TWI491170B - Ｄ級放大器 - Google Patents

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TWI491170B TW103105206A TW103105206A TWI491170B TW I491170 B TWI491170 B TW I491170B TW 103105206 A TW103105206 A TW 103105206A TW 103105206 A TW103105206 A TW 103105206A TW I491170 B TWI491170 B TW I491170B
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Description

D級放大器
本發明係關於D級放大器，尤其係關於具備有以切換元件所形成的全橋接電路或半橋接電路的D級放大器。
藉由切換動作，將直流電源的直流轉換成高頻交流的高頻電源已為人所知。以該高頻電源而言，已知藉由D級放大電路(Class D：IEC國際基準IEC60268-3 4 classes of operation)所致之D級高頻電源。
D級高頻電源係以RF電力放大元件形成全橋接電路或半橋接電路，將該RF電力放大元件作為切換元件而以一定的能率(Duty)的RF閘極訊號進行切換動作，藉此將直流電源的直流轉換成高頻交流，將所得的高頻交流作為高頻行進波電力而供給至負載。D級高頻電源藉由脈衝驅動模式或連續驅動模式來進行輸出調整。在脈衝驅動模式中，係交替具有：藉由RF閘極訊號，使RF電力放大元件進行切換動作，且輸出RF輸出的ON區間；及 未進行切換動作而未輸出RF輸出的OFF區間的兩區間的驅動態樣，藉由改變作為ON區間與OFF區間之時間比率的能率(Duty)，來調整RF輸出的輸出電力。ON區間與OFF區間的能率係可藉由脈衝控制訊號的ON區間與OFF區間的能率(Duty)來控制。其中，RF意指高頻。
圖11係藉由習知已知之橋接電路構成所致之RF頻帶的D級放大電路的構成例。其中，在此係顯示藉由MOSFET的切換元件構成全橋接電路之例。D級放大電路係將透過配線電感La及被設在D級放大電路的封裝體的引線的引線電感Lp而由直流電源部被供給的直流轉換成高頻交流而供給至負載。
在切換頻率不高的低頻RF領域中，為了抑制MOSFET呈ON-OFF時所發生的突波電壓，在封裝體的外部的引線間連接旁路電容器C2 。
藉由旁路電容器C2 所為之突波電壓抑制，在低頻RF領域中，MOSFET呈ON時之汲極-源極電壓的上升時間(rise time)、及MOSFET呈OFF時之汲極-源極間電壓的下降時間(fall time)較慢、或MOSFET的電流變化(di/dt)較小，因此MOSFET的低頻RF領域的切換損失會大於高頻RF頻帶的切換損失所致者。
此外，藉由將旁路電容器C2 設定為較大，MOSFET的切換損失發揮阻尼電阻的作用，而亦達成抑制藉由配線電感La所致之共振現象的效果。
圖12(a)係顯示圖11所示之D級放大電路由 ON切換成OFF時的等效電路，圖12(b)係顯示低頻RF領域的D級放大電路的汲極-源極電壓的概略。等效電路中的r係表示切換損失，Lp係表示封裝體的引線電感，Cd係表示封裝體內的電容。
在低頻RF領域中，D級放大電路的特性方程式係可以2次系表示，衰減係數ζ係以ζ=r/2．(2Cd/Ld)1/2 表示。切換損失r係作為阻尼電阻來發揮作用，將衰減係數ζ設為大於1的值，如圖12(b)所示，將MOSFET進行ON-OFF切換時的汲極-源極電壓的振動衰減。
另一方面，在切換頻率較高的高頻RF領域中所使用的MOSFET係高速動作，因此MOSFET的電流變化(di/dt)會變大。圖13係顯示高頻RF領域的D級放大電路之例。其中，圖13中以虛線包圍的電路係表示後述之緩衝電路。圖14(a)係顯示圖13所示之高頻RF領域的D級放大電路(除了緩衝電路以外的電路構成)由ON切換成OFF時的等效電路，圖14(b)係顯示高頻RF領域的D級放大電路(除了緩衝電路以外的電路構成)的汲極-源極電壓的概略。等效電路中的La係表示封裝體外的配線電感，Lp係表示封裝體的引線電感，Cd係表示封裝體內的電容。
