wenn die Laststromstärke auf -0,15 Ampere abfällt. In diesem Fall verschwindet die p_dcd 162022 aufgrund der Ausgangsklemmung. Ein Korrekturterm kann erhalten werden, indem die DCD bei einer Laststromstärke gemessen wird, für die eine Ausgangsklemmung auftritt.
17 zeigt einen weiteren adaptiven Rampengenerator zur Verwendung mit dem Schaltungsmodulator von 5. Der adaptive Rampengenerator 1700 hat ähnliche Merkmale wie die in der Schaltung von 13 gezeigten und die gleichen Bezugszeichen werden zur Beschreibung entsprechender Merkmale verwendet. Diese werden der Kürze halber nicht noch einmal beschrieben. In diesem Beispiel umfasst der adaptive Rampengenerator 1700 einen DCD-Sensor 1758, der mit dem Rampenverschiebungsgenerator 1354 gekoppelt ist.
Der DCD-Sensor 1758 hat 12 Eingänge zum Empfangen der folgenden Signale: out_p, out_n, m_out_p, m_out_n, p_mask, n_mask, sampled_in_p, sampled_in_n, ramp_out_max, ramp_out_min, enable und clk0. Der DCD-Sensor 1758 ist dazu ausgelegt, dem Rampenverschiebungsgenerator 1354 über das Signal ramp_dcd einen DCD-Korrekturkoeffizienten zu liefern. Der DCD-Sensor kann eine Tastgradverzerrung berechnen oder auswerten, indem er das von der ersten Halbbrücke 130 gelieferte Signal out_n mit dem vom Modulator gelieferten ersten modulierten Signal m_out_n vergleicht; und das von der zweiten Halbbrücke 150 gelieferte Signal out_p mit dem von dem Modulator gelieferten zweiten modulierten Signal m_out_p vergleicht.
Der DCD-Sensor 1758 kann eine Stromquelle zum Laden und Entladen eines Kondensators umfassen. Es kann auch eine Zeitverzögerungsschaltung umfassen. Der DCD-Korrekturterm kann als digitale Datenwörter gespeichert werden; es versteht sich jedoch, dass der DCD-Korrekturterm auch unter Verwendung von Analogsignalen implementiert werden kann, die gespeichert und anschließend zur Darstellung von DCD-Korrekturtermen verwendet werden können.
Der DCD-Korrekturterm wird durch Prozessschwankungen, absolute Ausgangsspannung, Temperatur und Versorgungsspannung beeinflusst. Um die höchste Leistungsfähigkeit zu erreichen, kann der DCD-Korrekturterm, der auf den PWM-Rampengenerator angewendet wird, kontinuierlich gemessen werden. Es können auch zusätzliche Sensoren bereitgestellt werden, um den DCD-Sensor 1758 neu zu kalibrieren. Ein solcher Sensor kann Temperatursensoren, Spannungsversorgungssensoren sowie Zeitgeber umfassen.
18 zeigt ein Ablaufdiagramm 1800 eines Verfahrens zum Anwenden eines DCD-Korrekturterms auf ein Rampensignal. Bei diesem Verfahren werden drei Korrekturterme verwendet, die als DCD_11, DCD_10 und DCD_12 bezeichnet werden. Der Term DCD_11 entspricht einer sogenannten Nullpunktkorrektur und wird in region<1> angewendet. Der Term DCD_10 entspricht einem Übergang vom Betrieb in region<1> zu Betrieb in region<0> und wird angewendet, während der Modulator in region<0> arbeitet. Der Term DCD_12 entspricht einem Übergang von region<1> zu region<2> und wird angewendet, während der Modulator in region<2> arbeitet.
In Schritt 1810 wird eine Kalibrierung durchgeführt, indem die Verstärkung des DCD-Sensors 1758 an die Steigung des von dem Rampengenerator 1352 erzeugten Rampensignals angepasst wird. Die Korrekturterme DCD_10, DCD_12 und DCD_11 werden auf null initialisiert und der Korrekturterm DCD_11 wird angewendet.
