IT201700014710A1 - Generatore di tensione a forma d'onda triangolare e relativo circuito amplificatore in classe d - Google Patents
Generatore di tensione a forma d'onda triangolare e relativo circuito amplificatore in classe dInfo
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Description
“GENERATORE DI TENSIONE A FORMA D'ONDA TRIANGOLARE E RELATIVO CIRCUITO AMPLIFICATORE IN CLASSE D”
La presente invenzione è relativa ad un generatore di tensione a forma d’onda triangolare e ad un relativo circuito amplificatore in classe D.
In modo noto, i circuiti amplificatori in classe D sono circuiti di amplificazione che operano in commutazione, aventi in generale una elevata efficienza ed essendo dunque indicati per applicazioni di potenza.
La figura 1 illustra una tipica configurazione di un circuito amplificatore in classe D, indicato nel suo insieme con 1, avente in questo caso configurazione differenziale e comprendente un primo ed un secondo ramo circuitale 1a, 1b.
Il primo ed il secondo ramo circuitale 1a, 1b ricevono rispettivamente un primo segnale di ingresso VINP (ad esempio positivo) ed un secondo segnale di ingresso VINN(nell’esempio negativo), in corrispondenza di un primo e di un secondo terminale di ingresso INP, INN, e forniscono in uscita un primo (ad esempio negativo) segnale di uscita VOUTNed un secondo (ad esempio positivo) segnale di uscita VOUTP, in corrispondenza di un primo e di un secondo terminale di uscita OUTN, OUTP.
Ciascun ramo circuitale 1a, 1b comprende uno stadio di commutazione di uscita 2, costituito da un invertitore 4, a sua volta formato da un primo transistore MOS 4a, in particolare di tipo PMOS, collegato tra un ingresso di alimentazione INHVricevente una elevata tensione di alimentazione VHV ed un rispettivo terminale di uscita OUTN o OUTP, e da un secondo transistore MOS 4b, in particolare di tipo NMOS, collegato tra il rispettivo terminale di uscita OUTNo OUTPed un terminale di riferimento (di massa, gnd).
Ciascun ramo circuitale 1a, 1b comprende inoltre uno stadio comparatore 5, avente uscita collegata al terminale di gate comune dei transistori 4a, 4b ed atta a pilotare la commutazione dello stadio di commutazione di uscita 2 tra l’elevata tensione di alimentazione VHV e massa, un primo ingresso di comparazione (nell’esempio positivo) ricevente una tensione a forma d’onda triangolare, nel seguito richiamata semplicemente come tensione triangolare, VTRI, da un generatore di tensione triangolare 6, ed un secondo ingresso di comparazione (nell’esempio negativo).
Ciascun ramo circuitale 1a, 1b comprende inoltre uno stadio di retroazione 8, in configurazione di integratore, comprendente un amplificatore operazionale a transconduttanza (OTA) 9, avente un primo ingresso collegato ad un rispettivo terminale di ingresso INNo INPtramite un resistore di ingresso R1, un secondo ingresso collegato ad un terminale di riferimento, ed uscita collegata al secondo ingresso di comparazione dello stadio comparatore 5. In particolare, un resistore di integrazione R2è collegato in modo da definire un anello chiuso di retroazione tra il rispettivo terminale di uscita OUTPo OUTNed il primo ingresso dell’amplificatore operazionale a transconduttanza 9; ed un condensatore di integrazione C1è collegato tra lo stesso primo ingresso e l’uscita dell’amplificatore operazionale a transconduttanza 9 (che coincide con il secondo ingresso di comparazione dello stadio comparatore 5).
In maniera di per sé nota, qui non descritta in dettaglio, lo stadio comparatore 5, sulla base della tensione triangolare VTRI, determina una modulazione in PWM (Pulse Width Modulation), modificando il duty cycle del segnale di uscita VOUTN, VOUTP al variare dell’ampiezza del rispettivo segnale di ingresso VINP, VINN, ottenendo in tal modo un funzionamento a bassa dissipazione di potenza.
In maniera nota, come descritto ad esempio in M.
Berkhout, “An integrated 200W class-D audio amplifier”, IEEE JSSC, Luglio 2003, al fine di ottimizzare le prestazioni del circuito amplificatore 1, ad esempio in termini di PSRR (Power Supply Rejection Ratio) e THD (Total Harmonic Distortion), si richiede che il guadagno di anello sia il più elevato possibile, con il vincolo che il prodotto bandaguadagno (GBWP – Gain BandWidth Product) sia inferiore al limite di stabilità fs/π, dove fs indica la frequenza di ripetizione della tensione triangolare VTRI, pari all’inverso del periodo di ripetizione Ts.
