JPH11318084A

JPH11318084A - パルス幅変調装置およびパルス幅変調方法

Info

Publication number: JPH11318084A
Application number: JP10356127A
Authority: JP
Inventors: K Takita Mark; ケータキタマーク
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-12-19
Filing date: 1998-12-15
Publication date: 1999-11-16
Also published as: US6175272B1

Abstract

(57)【要約】【課題】効率の良い高出力性能を達成するＰＷＭ装置を
提供する。【解決手段】入力信号に応じてＰＷＭ信号を発生するパ
ルス幅変調器(320)と、複数の出力端子を有し選択信号
に応じて前記ＰＷＭ信号を前記複数の出力端子の１つに
供給する選択回路(325)と、複数の電圧レベルを供給す
る複数の電力供給端子(LV,HV)と、前記複数の出力端子
の少なくとも１つに接続された第1入力端子と、前記複
数の電源供給端子の１つに接続された第2入力端子と、
前記ＰＷＭが前記第1入力端子に受信されたのに応じて
ＰＷＭ出力信号を供給するＰＷＭ出力端子とを含む複数
のスイッチを有した増幅器(340)とを備え前記ＰＷＭ出
力信号の増幅を前記第2入力端子の電力レベルに比例さ
せる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する分野】本発明は、一般的に、パルス幅変
調（Pulse-Width-Modulation 以下ＰＭＷという）装置
に関し、詳細には、本発明は、ＰＷＭ増幅器およびＰＷ
Ｍ電源による線形増幅器に関する。

【０００２】

【従来技術】図１は、従来のＰＷＭ増幅器装置１０の機
能図によりパルス幅変調（ＰＷＭ）の概念を示してい
る。アナログ波形１５、例えば、正弦波は、ＰＷＭ増幅
器２０の入力へ送られる。ＰＷＭ増幅器２０の第２入力
は、周期的信号３０を発振器から受ける。

【０００３】ＰＷＭ増幅器２０は、アナログ波形１５と
周期的信号３０とを結合して、２つの電圧レベル（例え
ば、ゼロと数百ボルト）の間で切り替わるＰＷＭ波形４
０を生成する。ＰＷＭ波形４０のパルスの持続時間、す
なわち、正の“揺動範囲(swings)”は、ＰＷＭ波形４０
の統合されたエネルギーが選択された利得係数を乗算さ
れたアナログ波形１５のエネルギーに等しいように選択
される。

【０００４】フィルター６０は、ＰＷＭ波形４０を濾波
して、利得係数を乗算されたアナログ波形１５の複製で
あるアナログ波形５０を生成する。フィルターの働き
は、一般に、電気モーターなどの機械的または電気的フ
ィルターにより行われ、それは、周期的信号３０の矩形
波変調周波数に応答するには速度がおそい。ＰＷＭ増幅
器の装置は、一般に、ノイズを伴い、直線性に劣り、複
雑であり、同等のアナログ増幅器の装置（例えば、従来
のアナログ増幅器）より高い歪みを呈する。これらの欠
点にもかかわらず、ＰＷＭ増幅器の装置は、効率が優れ
ているので広く使用されている。増幅器の効率は、出力
電流Ｉｏｕｔに入力電圧と出力電圧の差（すなわち、Ｖ
ｏｕｔ−Ｖｉｎ）を乗算することにより近似化される。
電圧差Ｖｏｕｔ−Ｖｉｎは、アナログ増幅器装置、特に
高出力での使用には重要である。これと対照的に、Ｖｏ
ｕｔが電圧レベルの間を変移するスィッチング時間を除
いて、ＰＷＭ増幅器の入力電圧と出力電圧の間の差は、
実質的に無い。速いスィッチング速度は、スィッチング
間隔を減少し、従って、効率を改善する。例えば、ＰＷ
Ｍ増幅器装置の９０％〜９８％の高いエネルギー変換効
率を得ることは珍しくない。これと対照的に、対応する
アナログ装置の効率は２５％以下である。

【０００５】高出力ＰＷＭ増幅器は、入力と出力の電圧
の差（Ｖｏｕｔ−Ｖｉｎ）が比較的に大きいことが必要
である。不幸なことに、電圧差が増大すると、小さく値
付けされた出力信号を正確に制御することの難しさも増
大する。この理由は、小さく値付けされたＰＷＭ出力信
号が、全ＰＷＭ時間に対し短い時間（パルス幅）を必要
とするからである。従って、タイミングエラー、非線形
スィッチング特性、および他のタイプの歪みが、低出力
において作動する高出力ＰＷＭのパルス幅に対し大き
い。図２は、高出力ＰＷＭ増幅器により、小さく値付け
された出力信号を正確に制御する難しさを示している。
図２は、理想的電圧波形（点線）を非理想的スィッチン
グ時間τの結果として歪んだ波形と比較している。第1
例において、理想的エネルギーＥは、パルス持続時間６
Ｔを乗算された電圧持続範囲、すなわち、Ｅ＝３００Ｖ
Ｔに等しい。また、第1例において、非理想的エネルギ
ーＥ’は、スィッチング時間τのため、理想的エネルギ
ーＥより少し小さい。しかし、発生するエラーは、パル
ス幅に対して短いスィッチング時間τにより、比較的に
小さい。