In Schritt 1820 wird für jeden PWM-Zyklus ein DCD-Korrekturterm angewendet. Ein DCD-Wert des Korrekturterms kann in einigen PWM-Zyklen aktualisiert werden. Der DCD-Korrekturterm kann gemessen und kontinuierlich auf den Rampengenerator angewendet werden. Der Rampenverschiebungsgenerator 1354 empfängt das Signal region<2:0> und wählt einen in dem DCD-Sensor 1758 gespeicherten Korrekturterm in Abhängigkeit davon aus, ob der Modulator in region<0>, in region<1> oder in region<2> arbeitet. Die Auswahl erfolgt an dem Punkt, an dem das Eingangssignal zwischen Regionen wechselt.
In Schritt 1830 kann eine Übergangsregion identifiziert werden. Wenn in Schritt 1840 ein Übergang von region<0> zu region<1> oder von region<2> zu region<1> identifiziert wird, wird in Schritt 1870 der Korrekturfaktor DCD_11 auf die PWM-Rampe angewendet. Wenn in Schritt 1842 ein Übergang von region<1> zu region<0> identifiziert wird, dann wird in Schritt 1846 der Korrekturfaktor DCD_10 auf die PWM-Rampe angewendet. Die verbleibende Bedingung eines Übergangs von region<1> zu region<2> führt zu der Anwendung des Korrekturfaktors DCD_12 in Schritt 1844.
Wenn jedoch in Schritt 1830 kein Übergang identifiziert wird, wird in Abhängigkeit von der Betriebsregion ein unterschiedlicher Korrekturfaktor angewendet. Befindet sich das System in Schritt 1850 in region<0>, wird in Schritt 1846 der Korrekturfaktor DCD_10 angewendet. Befindet sich das System in Schritt 1852 in region<2>, wird in Schritt 1844 der Korrekturfaktor DCD_12 angewendet. Befindet sich das System in region<1>, wird in Schritt 1854 die DCD der Leistungsstufe gemessen. Wenn die DCD in Schritt 1856 positiv ist, wird sie mit DCD_12 verglichen (Schritt 1860), um entweder DCD_12 zu aktualisieren (Schritt 1862) oder DCD_11 anzuwenden (1870). Wenn die DCD nicht positiv ist, wird sie mit DCD_10 verglichen (Schritt 1864), um entweder DCD_10 zu aktualisieren (Schritt 1866) oder DCD_11 anzuwenden (1870).
Die Ausgangsstufe DCD wird über die Zeit gemessen und die Korrekturterme werden adaptiv über mehrere PWM-Zyklen angepasst, um sich so nahe wie möglich an den Punkten zu positionieren, an denen die Ausgangsklemmung auftritt. Die Korrekturterme DCD_10 und DCD_12 können erhalten werden, indem die DCD bei der Ausgangsklemmung unter Verwendung eines Detektionsfilters für Spitzen mit schnellem Angriff und langsamen Verfall gemessen wird. In einem alternativen Verfahren können die DCD-Korrekturterme DCD_10 und DCD_12 unter Verwendung einer Vorabkenntnis der Zeit innerhalb des PWM-Zyklus, zu der eine Ausgangsklemmung auftritt, geschätzt werden.
19 zeigt die Variationen der PWM-Ausgänge m_out_n 1901 und m_out_p 1902 des in 5 beschriebenen Modulators. 19 zeigt die Beziehung zwischen den Eingangssignalen (m_in_p und m_in_n) und drei verschiedenen Betriebsregionen: region<0> 1910, region<1> 1920, region<2> 1930.
Fachleute werden erkennen, dass Variationen der offenbarten Anordnungen möglich sind, ohne von der Offenbarung abzuweichen. Obwohl der Modulator im Zusammenhang mit einem Audioverstärker beschrieben wurde, versteht es sich, dass ein solcher Modulator in anderen Anwendungen verwendet werden kann. Beispielsweise kann der Modulator in einem Signalverstärker zum Ansteuern einer haptischen Vorrichtung oder verschiedener Aktoren verwendet werden. Dementsprechend ist die obige Beschreibung der spezifischen Ausführungsform nur beispielhaft und dient nicht der Einschränkung. Es ist für Fachleute klar, dass geringfügige Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne dass der beschriebene Betrieb wesentlich geändert wird.