Tale requisito è illustrato in figura 2, che mostra l’andamento del guadagno di anello G in funzione della frequenza, ed in cui è indicato il prodotto banda-guadagno GBWP.
In particolare, il prodotto banda-guadagno GBWP è definito dall’espressione:
1 V
GBWP = HV
2 piR2C1V TRI
in cui VHVe VTRIrappresentano rispettivamente l’ampiezza della elevata tensione di alimentazione dello stadio di commutazione di uscita 2 e l’ampiezza della tensione triangolare generata dal generatore di tensione triangolare 6, ed R2e C1indicano, come discusso in precedenza, la resistenza e la capacità del resistore e del condensatore di integrazione.
A causa delle variabilità (spread) di processo e di temperatura, risulta tuttavia difficile dimensionare il suddetto valore del prodotto banda-guadagno GBWP in modo che sia effettivamente vicino al limite di stabilità fs/π; in particolare, in sede di progetto occorre considerare un certo margine, ad esempio pari al 40%, da tale limite di stabilità, per evitare che lo stesso limite possa essere superato durante il funzionamento.
Ne consegue che, durante l’utilizzo, l’effettivo valore del prodotto banda-guadagno GBWP può discostarsi anche in maniera sensibile dal valore limite ideale, con ovvie ripercussioni in termini delle prestazioni che il circuito amplificatore 1 può raggiungere.
Una soluzione che è stata proposta per ovviare a tale inconveniente, data la dipendenza della suddetta espressione del prodotto banda-guadagno GBWP dall’ampiezza della tensione triangolare VTRI, prevede di progettare in maniera opportuna il generatore di tensione triangolare 6 in modo che l’ampiezza VTRIrisulti proporzionale all’ampiezza della elevata tensione di alimentazione VHV ed inversamente proporzionale al prodotto R2C1.
In tal modo, come evidente dalla suddetta espressione del prodotto banda-guadagno GBWP, risulta possibile cancellare, o in ogni caso ridurre fortemente, la dipendenza dello stesso prodotto banda-guadagno GBWP dagli spread di processo e di temperatura, e dunque dimensionare tale prodotto banda-guadagno GBWP effettivamente molto vicino al limite di stabilità fs/π.
Inoltre, è desiderabile che il valor medio della tensione triangolare VTRIsia costante, nel caso in cui lo stadio comparatore 5 del circuito amplificatore 1 sia alimentato da una tensione di alimentazione dedicata VDD, o direttamente proporzionale all’ampiezza dell’elevata tensione di alimentazione VHV, nel caso in cui lo stesso stadio comparatore 5 sia alimentato dall’elevata tensione di alimentazione VHV.
Una nota soluzione circuitale per la realizzazione di un generatore di tensione triangolare 6, che soddisfi i suddetti requisiti è mostrata in figura 3.
In particolare, il generatore di tensione triangolare, indicato nuovamente con 6, comprende in questo caso un amplificatore operazionale 10, in configurazione di inseguitore di tensione, che riceve ad un terminale di ingresso non invertente una tensione di ingresso avente ampiezza pari a KVHV, ovvero pari a K volte l’ampiezza dell’elevata tensione di alimentazione VHV(con K minore di 1, e presenta terminale invertente collegato ad un terminale di riferimento (massa, gnd) tramite un resistore di accoppiamento Rm, e terminale di uscita collegato al terminale di gate di un transistore NMOS 11.
Tale transistore NMOS 11 presenta inoltre terminale di source collegato al terminale invertente dello stesso amplificatore operazionale 10 e terminale di drain collegato ad un primo specchio di corrente 12, di tipo PMOS, costituito da tre transistori PMOS 12a, 12b, 12c.
La corrente I specchiata dal primo specchio di corrente 12 su un rispettivo ramo di uscita è pari a:
I =(K/Rm) ⋅ VHV.
dove Rm è la resistenza del suddetto resistore di accoppiamento.
Il generatore di tensione triangolare 6 comprende inoltre un secondo specchio di corrente 14, di tipo NMOS, costituito da due transistori NMOS 14a, 14b ed avente un rispettivo ramo di uscita che specchia la stessa corrente I.
In particolare, i rami di uscita del primo e del secondo specchio di corrente 12 sono collegati ad un nodo interno N1tramite un primo, rispettivamente un secondo, interruttore 15a, 15b.