【０００６】このエラーは、低出力におけるＰＷＭ装置
の動作を示している第２例においてはるかに大きい。低
出力の出力信号は、スィッチング時間τを同じままにし
てパルス幅を減少することにより生成される。従って、
スィッチング時間τは、第２例の短いパルス幅に対して
大きくなっている。非理想的エネルギーＥ’は、理想的
エネルギーＥの３０％より小さくなっている。低出力に
おける精度の減少は、ノイズスパイクやリンギング(rin
ging)などの他のタイプの信号のディスト−ションより
強調される。従って、改善された低出力性能を有する高
出力ＰＷＭ装置が必要である。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、低出力の出力
レベルにおいてＰＷＭ波形の精度を犠牲にすることな
く、効率の良い高出力性能を達成するＰＷＭ装置とその
関連する方法を意図している。本装置は、アナログ入力
信号に応答して、出力信号のパルス幅を変調するように
構成されたパルス幅変調器を有する。次に、パルス幅を
変調された信号は、高出力増幅器により増幅される。

【０００８】ＰＷＭ装置は、高出力増幅器の二つの（ま
たは二つより多くの）スィッチング電圧から選択するよ
うに制御される。比較的低いスィッチング電圧は、低出
力の作動において精度と出力変換効率を改善し、高いス
ィッチング電圧は良い高出力性能を備えている。ＰＷＭ
装置の幾つかの実施態様は、低出力と高出力との作動に
おいて、ＰＷＭ信号のパルス幅を調節して、スィッチン
グ電圧の変化を補償することにより、利得係数を維持す
る。例えば、スィッチング電圧を２倍にすることは、Ｐ
ＷＭ信号のパルス幅を半分にすることにより補われる。
一実施例を表す図面に対応付けて説明すると、請求項１
記載のパルス幅変調装置は、入力信号に応じてＰＷＭ信
号を発生するパルス幅変調器（３２０）と、複数の出力
端子を有し、選択信号に応じて前記ＰＷＭ信号を前記複
数の出力端子の１つに供給する選択回路（３２５）と、
複数の電圧レベルを供給する複数の電力供給端子（Ｌ
Ｖ，ＨＶ）と、前記複数の出力端子の少なくとも１つに
接続された第1入力端子と、前記複数の電源供給端子の
１つに接続された第2入力端子と、前記ＰＷＭが前記第1
入力端子に受信されたのに応じてＰＷＭ出力信号を供給
するＰＷＭ出力端子とを含む複数のスイッチを有した増
幅器（３４０）と、を備え前記ＰＷＭ出力信号の増幅が
前記第2入力端子の電力レベルに比例させている。

【０００９】請求項７記載のパルス幅変調装置は、入力
信号に応答してＰＷＭ信号を発生するパルス幅変調器
（３２０）と、外部装置からの選択信号を受信する選択
端子と、第1電源出力端子とを有し、前記選択信号に応
じて決定されたレベルを有する第1電源電圧を供給する
電源（７１０）と、パルス幅変調器（３２０）のＰＷＭ
出力ノードに接続されたＰＷＭ入力端子と、ＰＷＭ出力
端子と、前記第1電源出力端子に接続された第1電源入力
端子とを有し、前記第1電源電圧に比例する振幅を有す
るＰＷＭ出力信号が前記ＰＷＭ出力端子に供給される増
幅器（３４０）とを備えている請求項１６記載のパルス
幅変調装置は、選択信号に応答してＰＷＭ信号を発生す
るパルス幅変調器（９２０）と、このパルス幅変調器
（９２０）からの前記ＰＷＭ信号受信する入力端子と、
第1電源出力端子と、第２電源出力端子とを有し、前記
第1電源出力端子に第1電源電圧を供給し、前記第２電源
出力端子に第２電源電圧を供給し、前記第1、第２電源
電圧が前記ＰＷＭ信号に従って決定されたレベルを有し
ている電源（９３０）と、入力信号を受信する入力端子
と、前記第1電源出力端子に接続された第1電源入力端子
と、前記第２電源出力端子に接続された第２電源入力端
子と、第3の一定電圧を供給する第3電源入力端子と、前
記第3の一定電圧および前記第1、第２電源電圧の少なく
とも１つとの間の差に比例する出力信号を発生する出力
端子を有する増幅器（９１０）とを含んでいる。

【００１０】請求項１８記載のパルス幅変調装置は、入
力信号に応答してＰＷＭ信号を発生するパルス幅変調器
（３２０）と、増幅器（３４０）と；この増幅器（３４
０）とパルス幅変調器（３２０）のＰＷＭ出力ノードと
に接続されたＰＷＭ入力端子と；増幅器（３４０）の負
荷に接続され、ＰＷＭ出力信号を負荷へ送るＰＷＭ出力
端子と；増幅器（３４０）に接続され、第1の一定電圧
を送る第1電源端子（ＬＶ）と；増幅器（３４０）に接
続され、第1の一定電圧（ＬＶ）より大きい第２の一定
電圧を送る第２電源端子（ＨＶ）と；増幅器（３４０）
に接続され、第3の一定電圧を送る第3電源端子と；第1
（ＬＶ）または第２一定電圧（ＨＶ）を選択する選択器
（３５０）とを含み、前記ＰＷＭ出力信号の振幅が、前
記第3の一定端子と前記第1、第２の一定電圧とのうち選
択された電圧との電圧差に比例しているＰＷＭ出力ステ
ージ（３３０）とを備えている。

【００１１】請求項２０記載のアナログ入力信号を増幅
するパルス幅変調方法は、ＰＷＭ出力信号のパルス幅
を制御するため、前記アナログ入力信号からＰＷＭ入力
信号を発生し、前記ＰＷＭ出力信号の振幅について電圧
レベルを選択する選択信号を供給し、前記選択信号を使
用して、前記入力信号のレベルまたは前記ＰＷＭ出力信
号の振幅について選択された電圧レベルに関係なく、前
記入力信号の一定利得を維持するＰＷＭ出力信号のパル
ス幅を調節することを含んでいる。

