NL1034082C2 - PWM-versterker. - Google Patents

Description

4

PWM-VERSTERKER

De uitvinding betreft een versterkerinrichting van het type pulsbreedte-modulatorversterker (PWM-versterker).

Een PWM-versterker is een vermogensversterker die bijvoorbeeld wordt toegepast voor het regelen van een 5 elektromotor of als audioversterker. De werking ervan berust op het principe van de pulsbeedte-modulatie, waarbij een te versterken signaal en een periodiek signaal, bijvoorbeeld een driehoekssgolf, worden aangeboden aan een comparator. De frequentie van de driehoeksgolf is zodanig gekozen dat deze 10 veel hoger is dan de frequentie van het te versterken signaal. Indien het te versterken signaal een hogere amplitude heeft dan de momentane amplitude van de driehoeksgolf, is de uitgangsspanning van de comparator hoog, in het andere geval is deze laag. Aldus wordt het te 15 versterken signaal gerepresenteerd door de breedte van de pulsen in een bloksignaal aan de uitgang van de comparator. Dit bloksignaal wordt aangeboden aan een of meerdere vermogensschakelaars, die kunnen werken bij tientallen tot honderden volts en vele ampères. Het aldus versterkte 20 bloksignaal wordt vervolgens aangeboden aan een laagdoorlaatfilter, waar het oorspronkelijke signaal, nu met hoog vermogen, wordt herwonnen.

In de bekende PWM-versterker wordt voor het verrichten van de schakelfuncties daarin gebruik gemaakt van een of meer 25 transistors, die een hoeveelheid ruis genereren.

De bekende PWM-versterker is, mede door de toepassing daarin van MOS- en/of bipolaire technolgie, gevoelig voor zeer hoge en lage temperaturen en voor radioactieve straling, en is daarom minder geschikt te worden toegepast in een 30 omgeving waar dergelijke straling optreedt, bijvoorbeeld in meetapparatuur die wordt gebruikt in wetenschappelijk onderzoek.

Het is een doel van de uitvinding een PWM-versterker te verschaffen die geen althans minimale ruis genereert, en 1034082 2 aldus in het bijzonder geschikt is te worden toegepast als voorversterker.

Het is voorts een doel een dergelijke versterker voor te stellen die is te produceren als een geïntegreerde 5 schakeling die niet noodzakelijkerwijze compatibel moet zijn met CMOS- en bipolaire technologie.

Het is nog een doel een PWM-versterker te verschaffen die geschikt is te worden blootgesteld aan zeer hoge of lage temperaturen of aan radioactieve straling.

10 Deze doelen worden bereikt, en andere voordelen worden behaald, met een versterkerinrichting van het in de aanhef genoemde type, die overeenkomstig de uitvinding een schakelaar volgens een micro-elektromechanisch systeem (MEMS-schakelaar) voor een te versterken signaal (Vj.) omvat.

15 Een MEMS-schakelaar is beschikbaar als een micro- elektronische schakeling, waarin een variabele condensator met behulp van een stuurspanning geschakeld kan worden tussen een hoge en een lage capaciteit. Een MEMS-schakelaar wordt in het bijzonder toegepast als schakelaar voor radio-frequentie 20 (RF) golven met een frequentie in het gigahertz (GHz) gebied.

Omdat een MEMS-schakelaar in wezen alleen uit een condensator bestaat veroorzaakt deze geen ruis (afgezien van de thermische beweging van de mechanische delen), en wordt in een PWM-versterker die overeenkomstig de uitvinding een MEMS-25 schakelaar omvat bijzonder weinig ruis gegenereerd.

In een uitvoeringsvorm van een versterkerinrichting volgens de uitvinding omvat de MEMS-schakelaar ten minste een substraat waarop zijn aangebracht een beweegbare dunne film van een elektrisch geleidend materiaal, een eerste elektrode 30 die de ingang vormt voor het te versterken signaal (Vj.) , een tweede elektrode die de uitgang vormt voor een pulsbreedte-gemoduleerd signaal (VPWM) , en actuatormiddelen voor het in afhankelijkheid van het te versterken signaal (Vj.) bewegen van de dunne film, waarbij de versterkerinrichting is 35 ingericht voor het genereren van het pulsbreedte-gemoduleerde signaal (V?Wm) in afhankelijkheid van het bewegen van de dunne film.