Il primo ed il secondo interruttore 15a, 15b sono alternativamente comandati in apertura/chiusura in un primo ed in un secondo semiperiodo Ts/2 del periodo di ripetizione Ts, in modo tale che: in un primo semiperiodo Ts/2 venga fornita la corrente I al nodo interno N1 da parte del ramo di uscita del primo specchio di corrente 12 (il primo interruttore 15a è chiuso ed il secondo interruttore 15b è aperto); ed in un secondo semiperiodo Ts/2 la stessa corrente I venga estratta dallo stesso nodo interno N1 da parte del ramo di uscita del secondo specchio di corrente 14 (il primo interruttore 15a è aperto ed il secondo interruttore 15b è chiuso).
Il generatore di tensione triangolare 6 comprende inoltre uno stadio integratore di uscita, formato da un amplificatore operazionale 16, in configurazione di integratore, avente un primo terminale (terminale invertente) collegato al suddetto nodo interno N1, un secondo terminale (terminale non invertente) che riceve una tensione di riferimento VREF, e terminale di uscita che fornisce la tensione triangolare VTRI; tra il terminale di uscita ed il primo terminale del suddetto amplificatore operazionale 16 sono collegati in parallelo un resistore di integrazione Ried un condensatore di integrazione C2 (essendo valida la relazione: Ri>>> TS/C2).
È immediato verificare che l’ampiezza della tensione triangolare VTRIè data da:
1
<VTRI>=<kVHV>2fSR m C 2
essendo dunque direttamente proporzionale all’ampiezza dell’elevata tensione di alimentazione VHVed inversamente proporzionale al prodotto RmC2.
È dunque sufficiente fare in modo che i valori di resistenza e di capacità Rme C2siano accoppiati (matched) ai rispettivi valori di resistenza e capacità R2 e C1 del suddetto prodotto R2C1nell’espressione del prodotto bandaguadagno GBWP del circuito amplificatore 1, per far sì che la stessa ampiezza VTRIsoddisfi i requisiti precedentemente indicati, rendendo lo stesso prodotto banda-guadagno GBWP sostanzialmente indipendente dagli spread di processo e di temperatura.
Inoltre, il valore medio VTRI_MEANdella tensione triangolare VTRI (si veda anche la figura 4) risulta pari al valore della tensione di riferimento VREF, che può essere costante, nel caso in cui lo stadio comparatore 5 del circuito amplificatore 1 sia alimentato dalla tensione di alimentazione dedicata VDD, oppure posto pari a VHV/2 nel caso in cui lo stesso stadio comparatore 5 sia alimentato dalla stessa elevata tensione di alimentazione VH.
La presente Richiedente ha constatato che il suddetto generatore di tensione triangolare 6, pur consentendo, come discusso, di rispettare i requisiti desiderati sul valore di ampiezza della tensione triangolare VTRI, presenta tuttavia alcuni svantaggi.
In particolare, in tale implementazione sono presenti numerosi contributi di rumore, dovuti ad esempio al resistore di accoppiamento Rm, agli amplificatori operazionali 10, 16 ed ai transistori MOS del primo e del secondo specchio di corrente 12, 14.
Inoltre, sono presenti numerosi fattori di disadattamento (mismatch) ed offset. L’offset dell’amplificatore operazionale 10 si converte infatti direttamente in un offset della corrente specchiata I, comportando una corrispondente variazione dell’ampiezza della tensione in uscita; disadattamenti nei transistori PMOS e NMOS del primo e del secondo specchio di corrente 12, 14 creano un’asimmetria tra i fronti di salita e di discesa nella forma d’onda della tensione triangolare VTRI di uscita, causando in tal modo una variazione sia di ampiezza sia di valor medio della stessa tensione triangolare VTRI; il valore della frequenza di ripetizione fsimpone una limitazione relativa all’area dei transistori PMOS e NMOS, ad esempio, un elevato valore della suddetta frequenza di ripetizione fscomporta una ridotta area dei suddetti transistori PMOS e NMOS, dando origine ad elevati valori di offset e rumore; risulta inoltre difficile realizzare una efficace rete di compensazione, che deve infatti prevedere tre differenti contributi di regolazione (trimming) per il resistore di adattamento Rm, per il primo specchio di corrente 12 e per il secondo specchio di corrente 14.
È dunque sicuramente sentita l’esigenza di realizzare un generatore triangolare, in particolare per il circuito amplificatore 1, che sia in grado di soddisfare i requisiti richiesti per l’ampiezza della tensione triangolare VTRI, senza al contempo causare un degrado delle prestazioni dello stesso circuito amplificatore 1, ad esempio in termini di rumore ed offset.