【００１２】なお、本発明の構成を説明するために実施
の形態の図面を用いたが、本発明は実施の形態に限定さ
れるものではない。

【００１３】

【発明の実施の形態】図３Ａは、本発明によるＰＷＭ装
置３００のブロックダイアグラムであり、このＰＷＭ装
置３００は、ほぼ周期的信号をパルス幅変調器３２０へ
送る発振器３１０を含んでいる。パルス幅変調器３２０
は、アナログ入力信号から従来のように引き出されたＰ
ＷＭ信号と発振器３１０からの周期的信号とを出力す
る。ＰＷＭ信号は、出力ステージ３３０へ送られる。

【００１４】出力ステージ３３０において、パルス増幅
器３４０は、パルス幅変調器３２０からのＰＷＭ信号を
増幅して、増幅されたＰＷＭ信号を出力端子ＯＵＴを経
て負荷（示されていない）へ送る。出力ステージ３３０
は、スイッチ３５０を経てパルス増幅器３４０に接続さ
れた二つの定電圧電源端子を有する。第1電源端子ＬＶ
は、第２電源端子ＨＶの電圧に対し低い電圧を給電す
る。出力ステージ３３０は接地電位（グラウンド）であ
る第3定電圧源へも接続されている。１つの実施態様に
おいて、電源端子ＬＶとＨＶとの電圧は、それぞれ２５
ボルトと２００ボルトとである。電源端子ＬＶとＨＶと
の電圧は、２５ボルトと２００ボルトとに限定されず、
他の電圧レベルでも使用することができる。

【００１５】ＰＷＭ装置３００は、電源端子ＬＶまたは
ＨＶのいずれかが選択されると、従来のＰＷＭ増幅器と
して機能する。しかし、ＰＷＭ装置３００は、電源電圧
とＰＷＭ出力信号のパルス幅とを入力信号のレベルに従
って装置の性能を最適化するように調節することができ
る点で独特である。ＰＷＭ装置３００は、ＳＥＬＥＣＴ
ラインを介して、スイッチ３５０と、パルス幅変調器３
２０に接続された選択回路３２５とに接続された外部選
択信号を用いて、振幅とパルス幅を調節する。選択信号
は、電源端子ＬＶとＨＶとの１つを増幅器３４０に接続
し、これにより、選択回路３２５はパルス幅変調器３２
０により発生したＰＷＭ信号のパルス幅を調節する。選
択回路３２５は、他の位置にも配置することができるこ
とは理解されるであろう。例えば、選択回路３２５は、
パルス幅変調器３２０と出力ステージ３３０との間に配
置してもいいし、また、パルス幅変調器３２０自体の中
に配置してもいい。多数の端子から選択し、ＰＷＭ信号
のパルス幅を調節するため電圧レベルを使用すること
は、本技術の当事者ではよく行われる技術の範疇にあ
る。実施例による１つの具体化では、選択回路３２５
は、選択信号の電圧レベルから決定された、一定整数に
より分割された高いクロック速度を有し、これにより、
ＰＷＭ信号のパルス幅を調節する。ＰＷＭ装置３００の
性能に対する選択信号の働きは、図３Ｂに関連して後に
説明する。

【００１６】図３Ｂは、ＰＷＭ装置３００の同様な名称
の端子に関連した波形を示すことにより、ＰＷＭ装置３
００の動作を示している。ＳＥＬＥＣＴ線の論理１（例
えば、５ボルト）は電源端子ＨＶの電圧を選択し、論理
ゼロは電源端子ＬＶの低い電圧を選択する。この様にし
て、電源端子ＨＶは時間Ｔ０から時間Ｔ１へ選択され、
電源端子ＬＶは時間Ｔ１から時間Ｔ２へ選択される。

【００１７】ＰＷＭ装置３００の利得係数Ｇは、入力端
子ＳＩＧＮＡＬのアナログ信号の全範囲において一定で
ある。すなわち、出力端子ＯＵＴの出力信号のエネルギ
ーＥは、入力端子ＩＮＰＵＴの入力信号の電圧レベルの
Ｇ倍に等しい。この実施例において、入力端子ＩＮＰＵ
Ｔの入力信号は各時間間隔について同一であるので、出
力信号のエネルギーは、時間Ｔ１〜Ｔ２とＴ０〜Ｔ１に
ついて同一である。

【００１８】説明を簡単にするため、電源端子ＬＶの電
圧は、電源端子ＨＶの電圧の半分であるとしている。従
って、時間Ｔ０〜Ｔ１の出力端子ＯＵＴのＰＷＭ出力信
号の電圧は、時間Ｔ１〜Ｔ２の電圧の２倍である。端子
ＯＵＴの出力信号のエネルギーＥは、時間に関し出力端
子ＯＵＴの電圧を統合することにより計算される。ＰＷ
Ｍ信号の場合、統合は、単に、１つ以上のパルスの持続
時間を乗算された電圧レベルである。従って、出力端子
ＯＵＴの信号のパルス幅が変わらなければ、出力信号の
エネルギーは、時間Ｔ１〜Ｔ２において半分だけ減少す
る。この減少は、利得係数Ｇが入力出力のレベルに関係
なく、一定のままであることを必要とする用途の場合望
ましくない。