在高頻RF領域中，封裝體內的配線電感Ld或電容Cd係成為不可忽視的值，因此在設在封裝體之外部的旁路電容器C2 中，係無法抑制MOSFET的汲極-源極的突波電壓。
此外，如圖14(a)的等效電路所示，經高速化的MOSFET的切換損失小，在高頻RF領域的D級放大電路中，由於不存在切換損失r，因此未作為阻尼電阻來發揮作用。因此，如圖14(b)中的C、D所示，無法獲得抑制汲極-源極電壓的振動的效果，共振現象繼續發生。圖中的C係顯示切換元件由OFF切換成ON時的電壓的振動狀態，發生突波電壓。此外，圖中的D係顯示切換元件由ON切換成OFF時的電壓的振動狀態。在任何切換時，均為所發生的振動狀態係持續至下一個切換時為止。
如圖14(b)所示，若在MOSFET的汲極-源極間發生突波電壓時，除了直流交流轉換的效率降低以外，會發生因突波電壓的過電壓而發生元件破壞的問題。
在與封裝體的外部相連接的旁路電容器C2 中，並無法吸收引線電感Lp或封裝體內的配線電感Ld的突波能量來防止流入至MOSFET。
以高頻RF領域的對策而言，已知一種除了在負載側附加隔離器或3dB耦合器等以外，為了抑制因封裝體外部的電感所致之固有振動，將由Csu及Rsu的串聯電路所成之CR緩衝電路連接在供給線間的構成。
此外，已知一種構成係在封裝體內，對構成半橋接電路的切換元件的串聯電路並聯連接旁路電容器，對切換時的電流脈衝的發生，避免供給電壓的電壓降低，並且阻止因電流峰值所致之切換元件的破壞的構成(專利文獻1)。
圖15係顯示在半橋接電路並聯連接旁路電容器的構成例圖。旁路電容器C3 係並聯連接在構成半橋接電路的切換元件的串聯電路所構成。
在D級放大器的封裝體內設置旁路電容器的構成中，被指出會有藉由切換元件及旁路電容器，形成電流路徑，且藉由電流路徑中的線路電感與切換元件的輸出電容，形成振盪電路的問題，D級放大器對電漿製程並不適用(專利文獻1的段落〔0012〕)。在專利文獻1中係提出藉由限制在旁路電容器流通的電流路徑的長度，來減小電感，藉由使振盪頻率移位至高頻率而使衰減較為容易(專利文獻1的段落〔0016〕)。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2008-228304號公報(段落〔0012〕、段落〔0016〕)
在高頻RF領域的D級放大器中，對形成橋接電路的切換元件呈ON/OFF時所發生的突波電壓或共振現象的問題，以往係如前所述，採用在封裝體外部連接旁路電容器或緩衝電路的對策、或在封裝體內連接旁路電容器的對策等。
但是，在封裝體外部設置旁路電容器的對策中，會有無法吸收封裝體的引線電感Lp或封裝體內的配線電感Ld的能量的問題，在封裝體外設置CR緩衝電路的對策中，則會有因直流電源所具備的平滑電容器Cf(圖13)的影響而無法獲得振動吸收的效果的問題。
在D級放大器的封裝體內設置旁路電容器的構成中，對於振盪的問題，提出藉由限制在旁路電容器流通的電流路徑的長度來減小電感的構成，但是D級放大器的封裝體內的電流路徑的設計係由於受到與其他元件的配置等的限制，因此會有難以自由設計的課題。
如上所述，具備藉由切換元件所形成之橋接電路的高頻RF領域的D級放大器係具有振動現象及突波電壓的課題。
在使用高頻RF領域的D級放大器作為電漿發生裝置用的RF電源時，因電漿的未著火狀態或RF電源與電漿負載之間的電長度等，形成為沒有負載的有效成分的狀態，電路的衰減係數變小，而容易發生較大的振動，因此會有D級放大器的使用變難的情形。
因此，本案發明之目的在解決前述習知的問題，在D級放大器中抑制在高頻RF領域的振動現象，減低突波電壓。
此外，目的在無須限制D級放大器的封裝體內的電流路徑的長度，而抑制在高頻RF領域的振動現象，且減低突波電壓。
本案發明係鑑於上述課題，在D級放大電路的電源側連接振動吸收電路，藉由D級放大電路、及相連接的振動吸收電路，等效構成振動電路，將振動吸收電路所具備的電阻形成為振動電路的衰減電阻，藉此進行振動現象的抑制及突波電壓的減低。
本案發明之D級放大裝置係由D級放大電路及振動吸收電路所構成。D級放大電路係在封裝體內具備有：至少具備1個切換元件的串聯電路的橋接電路、及對橋接電路的切換元件的串聯電路作並聯連接的旁路電容器，在D級放大器的電源輸入端連接振動吸收電路。