Scopo della presente invenzione è quello di soddisfare la suddetta esigenza.
Secondo la presente invenzione vengono quindi forniti un generatore di tensione triangolare ed un corrispondente circuito amplificatore, come definiti nelle rivendicazioni allegate.
Per una migliore comprensione della presente invenzione, ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la figura 1 mostra uno schema circuitale di un circuito amplificatore in classe D, ad anello chiuso;
- la figura 2 mostra il grafico di un guadagno di anello in funzione della frequenza, nel circuito di figura 1;
- la figura 3 mostra uno schema circuitale di un generatore di tensione triangolare di tipo noto;
- la figura 4 mostra il grafico di una tensione triangolare generata dal generatore di figura 3;
- la figura 5 mostra uno schema circuitale di un generatore di tensione triangolare, secondo una prima forma di realizzazione della presente soluzione;
- la figura 6 mostra uno schema circuitale di un generatore di tensione triangolare, in accordo con una seconda forma di realizzazione della presente soluzione;
- la figura 7 mostra grafici relativi a prestazioni di guadagno nel generatore di figura 6; e
- la figura 8 mostra una ulteriore variante realizzativa del generatore di tensione triangolare, secondo la presente soluzione.
In figura 5 viene mostrato un generatore di tensione triangolare, indicato in questo caso con 20, secondo una prima forma di realizzazione della presente soluzione; tale generatore di tensione triangolare 20 può ad esempio essere utilizzato nel circuito amplificatore 1, in classe D, descritto in precedenza e mostrato in figura 1, per fornire la tensione triangolare VTRIall’ingresso dello stadio comparatore 5, consentendo la modulazione in PWM del segnale generato in uscita.
Il generatore di tensione triangolare 20 presenta un terminale di ingresso IN ricevente l’elevata tensione di alimentazione VHV ed un terminale di uscita OUT che fornisce la tensione triangolare VTRI.
Il terminale di uscita OUT, come descritto in precedenza, è destinato ad essere accoppiato elettricamente allo stadio comparatore 5 del circuito amplificatore 1, in particolare al relativo primo ingresso di comparazione. In particolare, questa prima forma di realizzazione si applica vantaggiosamente nel caso in cui lo stesso stadio comparatore 5 sia alimentato dall’elevata tensione di alimentazione VHV.
In dettaglio, il generatore di tensione triangolare 20 comprende un amplificatore operazionale 21, in configurazione di integratore, avente un primo ingresso (invertente), un secondo ingresso (non invertente), ed un’uscita che fornisce la tensione triangolare VTRI in corrispondenza del terminale di uscita OUT; tra l’uscita ed il primo ingresso del suddetto amplificatore operazionale 21 sono collegati in parallelo un resistore di integrazione RFed un condensatore di integrazione C (essendo valida la relazione: RF>> TS/C, dove TSindica nuovamente il periodo di ripetizione della tensione triangolare VTRI).
Il primo ingresso dell’amplificatore operazionale 21 è selettivamente collegabile al terminale di ingresso IN del generatore di tensione 20, mediante un primo interruttore 23 ed un primo resistore di ingresso Ri1; il primo resistore di ingresso Ri1ed il primo interruttore 23 sono collegati in serie tra il suddetto terminale di ingresso IN ed il primo ingresso dell’amplificatore operazionale 21. Il primo interruttore 23 è comandato da un primo segnale di controllo Sc1, ad onda quadra con periodo pari al periodo di ripetizione TS e duty cycle pari a TS/2.
Lo stesso primo ingresso dell’amplificatore operazionale 21 è inoltre selettivamente collegabile ad un terminale di riferimento (massa, gnd) del generatore di tensione 20, mediante un secondo interruttore 24 ed un secondo resistore di ingresso Ri2; il secondo resistore di ingresso Ri2ed il secondo interruttore 24 sono collegati in serie tra il suddetto terminale di riferimento (massa, gnd) ed il primo ingresso dell’amplificatore operazionale 21. Il secondo interruttore 24 è comandato da un secondo segnale di controllo Sc2, ad onda quadra con periodo pari al periodo di ripetizione TS e duty cycle pari a TS/2; in particolare, il primo ed il secondo segnale di controllo Sc1, Sc2sono in opposizione di fase, ovvero il primo segnale di controllo Sc1è attivo in un primo semiperiodo TS/2, mentre il secondo segnale di controllo Sc2 è attivo nel secondo semiperiodo TS/2 del periodo di ripetizione TS.