【００１９】ＰＷＭ装置３００の利得係数Ｇが、出力電
圧レベルの変化にかかわらず、時間Ｔ０からＴ２まで一
定のままであるように、ＰＷＭ変調器３２０は、時間Ｔ
１からＴ２における回線ＰＷＭのＰＷＭ信号のパルスの
持続時間を２倍にしている。図３Ｂに関し、例えば、時
間Ｔ０〜Ｔ１におけるパルス３６０は、時間Ｔ１〜Ｔ２
におけるパルス３６５と同じ回線ＰＷＭの信号レベルを
対応している。それにもかかわらず、時間Ｔ０〜Ｔ１に
おける電圧レベルに対応するように選択されたパルス幅
Ｄは、時間Ｔ１〜Ｔ２において選択された電圧レベルの
半分である。実際に、時間Ｔ１〜Ｔ２における各パルス
は、時間Ｔ０〜Ｔ１の対応するパルスの幅の半分であ
る。出力電圧を半分にする場合パルス幅を２倍にする
と、出力端子ＯＵＴに発生する出力エネルギーが保持さ
れる。図４は、低出力の出力信号を発生するように、低
下したスィッチング電圧レベルによる利益を示してい
る。図４は、非理想的エネルギーＥ’が理想的エネルギ
ーＥの３０％より小さかった図２の第２実施例を、低下
したスィッチング電圧のＰＷＭ出力信号と比較してい
る。図４の各パルスの理想的エネルギーＥは、同じであ
る。しかし、実際のエネルギーは非常に異なっている。
低下した振幅の例では、実際のエネルギーＥ’は、二つ
の理由から理想的エネルギーＥに非常に近くなってい
る。第1に、スィッチング電圧を低下すると、スィッチ
ング時間は、スィッチング時間τよりかなり短い時間
τ’に減少する。第２に、パルス持続時間（Ｔ〜５Ｔ）
を増加すると、パルス持続時間はスィッチング時間に対
し長くなる。従って、低電圧実施例の非理想的エネルギ
ーＥ’は、理想的エネルギーＥへかなり良く近づく（例
えば、Ｅ’＞０．９Ｅ）。本発明による利益は、有限な
スィッチング時間τに伴う歪み(ディスト−ション)によ
り示されており、例えば、リンギング(ringing)などの
他のタイプの歪みの有害な影響も減少する。この様に、
本発明によるＰＷＭ装置は、精度を改善するだけでな
く、改善されたタイミングエラーの許容度、電圧変動、
および他の不安定性も示している。

【００２０】図５は出力ステージ５００を示す説明図で
あり、増幅されたＰＷＭ信号を出力端子ＯＵＴに発生
し、かつ、図３Ａの出力ステージ３３０に対応してい
る。出力ステージ５００は、パルス幅変調器（例えば、
図３Ａの変調器３２０）のＰＷＭ出力ノードと選択端子
ＳＥＬＥＣＴとに接続された選択ロジック５１０を有す
る増幅器である。選択ロジック５１０は、一組のＮＭＯ
Ｓ選択トランジスタ５１５と５２０の各ゲートのそれぞ
れに接続された一組の端子を有する。選択ロジック５１
０は、トランジスタ５１５と５２０の選択された１つの
トランジスタのゲート電圧を変調し、選択されたトラン
ジスタは、選択端子ＳＥＬＥＣＴの論理レベルに依存す
る。選択ロジック５１０の個々に示された論理ゲート
は、選択ロジック５１０の機能性を示しているが、限定
するものでない。選択ロジック５１０の機能を達成する
多くの他の手段は、本技術の習熟した当事者には容易に
分かるであろう。図６Ｂに示したように、図５のＰＷＭ
出力ステージ５００が、出力端子ＯＵＴを接地に接続し
ているトランジスタを追加することにより、半ブリッジ
出力ステージへ変換されることは、本技術の技術者はお
分かりであろう。

【００２１】図６Ａは、出力ステージ５００に示されて
いる二つの電圧レベルを有すると相対するものとして、
Ｎ段階の電圧レベルの間から選択するように構成された
Ｈブリッジ出力ステージ６００（また、図３Ａの出力ス
テージ３３０に対応する）の説明図である。Ｈブリッジ
増幅器の動作に関する情報について、１９９７年１２月
１９日に米国特許庁に出願された同時係属出願、名称”
モーター用Ｈーブリッジパワー増幅器”、発明者マーク
・ケイ・タキタ、出願番号 08/994、795を参照のこと。
なお、出願番号 08/994、795の内容は本明細書に包含さ
れる。

【００２２】Ｈ出力ステージ５００ブリッジ６００は、
従来のように、負荷６２０の交互の端子を接地電位へ切
り換え可能に接続している一組のトランジスタ６１０Ａ
と６１０Ｂを有する。Ｈブリッジ６００はまた、Ｎ個の
各電源端子Ｖ１〜ＶＮに接続されたＮ組のトランジスタ
ＴＰ１〜ＴＰＮを有する。（点線は、介在しているすべ
ての組数のトランジスタと対応する電源の電圧レベルが
あることを示している。）図３〜５に関連して上述した
ように、トランジスタのゲートは、選択ロジックとＰＷ
Ｍ信号とに接続されている。

【００２３】図６Ｂは、Ｎ段階の電圧レベルの間から選
択するように構成された半（ハーフ）ブリッジ出力ステ
ージ６５０（図３Ａの出力ステージ３３０にも対応す
る）の説明図である。半ブリッジ出力ステージ６５０
は、Ｈブリッジ出力ステージ６００に似ており、同様な
要素は同じである。しかし、半ブリッジ出力ステージ６
５０の負荷６２０は、接地へ直接に接続された１つの端
子を有し、これにより、トランジスタ６１０Ｂの使用を
不要にしている。その上、図６Ａに示されたＨブリッジ
出力ステージ６００の負荷６２０の両方の端子に接続さ
れた数組のトランジスタの使用と相対するものとして、
半ブリッジ出力ステージ６５０は、負荷６２０の１つの
端子に接続された単一のトランジスタＴＰ１〜ＴＰＮだ
けを使用している。