3

De actuatormiddelen in een dergelijke inrichting worden bijvoorbeeld gevormd door een derde elektrode die is ingericht als actuatorelektrode voor het daarop aanbieden van een modulatorsignaal (Vm) voor het bewegen van de dunne film, 5 waarbij de eerste en de derde elektrode de ingangen van een comparatorschakeling vormen.

In een uitvoeringsvorm van een versterkerinrichting volgens de uitvinding omvat de MEMS-schakelaar een geleider-geleidercontact van de dunne film en de tweede elektrode.

10 In een volgende uitvoeringsvorm omvat de MEMS-schakelaar een capacitief contact van de dunne film en de tweede elektrode.

Een capacitief contact biedt het voordeel dat voor het goed functioneren van de MEMS-schakelaar geen direct contact 15 tussen de dunne film en de tweede elektrode is vereist, als gevolg waarvan de betrouwbaarheid van een MEMS-schakelaar met een capacitief contact hoger is dan die van een MEMS-schakelaar met een geleider-geleidercontact.

In een uitvoeringsvorm van een versterkerinrichting met 20 een MEMS-schakelaar met een capacitief contact wordt dit contact verschaft door een luchtspleet tussen de dunne film en de tweede elektrode en is de dunne film aan zijn naar het substraat gerichte zijde en/of is het substraat aan zijn naar de dunne film gerichte zijde voorzien van ten minste een 25 af standhouder.

Het elektrisch geleidend materiaal van de dunne film in een versterkerinrichting volgens de uitvinding is bijvoorbeeld geselecteerd uit de groep materialen aluminium (Al), polykristallijn silicium (p-Si), titaniumnitriden, 30 nikkel (Ni), koper (Cu,) tantalium (Ta), wolfraam (W) en goud (Au) .

De uitvinding zal in het volgende worden toegelicht aan de hand van uitvoeringsvoorbeelden, onder verwijzing naar de tekeningen.

35 In de tekeningen tonen

Fig. 1 in schematische weergave een eerste uitvoeringsvorm van een PWM-versterker volgens de uitvinding, 4 met in dwarsdoorsnede een eerste MEMS-schakelaar,

Fig. 2 in schematisch bovenaanzicht de in fig. 1 weergegeven MEMS-schakelaar,

Fig. 3 in schematische weergave een tweede 5 uitvoeringsvorm van een PWM-versterker volgens de uitvinding, met in dwarsdoorsnede een tweede MEMS-schakelaar,

Fig. 4 in schematisch bovenaanzicht de in fig. 3 weergegeven MEMS-schakelaar,

Fig. 5 in schematische weergave een derde 10 uitvoeringsvorm van een PWM-versterker volgens de uitvinding, met in dwarsdoorsnede een derde MEMS-schakelaar,

Fig. 6 in schematisch bovenaanzicht de in fig. 5 weergegeven MEMS-schakelaar,

Fig. 7 in schematische weergave een vierde 15 uitvoeringsvorm van een PWM-versterker volgens de uitvinding, met in dwarsdoorsnede een vierde MEMS-schakelaar, en

Fig. 8 een grafische weergave van het actuatorsignaal voor de in fig. 7 weergegeven MEMS-schakelaar.

In de figuren worden overeenkomstige onderdelen 20 aangeduid met dezelfde verwijzingsgetallen.