Il primo ingresso dell’amplificatore operazionale 21 è dunque selettivamente ed alternativamente collegato al terminale di ingresso IN (in un primo semiperiodo TS/2 del periodo di ripetizione TS), o al terminale di riferimento (in un secondo semiperiodo TS/2 dello stesso periodo di ripetizione TS).
Il generatore di tensione 20 comprende inoltre uno stadio partitore 26, formato da un primo e da un secondo resistore di partizione RA, RB, collegati in serie tra il terminale di ingresso IN ed il terminale di riferimento (massa, gnd), e definenti tra di loro un nodo interno di partizione Np.
In particolare, il secondo ingresso dell’amplificatore operazionale 21 è collegato al suddetto nodo interno di partizione Npe riceve una tensione di riferimento VREF.
È immediato verificare che la suddetta tensione di riferimento VREFè data dall’espressione seguente:
VREF=VHV/ k
dove k è il fattore di partizione dello stadio partitore 26, a sua volta dato da:
k=(RA+RB) / RB
Si verifica inoltre che la tensione di riferimento VREF corrisponde al valore medio VTRI_MEANdella tensione triangolare VTRI.
In uso, il primo ed il secondo interruttore 23, 24 sono alternativamente comandati in apertura/chiusura nel primo e nel secondo semiperiodo Ts/2 del periodo di ripetizione Ts, in modo tale che: in un primo semiperiodo Ts/2 venga fornita una corrente di carica in corrispondenza del primo ingresso dell’amplificatore operazionale 21 attraverso il primo resistore di ingresso Ri1(il primo interruttore 23 è chiuso ed il secondo interruttore 24 è aperto); e nel secondo semiperiodo Ts/2 venga estratta dallo stesso primo ingresso dell’amplificatore operazionale 21 una corrente di scarica attraverso il secondo resistore Ri2(il primo interruttore 23 è aperto ed il secondo interruttore 24 è chiuso).
In condizione di equilibrio (cosiddetta condizione di “steady state”), è dunque soddisfatta la seguente relazione di uguaglianza tra le correnti di carica e scarica, pari entrambe ad una corrente di integrazione I:
da cui discende che:
Nell’ipotesi che sia soddisfatta tale relazione, è agevole dimostrare che l’ampiezza della tensione triangolare VTRI è data da:
risultando dunque proporzionale all’ampiezza dell’elevata tensione di alimentazione VHV e inversamente proporzionale al prodotto Ri2C.
È dunque sufficiente fare in modo che i valori di resistenza e di capacità Ri2e C siano accoppiati (matched) ai rispettivi valori di resistenza e capacità R2 e C1 del prodotto R2C1nell’espressione del prodotto banda-guadagno GBWP del circuito amplificatore 1 (si veda la discussione precedente), per far sì che l’ampiezza VTRIsoddisfi i requisiti precedentemente indicati, rendendo il prodotto banda-guadagno GBWP del circuito amplificatore 1 sostanzialmente indipendente dagli spread di processo e di temperatura.
Inoltre, il valore medio VTRI_MEAN della tensione triangolare VTRIrisulta pari a VHV/k; ponendo k=2, tale valore medio risulta perfettamente centrato rispetto alla dinamica (0-VHV) dello stadio comparatore 5 del circuito amplificatore 1.
Con riferimento alla figura 6 viene ora descritto un generatore di tensione triangolare, indicato nuovamente con 20, in accordo con una seconda forma di realizzazione della presente soluzione; tale forma di realizzazione trova vantaggiosa applicazione nel caso in cui lo stadio comparatore 5 del circuito amplificatore 1 sia alimentato dalla tensione di alimentazione dedicata VDD, avente valore differente, in particolare minore, dall’elevata tensione di alimentazione VHV.
Il generatore di tensione triangolare 20 differisce dalla soluzione precedentemente descritta per il fatto di prevedere un fattore di partizione k variabile, ottenuto nell’esempio mediante l’introduzione di una resistenza variabile per il secondo resistore di partizione RB.
In questa forma di realizzazione, è infatti richiesto che la tensione triangolare VTRI si adatti alla dinamica di ingresso dello stadio comparatore 5, limitata al range 0-VDD; la variazione del fattore di partizione k (in questo caso, tramite la variazione della resistenza del secondo resistore di partizione RB) consente di mantenere il valore medio della tensione triangolare VTRI_MEAN (nuovamente dato da VHV/k) intorno al valore VDD/2, qualunque sia il valore di ampiezza della tensione di alimentazione dedicata VDD.