Claims

Signalmodulator zum Modulieren mindestens eines Eingangssignals; wobei der Modulator Folgendes umfasst: eine Eingangsstufe, die dazu ausgelegt ist, das mindestens eine Eingangssignal und ein Referenzsignal zu empfangen; einen adaptiven Rampengenerator, der dazu ausgelegt ist, ein Taktsignal mit einem Taktzyklus zu empfangen, ein Rampensignal mit einem Rampensignalprofil, das in jedem Taktzyklus von einem minimalen Pegel aus startet, bereitzustellen und den minimalen Pegel in jedem Taktzyklus anzupassen; wobei der adaptive Rampengenerator dazu ausgelegt ist, das Signal mit der höchsten Amplitude unter dem mindestens einen Eingangssignal und dem Referenzsignal zu identifizieren; und den minimalen Pegel so anzupassen, dass ein Spitzenwert des Rampensignals im Wesentlichen gleich dem Signal mit der höchsten Amplitude gehalten wird.
Signalmodulator nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Eingangssignal innerhalb eines Eingangssignal-Amplitudenbereichs variiert und der adaptive Rampengenerator dazu ausgelegt ist, von einem Pegel des mindestens einen Eingangssignals in Bezug auf das Referenzsignal abhängig in verschiedenen Regionen zu arbeiten.
Signalmodulator nach Anspruch 1 oder 2, wobei das mindestens eine Eingangssignal ein erstes Eingangssignal und ein zweites Eingangssignal umfasst; wobei der adaptive Rampengenerator dazu ausgelegt ist, das Signal mit einer höchsten Amplitude unter dem ersten Eingangssignal, dem zweiten Eingangssignal und dem Referenzsignal zu identifizieren.
Signalmodulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Referenzsignal einen Referenzpegel aufweist, der einen minimalen Tastgrad definiert.
Signalmodulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Rampensignalprofil ein periodisches Profil ist, das in jedem Taktzyklus linear zwischen dem minimalen Pegel und einem maximalen Pegel variiert; wobei das Rampenprofil durch eine maximale absolute Amplitude gekennzeichnet ist.
Signalmodulator nach Anspruch 5, wobei auf ein Identifizieren hin, dass eines aus dem ersten Eingangssignal und dem zweiten Eingangssignal größer als der Referenzpegel ist, der minimale Pegel gleich der Amplitude des Eingangssignals mit der höchsten Amplitude minus der maximalen absoluten Amplitude des Rampenprofils gesetzt wird, und auf ein Identifizieren hin, dass das erste und zweite Eingangssignal beide kleiner als der Referenzpegel sind, der minimale Pegel auf den Referenzpegel gesetzt wird.
Signalmodulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der adaptive Rampengenerator eine Rampenerzeugungsschaltung umfasst, die mit einem Rampenverschiebungsgenerator gekoppelt ist, wobei der Rampenverschiebungsgenerator dazu ausgelegt ist, einen Versatzwert zum Anpassen des minimalen Pegels zu berechnen.
Signalmodulator nach Anspruch 7, wobei der adaptive Rampengenerator einen Tastgradverzerrungssensor umfasst, der mit dem Rampenverschiebungsgenerator gekoppelt ist; wobei der Tastgradverzerrungssensor dazu ausgelegt ist, eine Leistungsstufentastgradverzerrung zu erfassen und einen Tastgradverzerrungskorrekturkoeffizienten zu liefern; wobei der Rampenverschiebungsgenerator den Versatzwert basierend auf dem Tastgradverzerrungskorrekturkoeffizienten erzeugt.