Fig. 1 toont een versterker 10 met een substraat 1 van bijvoorbeeld een plak silicium met een isolerende nitridelaag, waarop een MEMS-schakelaar, gevormd door een drietal elektroden 3, 4, 5 en een zich daarover uitstrekkende 25 bladveer 2 van een elektrisch geleidend, flexibel materiaal is aangebracht. De bladveer 2 is verbonden aan aarde 8, en kan inklappen onder invloed van een spanning op de linker elektrode 5 of de middelste elektrode 3. Door het aanleggen van een driehoeksspanning Vra (de actuatorspanning) op de 30 linker elektrode 5 (de actuatorelektrode 5) klapt de bladveer 2 periodiek omlaag, en wordt de bladveer 5 kortgesloten met de rechter elektrode 4 (de uitgangselektrode 4) indien de spanning van de driehoeksgolf Vm groter wordt dan de intrekspanning van de MEMS-schakelaar. De bladveer 2 klapt 35 weer omhoog bij de neergaande flank van de driehoeksgolf Vm. Door toedoen van een te versterken ingangssignaal Vi, dat wordt aangeboden aan de middelste elektrode 3 (de 5 ingangselektrode 3), kan het moment van neerklappen worden vervroegd door de extra aantrekkende spanning op de ingangselektrode 3. Aan de uitgangselektrode 4 wordt via een impedantie 6 een gelijkspanningbron Vp aangesloten. Bij 5 inklappen van de bladveer 2 wordt de stroomkring tussen de gelijkspanningbron Vp via de impedantie 6 en het geleider-geleidercontact van de bladveer 2 naar aarde kortgesloten, hetgeen resulteert in een PWM-blokgolf VPWm met aanzienlijk vermogen die gemoduleerd is met het ingangssignaal. Dit PWM-10 signaal VPWM wordt aangeboden aan een laagdoorlaatfilter 7, waarvan de afsnij frequentie lager is dan de frequentie van het actuatorsignaal op de actuatorelektrode 5, met als resultaat dat het op de ingangselektrode 3 aangeboden ingangssignaal Vi als uitgangssignaal VQ versterkt wordt 15 teruggewonnen. Afhankelijk van de door gelijkspanningbron Vp geleverde spanning, de waarde van de impedantie 6 en het oppervlak van het contact tussen de bladveer 2 en de uitgangselektrode 6 is het mogelijk een aanzienlijke vermogensversterking, spanningsversterking en/of 20 stroomversterking te realiseren. De ingangselektrode 3 en de actuatorelektrode 5 vormen in de weergegeven versterker 10 de ingangen van een comparatorschakeling. Ten aanzien van ruis en omwille van een optimale vermogensversterking kan overwogen worden een voorspanning bij het ingangssignaal op 25 te tellen. Ook is het mogelijk de driehoeksspanning te vervangen door een andere periodieke spanning, teneinde de versterking en de ruis te optimaliseren. Omwille van de leesbaarheid van de figuur zijn de in de versterker 10 optredende signaalvormen op de respectieve plaatsen 30 schematisch weergegeven.

Fig. 2 toont de MEMS-schakelaar van de versterker 10 van fig. 1 in bovenaanzicht, in schematische vorm, ter illustratie van de lay-out van een dergelijke schakelaar in een geïntegreerde schakeling.

35 Fig. 3 toont een versterker 20, die verschilt van de versterker 10 van fig. 1 doordat de uitgangselektrode 4 op zijn contactoppervlak is voorzien van een diëlektricum 9, 6 bijvoorbeeld van siliciumnitride (SiNx) of tantaliumoxide (Ta2C>5) , als gevolg waarvan het contact tussen de bladveer 2 en de uitgangselektrode 4 een capacitief contact is. Aan de uitgangselektrode 4 wordt via een impedantie 6 een 5 wisselspanningbron Vp aangesloten, die bijvoorbeeld een unipolair sinusvormig signaal Vp levert met een frequentie die ruim boven de resonantiefrequentie van de bladveer 2 ligt. In dit geval is het signaal VPWM aan de uitgangselektrode 4 een in amplitude gemoduleerde sinus. Als 10 het signaal Vp unipolair wordt gehouden hoeft het niet te worden gelijkgericht. Het signaal V0 aan de uitgang van het laagdoorlaatfilter 7 heeft de gemiddelde waarde van de unipolaire sinus Vp, die varieert met het ingangssignaal V*. Bij wijze van alternatief kan ook een normale bipolaire 15 spanning Vp aan de uitgangselektrode 4 worden aangeboden, in welk geval de uitgang van het laagdoorlaatfilter 7 van een elektronische of (micro-)mechanische gelijkrichterdiode moet zijn voorzien.