La variazione del fattore di partizione k comporta tuttavia una modifica dell’ampiezza della tensione triangolare VTRI(non solo del suo valore medio); vantaggiosamente, la configurazione descritta consente di ottenere che l’effetto (o sensibilità) di variazione sul valore medio della tensione triangolare VTRI_MEAN sia ampio, in modo tale da potersi adattare alla variabilità (spread) del valore della tensione di alimentazione dedicata VDD, ed al contempo che l’effetto di variazione dell’ampiezza della stessa tensione triangolare VTRI sia minimo (ovvero, che l’ampiezza della tensione triangolare VTRIsia sostanzialmente insensibile alla variazione del fattore di partizione k).
In particolare, modificando il fattore di partizione k di un fattore ∆k, il valore della tensione di riferimento VREF si modifica in maniera corrispondente di un fattore ∆VREF.
Si può dimostrare che, per effetto di tale modifica, valgono le seguenti espressioni, che identificano la corrispondente modifica del valor medio VTRI_MEANe dell’ampiezza VTRI della tensione triangolare:
Considerando che, come discusso in precedenza, l’ampiezza della tensione triangolare VTRIè anche in questo caso data da:
e che il valore medio della stessa tensione triangolare è pari a VTRI_MEAN=VHV/k, le suddette espressioni si possono riscrivere come:
in cui GMEANrappresenta il guadagno associato al valore medio VTRI_MEAN e GAMP rappresenta il guadagno associato all’ampiezza della stessa tensione triangolare VTRI, in funzione del fattore di partizione k.
In particolare, dato che l’ampiezza VTRIed il valor medio VTRI_MEAN della tensione triangolare possono avere un valore fisso, una volta nota la tensione di alimentazione dedicata VDD, le suddette variazioni ∆VTRI_MEAN e ∆VTRI risultano dipendere solamente dal fattore di partizione k.
Come illustrato in figura 7, vantaggiosamente, per valori del fattore di partizione k maggiori di una data soglia, nell’esempio pari a 1,5 (k ≥ 1,5), l’andamento del guadagno di ampiezza, GAMP, risulta sostanzialmente costante rispetto al fattore di partizione k, mentre l’andamento del guadagno di valor medio, GMEAN, presenta una ampia variabilità rispetto allo stesso fattore di partizione k.
Come desiderato, la soluzione descritta consente dunque, modificando il fattore di partizione k (nell’esempio, mediante la variazione della resistenza del secondo resistore di partizione RB), di variare in maniera desiderata il valore medio della tensione triangolare VTRI_MEAN, senza sostanzialmente modificare l’ampiezza della stessa tensione triangolare VTRI.
Tale ampiezza può dunque essere opportunamente dimensionata in modo da soddisfare i requisiti richiesti per ottenere un prodotto banda guadagno GBWP sostanzialmente costante, al contempo sfruttando la variabilità del valore medio della tensione triangolare VTRI_MEANper adattarsi alla dinamica variabile dello stadio comparatore 5 del circuito amplificatore 1.
Si può dimostrare che la variazione (“trimming”) del valore di resistenza del secondo resistore di partizione RBpuò inoltre contribuire alla riduzione, o eliminazione, dell’offset del circuito amplificatore 1, migliorando la precisione nella generazione della tensione triangolare VTRI.
I vantaggi della soluzione proposta emergono in maniera evidente dalla descrizione precedente.
In ogni caso, si sottolinea nuovamente che il generatore di tensione triangolare 20 precedentemente descritto consente di:
fornire un prodotto banda-guadagno GBWP sostanzialmente costante, indipendentemente da variazioni di processo e/o di temperatura, consentendo di massimizzare le prestazioni di un associato circuito amplificatore in classe D, ad esempio in termini dei parametri PSRR e THD;
limitare la generazione di rumore, dato che gli unici contribuiti di rumore sono associati ad elementi resistori (RA, RB, Ri1, Ri2), non essendo al contrario previsti transistori o specchi di corrente;
limitare la generazione di offset, dato che il solo amplificatore operazionale 21 contribuisce all’offset (non essendo al contrario previsti transistori o specchi di corrente) e considerando inoltre la possibilità di sfruttare la variabilità del fattore di partizione k per limitare ulteriormente l’offset stesso;
migliorare la linearità, dato che le correnti di carica e di scarica sono determinate da resistori, aventi migliore linearità rispetto, ad esempio, a transistori; e
migliorare la sensibilità, dato che, grazie alla possibilità di variare il rapporto di partizione k, risulta possibile adattarsi ad ogni possibile tensione di alimentazione dello stadio comparatore.