【００２４】図７は、本発明の他の実施態様によるＰＷ
Ｍ装置７００の構成図である。ＰＷＭ装置７００は、図
３のＰＷＭ装置３００と似ており、同様な番号の要素は
同じである。しかし、ＰＷＭ装置７００は、単一の可変
電圧電源７１０を使用して、可変電圧を回線ＶＶＳへ送
る。電源７１０は二つ以上の電源端子を必要としない。
図７の実施態様において、ＳＥＬＥＣＴ線の電圧レベル
は、電源電圧と対応するパルス幅の変調度とから選択す
るように電圧範囲において変化する。電源７１０とＰＷ
Ｍ変調器３２０とを制御するため電圧レベルを使用する
ことは、本技術の専門家の技術の範囲内にある。

【００２５】図８Ａは、可変電圧電源を使用しているＰ
ＷＭ装置７００などの、本発明の実施態様によるＨブリ
ッジ実施態様ステージ８００の説明図である。出力ステ
ージ８００は、出力ステージ６００と似ており、同様な
番号の要素は同じである。しかし、出力ステージ８００
は、図７の可変電圧電源７１０を使用して、出力ステー
ジ６００のＮ段階の電源電圧の代わりに、可変電圧を回
線ＶＶＳへ送る。電源７１０は、Ｎ組のトランジスタを
必要としない。１つの実施態様において、電源７１０
は、カリフォルニア、サニーベイルのパワーテン社から
入手可能な高効率の可変電源である。

【００２６】図８Ｂは、本発明の他の実施態様による半
ブリッジ出力ステージ８１０の説明図である。半ブリッ
ジ出力ステージ８１０は、Ｈブリッジ出力ステージ８０
と似ており、同様な番号は、同じである。しかし、図６
Ｂの半ーブリッジ出力ステージ６５０に似て、半ブリッ
ジ出力ステージ８１０の負荷６２０は、接地へ直接に接
続された１つの端子を有しており、従って、トランジス
タ６１０Ｂを使用する必要はない。さらに、半ブリッジ
出力ステージ８１０は、図８Ａに示されたＨブリッジ出
力ステージ８００に使用されたトランジスタの組と相対
して、単一のトランジスタＴＰ１だけを使用している。

【００２７】図９は、本発明の他の実施態様によるＰＷ
Ｍ装置９００の構成図である。ＰＷＭ装置９００は、可
変正の電圧＋Ｖｓと可変負の電圧−Ｖｓを増幅器９１０
へ送る、動的に照合される浮動電源(floating voltage
source)を有しており、増幅器９１０は端子ＩＮＰＵＴ
を経て入力信号を受信する。ＰＷＭ装置９００は、回線
９６０Ａと９６０Ｂの電圧を動的に変えて、比例増幅器
である増幅器９１０の効率を最適化する。増幅器９１０
は上述のＰＷＭ増幅器であるが、ＰＷＭ装置９００のＰ
ＷＭ増幅器の使用は、装置の効率に僅かしか効果がない
ことが理解されるであろう。

【００２８】図９に示されているように、ＰＷＭ装置９
００は、電圧＋ｐＳＶの正の端子と電圧−ｐＳＶの負の
端子を有する浮動電圧源９３０を有する。浮動電圧源９
３０の２つの端子の電圧の全総和は、一定であり、浮動
電源電圧Ｖ０に等しい。浮動電圧源９３０の正と負の端
子は、各回線９３２と９３４に接続している。回線９３
２と９３４は、トランジスタ９４０Ａと９４０Ｂをへて
接地電位へ切り換え可能にそれぞれ接続している。回線
９３２と９３４はまた、従来の低域フィルター９５０Ａ
と９５０Ｂに接続しており、これらのフィルターは、回
線９６０Ａと９６０Ｂを経て増幅器９１０へそれぞれ接
続している。

【００２９】ＰＷＭ装置９００は、ＰＷＭ変調器９２０
を有しており、変調器９２０はＳＥＬＥＣＴ線の外部選
択信号を受信して、応答し、相補ＰＷＭ信号を発生し
て、トランジスタ９４０Ａと９４０Ｂを制御する。トラ
ンジスタ９４０Ａと９４０Ｂは、浮動電圧源９３０の出
力端子を接地電位へ交互に接続して、変調された電圧を
回線９３２と９３４へ送る。低域フィルター９５０Ａと
９５０Ｂは、回線９３２と９３４の変調された電圧を、
回線９６０Ａと９６０Ｂの定電圧波形へ送る。

【００３０】増幅器９１０は、浮動電源９３０から可変
正の電圧＋Ｖｓと可変負の電圧−Ｖｓを受信するにもか
かわらず、これらの両方の電圧を同時に使用しない。増
幅器９１０は、接地電位へ照合された正の電圧を使用す
るか、または、接地電位へ照合された負の電圧のいずれ
かを使用する。例えば、増幅器９１０がモーターを１つ
の方向へ駆動しているならば、接地電位へ照合された正
の電圧が使用され、モーターを反対の方向へ駆動してい
るならば、接地電位へ照合された負の電圧が使用され
る。増幅器９１０は可変電圧＋Ｖｓまたは−Ｖｓの１つ
だけを使用するので、使用されない可変電圧源は、装置
の消散されるエネルギーを大きく影響しない。