Fig. 4 toont de MEMS-schakelaar van de versterker 20 van 20 fig. 3 in bovenaanzicht, in schematische vorm, ter illustratie van de lay-out van een dergelijke schakelaar in een geïntegreerde schakeling.

Fig. 5 toont een versterker 30, die verschilt van de versterker 20 van fig. 3 doordat een capacitief contact 25 tussen de bladveer 2 en de uitgangselektrode 4 niet door middel van een diëlektricum wordt gerealiseerd, maar door middel van een luchtspleet, die in ingeklapte toestand van de bladveer 2 ontstaat doordat de bladveer 2 met behulp van een afstandhouder 11 aan zijn onderzijde afsteunt op een 30 corresponderende afstandhouder 12 op het substraat 1.

Fig. 6 toont de MEMS-schakelaar van de versterker 30 van fig. 5 in bovenaanzicht, in schematische vorm, ter illustratie van de lay-out van een dergelijke schakelaar in een geïntegreerde schakeling.

35 Fig. 7 toont een versterker 40, die verschilt van de versterker 30 van fig. 5 doordat de beweegbare dunne film 2 is uitgevoerd als een aan zijn twee uiteinden ondersteunde 7 brug die in ingeklapte toestand afsteunt op twee symmetrisch geplaatste afstandhouders 12, het ingangssignaal \A wordt aangeboden aan twee symmetrisch aangebrachte ingangselektroden 3, en een afzonderlijke actuatorelektrode 5 ontbreekt. De functie van de actuatorelektrode in deze schakeling wordt vervuld door de uitgangselektrode 4, waarop via de impedantie 6 een sinusvormig signaal Vp wordt aangeboden met een frequentie hoger dan de resonantiefrequentie van de brug 2, welk signaal Vp wordt 10 gemoduleerd met een driehoeksgolf met een frequentie juist onder de resonantiefrequentie (getoond in fig. 8), zodat de brug 2 het gemoduleerde signaal kan volgen, maar alleen zal bewegen met de effectieve waarde van het hoogfrequente sinussignaal. Bij een ingangsspanning Vj = 0 V zal de brug 2 15 door het actuatorsignaal Vp periodiek neer- en opgeklapt worden. Het gevolg hiervan is dat de capaciteitswaarde van de brug 2 zal veranderen volgens een blokvormig patroon, en dat, door de aanwezigheid van de impedantie 6, de hoogfrequente component van het actuatorsignaal Vp met een extra blokgolf 20 worden gemoduleerd. Als het signaal van de uitgangselektrode 4 wordt gefilterd met een laagdoorlaatfilter 7 met een frequentie lager dan de modulatiefrequentie van het actuatorsignaal Vp wordt een gelijkspanning verkregen. Als de ingangsspanning Vj > 0 V zal de brug 2 eerder neergeklapt 25 worden, als gevolg van de toegenomen aantrekkende kracht op de brug 2, en zal deze gedurende een langer gedeelte van een periode van het actuatorsignaal Vp neergeklapt blijven. Het amplitude-gemoduleerde signaal op de uitgangselektrode 4 zal nu een lagere gemiddelde waarde hebben, en de spanning zal na 30 het laagdoorlaatfilter 7 inzakken als de ingangsspanning Vi toeneemt. Omdat de uitgangsstroom afhankelijk is van dc capaciteit van de brug 2 en de waarde van de impedantie 6 is aldus een vermogensversterker ontstaan. Afhankelijk van de parameters van de schakeling en Vp kan eveneens en 35 spanningsversterker worden verkregen. Het ontbreken van een afzonderlijke actuatorelektrode in de versterkerschakeling 40 biedt het voordeel dat deze schakeling kleiner is, 8 eenvoudiger is te produceren en met hogere snelheden kan functioneren.

Omdat weerstanden, condensatoren en spoelen op bekende en eenvoudige wijze zijn te integreren in een schakeling met 5 MEMS-technologie, ligt het binnen het bereik van de vakman de MEMS-schakelaar en het laagdoorlaatfilter in een versterkerinrichting volgens de uitvinding, bijvoorbeeld een operationele versterker of een hoogvermogensversterker, in één schakeling te integreren.