Risulta infine chiaro che a quanto qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti, senza per questo uscire dall’ambito di protezione della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.
In particolare, si evidenzia che nella seconda forma di realizzazione, la variazione del fattore di partizione k potrebbe essere analogamente implementata tramite la variazione della resistenza del primo resistore di partizione RAdello stadio partitore 26.
Inoltre, come illustrato in figura 8, può essere vantaggioso implementare, nuovamente nella seconda forma di realizzazione descritta, uno stadio di controllo 30 ad anello chiuso, per la misurazione del valore medio della tensione triangolare VTRI_MEAN e, sulla base di tale misurazione rispetto al valore attuale della tensione di alimentazione dedicata VDD, per la opportuna modifica della resistenza RB, al fine di implementare un controllo dinamico (in tempo reale) del valore medio VTRI_MEAN della tensione triangolare VTRI_MEANsenza tuttavia che ne venga modificata l’ampiezza.
Claims (16)
- RIVENDICAZIONI 1. Generatore di tensione triangolare (20) per un circuito amplificatore in classe D (1), avente un terminale di ingresso (IN) atto a ricevere una prima tensione di alimentazione (VHV) ed un terminale di uscita (OUT) atto a fornire una tensione a forma d’onda triangolare (VTRI) avente un intervallo di ripetizione (TS), e comprendente un amplificatore operazionale (21) in configurazione di integratore, avente un primo ingresso, un secondo ingresso, ed una uscita accoppiata a detto terminale di uscita (OUT), in cui detto secondo ingresso è atto a ricevere una tensione di riferimento (VREF), funzione di detta prima tensione di alimentazione (VHV), e detto primo ingresso è atto ad essere selettivamente ed alternativamente collegato a detto terminale di ingresso (IN) durante un primo semiperiodo (TS/2) di detto intervallo di ripetizione (TS), attraverso un primo elemento resistore (Ri1), e ad un terminale di riferimento (gnd) durante un secondo semiperiodo (TS/2) di detto intervallo di ripetizione (TS), attraverso un secondo elemento resistore (Ri2).
- 2. Generatore secondo la rivendicazione 1, comprendente un condensatore di integrazione (C) collegato tra detta uscita e detto primo ingresso di detto amplificatore operazionale (21), atto ad essere caricato da una corrente di carica durante detto primo semiperiodo e scaricato da una corrente di scarica durante detto secondo semiperiodo; in cui l’ampiezza di detta tensione a forma d’onda triangolare (VTRI) è proporzionale all’ampiezza di detta prima tensione di alimentazione (VHV) ed inversamente proporzionale al prodotto tra la capacità di detto condensatore di integrazione (C) e la resistenza di detto secondo elemento resistore (Ri2).
- 3. Generatore secondo la rivendicazione 1 o 2, comprendente inoltre: un primo elemento interruttore (23), collegato tra detto primo ingresso e detto primo elemento resistore (Ri1) e comandato in chiusura durante detto primo semiperiodo ed in apertura durante detto secondo semiperiodo; ed un secondo elemento interruttore (24), collegato tra detto primo ingresso e detto secondo elemento resistore (Ri2) e comandato in apertura durante detto primo semiperiodo ed in chiusura durante detto secondo semiperiodo.
- 4. Generatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre un resistore di integrazione (RF), collegato tra detta uscita e detto primo ingresso di detto amplificatore operazionale (21), in cui la resistenza di detto resistore di integrazione (RF) è molto maggiore del rapporto tra detto periodo di ripetizione (TS) e la capacità di detto condensatore di integrazione (C).
- 5. Generatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre uno stadio partitore resistivo (26), accoppiato a detto terminale di ingresso (IN) ed atto a generare detta tensione di riferimento (VREF) come partizione, di un fattore di partizione (k), di detta prima tensione di alimentazione (VHV).
- 6. Generatore secondo la rivendicazione 5, in cui è soddisfatta la seguente espressione: Ri1=(k−1 ) ⋅ Ri 2 dove Ri1è il valore di resistenza di detto primo elemento resistore, Ri2 è il valore di resistenza di detto secondo elemento resistore e k è detto fattore di partizione.
- 7. Generatore secondo la rivendicazione 5 o 6, in cui il fattore di partizione (k) di detto stadio partitore resistivo (26) è variabile di un fattore di variabilità (∆k), definendo una corrispondente variazione (∆VREF) di detta tensione di riferimento (VREF).