【００３１】各回線９６０Ａと９６０Ｂの可変電圧＋Ｖ
ｓと−Ｖｓの値は、ＳＥＬＥＣＴ線の外部選択信号に応
答して動的に変化する。従って、正または負の可変電圧
レベルは、ＰＷＭ装置９００により生成され、そのどち
らも増幅器９１０により使用され、それは増幅器９１０
の出力電圧にできるだけ近い振幅を有する（増幅器９１
０の駆動回路の条件により限定される）。ＰＷＭ装置９
００の消散されるエネルギーは、増幅器９１０にかかる
差動電圧の関数である。従って、ＰＷＭ装置９００は、
増幅器９１０の出力電圧に可能な限り近い可変電圧レベ
ルを発生する浮動電源を使用しているので、増幅器９１
０にかかる差動電圧は低下し、ＰＷＭ装置９００の電力
消費は最小になる。

【００３２】図１０は、ＰＷＭ装置９００の浮動電源の
性能を示すグラフ９７０である。グラフ９７０のｙ軸は
電圧を表し、ｘ軸はＳＥＬＥＣＴ線の外部選択信号の電
圧を表す。グラフ９７０から分かるように、回線９７０
Ａの可変正の電圧＋Ｖｓは、ｘ軸上に０により表された
接地電位と、浮動電圧源９３０の正の端子の電圧＋ＰＳ
Ｖとの間の範囲にある。同様に、回線９６０Ｂの可変負
の電圧−Ｖｓは、浮動電圧源９３０の負の端子の電圧−
ＰＳＶと接地電位との間の範囲にある。グラフ９７０は
また、ＳＥＬＥＣＴの値に関係なく、可変電圧＋Ｖｓと
−Ｖｓとの間の差が一定のままであることを示してい
る。しかし、上述のように、増幅器９１０は、接地電位
へ照合された可変正の電圧＋Ｖｓまたは接地電位へ照合
された可変負の電圧−Ｖｓだけを使用している。従っ
て、グラフ９７０に示された重要な要因は、可変正の電
圧＋Ｖｓと接地電位との間の差、および可変負の電圧−
Ｖｓと接地電位との間の差がＳＥＬＥＣＴの値に従って
変化することである。

【００３３】図１１は、装置９００の同じ名前の要素に
関連した波形を示すことにより、ＰＷＭ装置９００の浮
動電源の動作を示す。三つのモードが図１１に示されて
おり、垂直軸は同じ名前の要素の電圧を表し、水平軸は
時間を表している。モードＩにおいて、トランジスタ９
４０Ａは、常にオフであり、トランジスタ９４０Ｂは、
常においてオンである。従って、図９において、回線９
３４は常に電圧−ＰＳＶが印加されており、回線９３２
はトランジスタ９４０Ｂを経て接地電位に接続してい
る。この様にして、モードＩにおいて、図１１に示され
ているように、回線９６０Ａは接地電位であり、回線９
６０Ｂは−ＰＳＶである。

【００３４】モードIIにおいて、トランジスタ９４０Ａ
と９４０Ｂは、相補５０％負荷周期を有している。従っ
て、回線９３２と９３４は、それぞれ、時間の５０％が
電圧＋ＰＳＶと接地電位にあり、時間の５０％が接地電
位と−ＰＳＶにある。従来の低域フィルター９５０Ａと
９５０Ｂは、図１１に示されているように、回線９３２
と９３４の変調された電圧を、回線９６０Ａと９６０Ｂ
の一定電圧＋ＰＳＶ／２と−ＰＳＶ／２へ変換する。

【００３５】モードIIIにおいて、トランジスタ９４０
Ａは常にオンであり、トランジスタ９４０Ｂは常にオフ
である。従って、図１１に示されているように、回線９
６０Ａは電圧＋ＰＳＶにあり、回線９６０Ｂは接地電位
にある。トランジスタ９４０Ａと９４０Ｂの負荷周期を
変えることにより、すべての所望の電圧が、回線９６０
Ａ上の接地電位と＋ＰＳＶの間に、および、回線９６０
Ｂ上の接地電位と−ＰＳＶの間に発生することが分か
る。ＳＥＬＥＣＴ線の電圧レベルは、回線９６０Ａと９
６０Ｂに所望の電圧を発生するに必要なパルス幅の変調
度を、変調器９２０から発生する電圧範囲において変化
することができる。ＰＷＭ変調器９２０を制御するのに
電圧レベルを使用することは、本発明の当事者の技術範
囲に十分にある。

【００３６】本発明は、幾つかの形式についてかなり詳
細に説明されているが、他の形式は可能である。例え
ば、本発明の幾つかの実施態様は、遅い速度で低い電圧
を立ち上がらせ、よく挙動する立ち上がりと立ち下がり
縁を生成し、その結果、直線性を改善している。また、
数個の構成要素は、相互に直接に接続されて示されてお
り、他の構成要素は、中間構成要素を経て接続されて示
されている。幾つかの実施例では、相互接続の方法は、
二つ以上のノードの間の幾つかの望ましい電気通信を設
定する。この様な通信は、本技術の通常の技術者により
理解されるように、多くの回路構成により行われる。従
って、添付された請求の範囲は、図面に示された形式の
説明に限定されるものでない。

【００３７】

【発明の効果】以上のように、本発明は、電源電圧とＰ
ＷＭ出力信号のパルス幅とを入力信号のレベルに従って
調節しているので、効率の良い高出力性能のPWM装置を
達成することができる。本発明のPWM装置は、リニアモ
ータや平面モータなどに幅広く適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のパルス幅変調（ＰＷＭ）増幅器装置１０
の図により、パルス幅変調（ＰＷＭ）の概念を示す。

【図２】高出力ＰＷＭ増幅器により小さく値付けされた
出力信号を正確に制御する難しさを示す。

【図３】（Ａ）本発明によるＰＷＭＰＷＭ装置３００の
構成図である。（Ｂ）ＰＷＭ装置３００の同様な名前の端子に関連し
た理論的波形を示すことによりＰＷＭ装置３００の動作
を示す。