10 Benadrukt wordt dat de hierboven beschreven uitvoeringsvoorbeelden dienen ter toelichting, niet ter beperking het kader van de uitvinding. Binnen de uitvindingsgedachte zijn voor de vakman andere uitvoeringvormen te realiseren.

15 De beweegbare dunne film in een MEMS-schakelaar in een versterker volgens de uitvinding is bijvoorbeeld te realiseren als een aan één uiteinde opgehangen bladveer, als een aan twee uiteinden gedragen brug of als een membraan, welke dunne film zowel in het vlak als uit het vlak van het 20 substraat kan bewegen.

De actuatormiddelen in een MEMS-schakelaar in een PWM-versterker volgens de uitvinding zijn hierboven beschreven als elektrostatische aandrijfmiddelen, maar kunnen bijvoorbeeld ook worden gerealiseerd in de vorm van 25 elektromagnetische of elektrothermische aandrijfmiddelen.

1034082

Claims (10)

1. Versterkerinrichting (10, 20, 30, 40) van het type pulsbreedte-modulatorversterker (PWM-versterker), met het kenmerk, dat deze een schakelaar volgens een micro-elektromechanisch systeem (MEMS-schakelaar) voor een te 5 versterken signaal (V*) omvat.

2. Versterkerinrichting (10, 20, 30, 40) volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de MEMS-schakelaar ten minste een substraat (1) omvat waarop zijn aangebracht - een beweegbare dunne film (2) van een elektrisch 10 geleidend materiaal, - een eerste elektrode (3) die de ingang vormt voor het te versterken signaal (Vi) , - een tweede elektrode (4) die de uitgang vormt voor een pulsbreedte-gemoduleerd signaal (VPWM) , en 15. actuatormiddelen (5) voor het in afhankelijkheid van het te versterken signaal (V^) bewegen van de dunne film (2), waarbij de versterkerinrichting is ingericht voor het genereren van het pulsbreedte-gemoduleerde signaal (VPWM) in afhankelijkheid van het bewegen van de dunne film (2).

3. Versterkerinrichting (10, 20, 30) volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de actuatormiddelen (5) worden gevormd door een derde elektrode (5) die is ingericht als actuatorelektrode voor het daarop aanbieden van een modulatorsignaal (Vm) voor het bewegen van de dunne film (2), 25 waarbij de eerste (3) en de derde elektrode (5) de ingangen van een comparatorschakeling vormen.

4. Versterkerinrichting (10) volgens een der conclusies 2-3, met het kenmerk, dat de MEMS-schakelaar een geleider-geleidercontact van de dunne film (2) en de tweede elektrode 30 (4) omvat.

5. Versterkerinrichting (20, 30, 40) volgens een der conclusies 2-3, met het kenmerk, dat de MEMS-schakelaar een capacitief contact (9) van de dunne film (2) en de tweede elektrode (4) omvat. 1034082 φ

6. Versterkerinrichting (30) volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat het capacitieve contact wordt verschaft door een luchtspleet tussen de dunne film (2) en de tweede elektrode (4) en is de dunne film (2) aan zijn naar het 5 substraat (1) gerichte zijde voorzien van ten minste een afstandhouder (11).

7. Versterkerinrichting (30, 40) volgens een der conclusies 5-6, met het kenmerk, dat het capacitieve contact wordt verschaft door een luchtspleet tussen de dunne film (2) 10 en de tweede elektrode (4) en is het substraat (1) aan zijn naar de dunne film (2) gerichte zijde voorzien van ten minste een afstandhouder (12).

8. Versterkerinrichting (10, 20, 30, 40) volgens een der conclusies 2-7, met het kenmerk, dat het elektrisch geleidend 15 materiaal van de dunne film (2) is geselecteerd uit de groep materialen aluminium (Al), polykristallijn silicium (p-Si), titaniumnitriden, nikkel (Ni), koper (Cu,) tantalium (Ta), wolfraam (W) en goud (Au).

9. Versterkerinrichting volgens conclusie 2, met het 20 kenmerk, dat de actuatormiddelen elektromagnetische aandrijfmiddelen zijn.

10. Versterkerinrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de actuatormiddelen elektrothermische aandrijfmiddelen zijn. 1034082