- 8. Generatore secondo la rivendicazione 7, in cui detto stadio partitore resistivo (26) comprende un primo resistore di partizione (RA) collegato tra detto terminale di ingresso (IN) ed un nodo di partizione (NP) accoppiato a detto secondo ingresso di detto amplificatore operazionale (21), ed un secondo resistore di partizione (RB) collegato tra detto nodo di partizione (NP) e detto terminale di riferimento (gnd); in cui la resistenza di detto secondo resistore di partizione (RB) è variabile in modo da definire detto fattore di variabilità (∆k) di detto fattore di partizione (k).
- 9. Generatore secondo la rivendicazione 7 o 8, in cui la variazione di detto fattore di partizione (k) è atta a determinare una variazione di del valore medio (VTRI MEAN) ed una sostanziale invariabilità dell’ampiezza di detta forma d’onda triangolare (VTRI).
- 10. Generatore secondo la rivendicazione 9, in cui detto fattore di partizione (k) è maggiore o uguale a 1,5.
- 11. Generatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 7-10, comprendente inoltre uno stadio di controllo (30), configurato in modo da misurare il valore medio (VTRI_MEAN) della tensione a forma d’onda triangolare (VTRI) e determinare il fattore di variabilità (∆k) di detto fattore di partizione (k) in funzione del valore misurato.
- 12. Circuito amplificatore in classe D (1), avente almeno un ingresso di segnale (INP) atto a ricevere un segnale di ingresso (VINP) ed almeno un’uscita (OUTN) atta a fornire un segnale amplificato di uscita (VOUTN), comprendente: uno stadio di commutazione di uscita (2) operante tra una prima tensione di alimentazione (VHV) ed una tensione di riferimento ed atto a fornire detto segnale amplificato di uscita (VOUTN); uno stadio di retroazione (8), in configurazione di integratore, collegato tra detta uscita di segnale (OUTN) e detto ingresso di segnale (INP); ed uno stadio comparatore (5), atto a pilotare detto stadio di commutazione di uscita (2) ed avente un primo ingresso di comparazione accoppiato a detto stadio di retroazione (8) ed un secondo ingresso di comparazione collegato all’uscita di un generatore di tensione triangolare (6); in cui detto generatore di tensione triangolare (6) è in accordo con una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
- 13. Circuito secondo la rivendicazione 12, in cui detto stadio di retroazione (8) comprende un amplificatore operazionale (9), avente un ingresso collegato a detto ingresso di segnale (INN) ed un’uscita collegata al primo ingresso di comparazione dello stadio comparatore (5); in cui un rispettivo resistore di integrazione (R2) è collegato in modo da definire un anello chiuso di retroazione tra detta uscita di segnale (OUTP) e detto ingresso dell’amplificatore operazionale (9), ed un rispettivo condensatore di integrazione (C1) è collegato tra detto ingresso e detta uscita di detto amplificatore operazionale (9); in cui il prodotto banda-guadagno (GBWP) di detto circuito amplificatore (1) è proporzionale all’ampiezza di detta prima tensione di alimentazione (VHV) ed inversamente proporzionale al prodotto tra la capacità di detto rispettivo condensatore di integrazione (C1) e la resistenza di detto rispettivo resistore di integrazione (R2).
- 14. Circuito secondo la rivendicazione 13, in cui detto prodotto tra la capacità di detto condensatore di integrazione (C) e la resistenza di detto secondo elemento resistore (Ri2) di detto generatore di tensione triangolare (6) corrisponde ad un prodotto tra la capacità di detto rispettivo condensatore di integrazione (C1) e la resistenza di detto rispettivo resistore di integrazione (R2) di detto circuito amplificatore (1).
- 15. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1214, in cui detto stadio comparatore (5) è alimentato da detta prima tensione di alimentazione (VHV).
- 16. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 12-14, in cui detto stadio comparatore (5) è alimentato da una tensione di alimentazione dedicata (VDD), di ampiezza inferiore all’ampiezza di detta prima tensione di alimentazione (VHV); ed in cui detto generatore di tensione triangolare (20) comprende inoltre uno stadio partitore resistivo (26), accoppiato a detto terminale di ingresso (IN) ed atto a generare detta tensione di riferimento (VREF) come partizione di detta prima tensione di alimentazione (VHV), di un fattore di partizione (k) avente valore variabile in modo da mantenere il valore medio (VTRI_MEAN) di detta tensione a forma d’onda triangolare (VTRI) intorno ad un valore pari alla semi-ampiezza di detta tensione di alimentazione dedicata (VDD).
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