【図４】低出力の出力信号を発生するために低下したス
ィッチング電圧レベルを使用する利点を示す。

【図５】増幅されたＰＷＭ信号を出力端子ＯＵＴに発生
する、本発明によるＰＷＭ出力ステージ５００の説明図
である。

【図６Ａ，Ｂ】Ｎ段階の電圧レベルの間から選択するよ
うに構成された、Ｈブリッジ出力ステージ６００と半ブ
リッジ出力ステージ６５０のそれぞれの説明図である。

【図７】本発明の実施態様によるＰＷＭ装置７００の構
成図である。

【図８Ａ，Ｂ】可変電圧電源を使用している、Ｈブリッ
ジ出力ステージ８００と半ブリッジ出力ステージ８１０
のそれぞれの説明図である。

【図９】本発明の本発明の実施態様による浮動電源を使
用しているＰＷＭ装置９０００の構成図である。

【図１０】ＰＷＭ装置９００の性能を示しているグラフ
９６０である。

【図１1】ＰＷＭ装置９００の同様な名前の端子に関連
した波形を示すことにより、ＰＷＭ装置９００の動作を
示す。

【符号の説明】

３００ＰＷＭ装置３１０発振器３２０変調器３３０出力ステージ３４０パルス増幅器３５０スイッチ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】パルス幅変調装置において、入力信号に応じてＰＷＭ信号を発生するパルス幅変調器
と、複数の出力端子を有し、選択信号に応じて前記ＰＷＭ信
号を前記複数の出力端子の１つに供給する選択回路と、複数の電圧レベルを供給する複数の電力供給端子と、前記複数の出力端子の少なくとも１つに接続された第1
入力端子と、前記複数の電源供給端子の１つに接続され
た第2入力端子と、前記ＰＷＭが前記第1入力端子に受信
されたのに応じてＰＷＭ出力信号を供給するＰＷＭ出力
端子とを含む複数のスイッチを有した増幅器と、を備え
前記ＰＷＭ出力信号の増幅が前記第2入力端子の電力レ
ベルに比例していることを特徴とするパルス幅変調装
置。
【請求項２】請求項１記載のパルス幅変調装置におい
て：前記複数の出力端子は第1出力端子と第２出力端子
とを有し、前記複数の電源端子は第1電圧レベルを送る
第1電源端子と第２電圧レベルを送る第２電源端子とを
有し；前記複数のスイッチは第1スイッチと第２スイッ
チとを有し、前記第1スイッチの第1入力端子が前記第1
出力端子に接続され、前記第1スイッチの第２端子が前
記第1電源端子に接続され、前記第２スイッチの第1入力
端子が前記第２出力端子に接続され、前記第２スイッチ
の第２入力端子が前記第２電源端子に接続されているこ
とを特徴とするパルス幅変調装置。
【請求項３】請求項１記載のパルス幅変調装置におい
て、前記増幅器がＨブリッジ増幅器であることを特徴と
するパルス幅変調装置。
【請求項４】請求項１記載のパルス幅変調装置におい
て、前記増幅器が半ブリッジ増幅器であることを特徴と
するパルス幅変調装置。
【請求項５】請求項１記載のパルス幅変調装置におい
て、前記選択信号を受信する第２選択回路を含み、該第２選
択回路が前記選択信号に応答して前記ＰＷＭ信号のパル
ス幅を変えることを特徴とするパルス幅変調装置。
【請求項６】請求項５記載のパルス幅変調装置におい
て、前記第２選択回路が前記ＰＷＭ信号の前記パルス幅
を変えて、前記ＰＷＭ出力信号の一定な利得を維持する
ことを特徴とするパルス幅変調装置。
【請求項７】パルス幅変調装置において：入力信号に応
答してＰＷＭ信号を発生するパルス幅変調器と、外部装
置からの選択信号を受信する選択端子と、第1電源出力
端子とを有し、前記選択信号に応じて決定されたレベル
を有する第1電源電圧を供給する電源と、前記パルス幅
変調器のＰＷＭ出力ノードに接続されたＰＷＭ入力端子
と、ＰＷＭ出力端子と、前記第1電源出力端子に接続さ
れた第1電源入力端子とを有し、前記第1電源電圧に比例
する振幅を有するＰＷＭ出力信号が前記ＰＷＭ出力端子
に供給される増幅器と、を備えることを特徴とするパル
ス幅変調装置。
【請求項８】請求項７記載のパルス幅変調装置におい
て、前記電源は、前記選択信号により選択されたレベルの可
変電源電圧を供給する可変電圧電源を含んでいることを
特徴とするパルス幅変調装置。
【請求項９】請求項７記載のパルス幅変調装置におい
て、前記増幅器がＨブリッジ増幅器であることを特徴とする
パルス幅変調装置。
【請求項１０】請求項７記載のパルス幅変調装置におい
て、前記増幅器が半ブリッジ増幅器であることを特徴と
するパルス幅変調装置。
【請求項１１】請求項７記載のパルス幅変調装置におい
て、前記選択信号を受信し、前記選択信号に応じて前記
ＰＷＭ信号のパルス幅を変える選択回路を備えたことを
特徴とするパルス幅変調装置。
【請求項１２】請求項１１記載のパルス幅変調装置にお
いて、前記選択端子の選択信号は前記ＰＷＭ信号のパル
ス幅を増加し、前記第1選択端子の選択信号は前記電源
電圧のレベルを低下させることを特徴とするパルス幅変
調装置。
【請求項１３】請求項１２記載のパルス幅変調装置にお