Signalmodulator nach Anspruch 8, wobei der Signalmodulator einen Regionsidentifizierer umfasst, der mit dem adaptiven Rampengenerator gekoppelt ist; wobei der Regionsidentifizierer dazu ausgelegt ist, eine Betriebsregion des Modulators zu identifizieren; wobei der Tastgradverzerrungssensor dazu ausgelegt ist, den Tastgradverzerrungskorrekturkoeffizienten basierend auf der Betriebsregion zu liefern.
Signalmodulator nach Anspruch 9, wobei die Leistungsstufentastgradverzerrung an einem Übergangspunkt zwischen verschiedenen Betriebsregionen erfasst wird.
Signalmodulator nach einem der Ansprüche 3 bis 10, wobei die Eingangsstufe dazu ausgelegt ist, ein erstes Maskensignal zu erzeugen, wenn ein Betrag des ersten Eingangssignals über einem Schwellenwert liegt, und ein zweites Maskensignal zu erzeugen, wenn ein Betrag des zweiten Eingangssignals über dem Schwellenwert liegt.
Signalmodulator nach Anspruch 11, der eine Komparatorstufe umfasst, die dazu ausgelegt ist, das erste Eingangssignal mit dem Rampensignal zu vergleichen, um eine erste modulierte Ausgabe zu liefern, und das zweite Eingangssignal mit dem Rampensignal zu vergleichen, um eine zweite modulierte Ausgabe zu liefern; wobei die Komparatorstufe dazu ausgelegt ist, das erste und das zweite Maskensignal zu empfangen und die erste modulierte Ausgabe zu blockieren, wenn das erste Maskensignal aktiviert ist; und die zweite modulierte Ausgabe zu blockieren, wenn das zweite Maskensignal aktiviert ist.
Signalmodulator nach Anspruch 12, wobei das erste und das zweite modulierte Ausgangssignal jeweils einen Puls umfassen und wobei der adaptive Rampengenerator dazu ausgelegt ist, die erste modulierte Ausgabe zu blockieren oder die zweite modulierte Ausgabe zu blockieren, wenn deren Puls eine Pulsbreite aufweist, die unter einen minimalen Schwellenwert fällt.
Signalverstärker, der Folgendes umfasst: eine Leistungsstufe, die eine erste Halbbrücke und eine zweite Halbbrücke umfasst; und einen Signalmodulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Signalmodulator dazu ausgelegt ist, eine erste modulierte Ausgabe zum Ansteuern der ersten Halbbrücke zu liefern; und eine zweite modulierte Ausgabe zum Ansteuern der zweiten Halbbrücke zu liefern.
Verfahren zum Modulieren mindestens eines Eingangssignals, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Empfangen mindestens eines Eingangssignals, Empfangen eines Taktsignals mit einem Taktzyklus, Empfangen eines Referenzsignals, Bereitstellen eines Rampensignals mit einem Profil, das in jedem Taktzyklus von einem minimalen Pegel aus startet, Identifizieren des Signals mit der höchsten Amplitude unter dem mindestens einen Eingangssignal und dem Referenzsignal und Anpassen des minimalen Pegels in jedem Zyklus so, dass ein Spitzenwert des Rampensignals im Wesentlichen gleich dem Signal mit der höchsten Amplitude gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Rampensignalprofil ein periodisches Profil ist, das in jedem Taktzyklus linear zwischen dem minimalen Pegel und einem maximalen Pegel variiert; wobei das Rampenprofil durch eine maximale absolute Amplitude gekennzeichnet ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das mindestens eine Eingangssignal ein erstes Eingangssignal und ein zweites Eingangssignal umfasst; wobei auf ein Identifizieren hin, dass eines des ersten oder des zweiten Eingangssignals größer ist als der Referenzpegel, der minimale Pegel gleich der Amplitude des Eingangssignals mit der höchsten Amplitude minus der maximalen absoluten Amplitude des Rampensignalprofils gesetzt wird; und auf ein Identifizieren hin, dass das erste und das zweite Eingangssignal beide kleiner sind als das Referenzsignal, der minimale Pegel auf den Referenzpegel gesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei das Bereitstellen des Rampensignals ein Modifizieren eines vorhandenen Rampensignals umfasst.