いて、前記増幅器は、前記ＰＷＭ信号のパルス幅と前記
電源電圧の前記レベルとに比例した利得を有するＰＷＭ
出力信号を発生し、前記パルス幅変調器は前記ＰＷＭ信
号のパルス幅を変えて、前記ＰＷＭ出力信号の選択され
た振幅に対する利得を維持することを特徴とするパルス
幅変調装置。
【請求項１４】請求項７記載のパルス幅変調装置におい
て、前記電源は、第２電源出力端子を含み、前記選択信号に
応じて前記第1電源出力端子への第1電源電圧と前記第２
電源出力端子への第２電源電圧との少なくとも１つを送
り；前記増幅器は前記第２電源出力端子に接続された第
２電源入力端子を含み、前記第1、第２電源電圧の少な
くとも１つに比例した振幅を有するＰＷＭ出力信号が、
前記ＰＷＭ出力端子へ送られることを特徴とするパルス
幅変調装置。
【請求項１５】請求項７記載のパルス幅変調装置におい
て、前記電源は、複数の電源出力端子を含み、前記選択
信号に応じて前記複数の電源電圧の少なくとも１つを前
記複数の電源出力端子の１つに送り；前記増幅器は、前
記複数の電源出力端子に接続された複数の電源入力端子
を含み、前記複数の電源電圧の少なくとも１つに比例し
た振幅を有するＰＷＭ出力信号が、前記ＰＷＭ出力端子
へ送られることを特徴とするパルス幅変調装置。
【請求項１６】パルス幅変調装置において：選択信号に
応答してＰＷＭ信号を発生するパルス幅変調器と；前記
パルス幅変調器からの前記ＰＷＭ信号受信する入力端子
と、第1電源出力端子と、第２電源出力端子とを有し、
前記第1電源出力端子に第1電源電圧を供給し、前記第２
電源出力端子に第２電源電圧を供給し、前記第1、第２
電源電圧が前記ＰＷＭ信号に従って決定されたレベルを
有している電源と；入力信号を受信する入力端子と、前
記第1電源出力端子に接続された第1電源入力端子と、前
記第２電源出力端子に接続された第２電源入力端子と、
第3の一定電圧を供給する第3電源入力端子と、前記第3
の一定電圧と前記第1、第２電源電圧の少なくとも１つ
との間の差に比例する出力信号を発生する出力端子を有
する増幅器と、を含んでいることを特徴とするパルス幅
変調装置。
【請求項１７】請求項１６記載のパルス幅変調装置にお
いて、前記第1電源出力端子に接続された正の出力端子と前記
第２電源出力端子に接続された負の出力端子とを有する
電圧源と、第1相補ＰＷＭ出力端子と、第２相補ＰＷＭ出力端子
と、前記選択信号を受信する選択端子とを有し、前記第
1、第２相補ＰＷＭ出力端子の選択信号により決定され
たパルス幅を有する第1、第２相補ＰＷＭ信号を出力す
るパルス幅変調器と、前記第1相補ＰＷＭ出力端子に接続された第1端子と、前
記電圧源の正の出力端子に接続された第２端子と、グラ
ウンドに接続された第3端子とを有する第1トランジスタ
と；前記第２相補ＰＷＭ出力端子に接続された第1端子
と、前記電圧源の負の出力端子と、グラウンドに接続さ
れた第3端子とを有する第２トランジスタと；前記電源
の前記第1電源出力端子と前記増幅器の前記第1電源入力
端子との間に接続された第1フィルタ−装置と、前記電
源の前記第２電源出力端子と前記増幅器の前記第２電源
入力端子との間に接続された第２フィルタ−装置と、を
含んでいることを特徴とするパルス幅変調装置。
【請求項１８】パルス幅変調装置において：入力信号に
応答してＰＷＭ信号を発生するパルス幅変調器と；増幅
器と；該増幅器と前記パルス幅変調器のＰＷＭ出力ノー
ドとに接続されたＰＷＭ入力端子と；前記増幅器と負荷
に接続され、ＰＷＭ出力信号を負荷へ送るＰＷＭ出力端
子と；前記増幅器に接続され、第1の一定電圧を送る第1
電源端子と；前記増幅器に接続され、前記第1の一定電
圧より大きい第２の一定電圧を送る第２電源端子と；前
記増幅器に接続され、第3の一定電圧を送る第3電源端子
と；前記第1または第２一定電圧を選択する選択器と；
を含み、前記ＰＷＭ出力信号の振幅が、前記第3の一定
端子と前記第1、第２の一定電圧のうち選択された電圧
との電圧差に比例しているＰＷＭ出力ステージとを備え
たことを特徴とするパルス幅変調装置。
【請求項１９】請求項１８記載のパルス幅変調装置にお
いて、前記選択器は、前記第1、第２電源端子と前記増幅器と
の間に接続されたスイッチを含んでおり、前記スイッチ
が選択信号を外部装置から受信する端子を有し、前記ス
イッチが前記選択信号に応答して前記第1、第２の一定
電圧の１つを選択することを特徴とするパルス幅変調装
置。
【請求項２０】アナログ入力信号を増幅するパルス幅変
調方法において、ＰＷＭ出力信号のパルス幅を制御するため、前記アナロ
グ入力信号からＰＷＭ入力信号を発生し、前記ＰＷＭ出力信号の振幅について電圧レベルを選択す
る選択信号を供給し、前記選択信号を使用して、前記入力信号のレベルまたは
前記ＰＷＭ出力信号の振幅について選択された電圧レベ
ルに関係なく、前記入力信号の一定利得を維持するＰＷ
Ｍ出力信号のパルス幅を調節することを含むことを特徴
とするパルス幅変調方法。