振動吸收電路係除了連接於D級放大電路的正電壓側的電源輸入端或負電壓側的電源輸入端的任一者之外，亦可連接於D級放大電路的正電壓側及負電壓側之雙方的電源輸入端。
振動吸收電路係由電阻與電感的RL並聯電路所構成。所連接的振動吸收電路及D級放大電路係構成振動電路，振動吸收電路的電阻係在高頻RF領域中構成振動電路的衰減電阻。
構成振動吸收電路的電感係在D級放大電路流通比振動吸收電路的共振頻率為更低的低頻率成分(直流份)。透過電感來流通低頻率成分，藉此振動吸收電路不會發生因電阻份所致之電力損失，而可將低頻率成分 (直流成分)供給至D級放大電路。
另一方面，構成振動吸收電路的電阻或電阻與電容器的RC串聯電路係在D級放大電路流通比振動吸收電路的共振頻率為更高的高頻率成分。振動吸收電路係透過電阻而在D級放大電路流通共振頻率以上的高頻成分(交流成分)，藉此可使振動吸收電路的電阻R，作為將因D級放大電路的振動現象所致之振動衰減的阻尼電阻來發揮作用。
因此，本案發明所具備的振動吸收電路係將包含共振頻率成分的高頻RF領域中的振動衰減所需之電力消耗所使用的電阻份，無須調整D級放大電路的封裝體的構成，而可藉由連接至封裝體外的電路而實質上進行構裝。
(振動吸收電路之構成例)
D級放大電路處於動作狀態時，將ON狀態的切換元件形成為路徑的一部分而在D級放大電路內形成電流路徑，藉由該電流路徑上的配線阻抗及作並聯連接的旁路電容器，形成共振電路。在此，配線阻抗係以配線電感及切換元件的汲極-源極間的電容的串聯電路表示。
與D級放大電路相連接的振動吸收電路的電阻係對在D級放大電路內所形成的共振電路作等效性並聯連接而構成振動電路。電阻係構成振動電路的衰減電阻，抑制高頻RF領域的振動現象，減低突波電壓。
構成振動吸收電路的電阻的電阻值係將旁路電容器的值設定為參數。更詳言之，在以振動吸收電路的電阻、與D級放大電路的旁路電容器、與由D級放大電路的配線電感及切換元件的電容的串聯電路所成之配線阻抗，等效地以RLC並聯電路表示的2次振動系的振動電路中，振動吸收電路的電阻的值係可根據將衰減係數與共振頻率的積除以旁路電容器的值所得的值來設定。
振動電路的共振頻率係構成橋接電路的各電橋臂的配線阻抗的配線電感及切換元件的電容的積的平方根的倒數的值。
(D級放大電路)
構成D級放大電路的切換元件的橋接電路係除了形成為以2個切換元件的串聯電路所形成的半橋接電路以外，可形成為將2個切換元件的串聯電路並聯連接所形成的全橋接電路。
在半橋接電路及全橋接電路的任何橋接電路中，亦在切換元件進行ON動作時的電流路徑上形成同樣的共振電路，因此連接有振動吸收電路之本案發明之D級放大裝置係達成相同的作用。
如以上說明所示，藉由本案發明之D級放大裝置，可在D級放大器中抑制在高頻RF領域的振動現 象，且減低突波電壓，此外，無須限制D級放大器的封裝體內的電流路徑的長度，即可抑制在高頻RF領域的振動現象，且減低突波電壓。
1、1A、1B、1C‧‧‧D級放大裝置
2、2A、2B‧‧‧D級放大電路
2a-2d‧‧‧切換元件
2e、2f‧‧‧電容器
3、3A、3B‧‧‧振動吸收電路
4‧‧‧直流電源
4a‧‧‧交流源
4b‧‧‧轉換器
4c‧‧‧低通濾波器
5‧‧‧負載
C‧‧‧旁路電容器
C2 、C3 ‧‧‧旁路電容器
Cd‧‧‧電容
Cf‧‧‧平滑電容器
IAC ‧‧‧交流成分
IDC ‧‧‧直流成分
k1 、k2 、k3 、k4 ‧‧‧參數
L‧‧‧電感
La‧‧‧配線電感
Ld‧‧‧配線電感
Lp‧‧‧引線電感
r‧‧‧切換損失
R‧‧‧電阻
Vdd‧‧‧直流電壓
Vds‧‧‧汲極-源極電壓
ζ‧‧‧衰減係數
ω‧‧‧驅動頻率
ωn‧‧‧共振頻率
ωm‧‧‧共振頻率
ωo‧‧‧共振頻率
圖1係用以說明本案發明之D級放大裝置的第1構成例的圖。
圖2係用以說明本案發明之D級放大裝置的第2構成例的圖。
圖3係用以說明本案發明之D級放大裝置的第3構成例的圖。
圖4係顯示本案發明之振動吸收電路的構成例的圖。
圖5係用以說明本案發明之振動吸收電路及D級放大電路的電路構成圖。
圖6係用以說明本案發明之振動吸收電路的L及R的設定的流程圖。
圖7係顯示本案發明之振動吸收電路及D級放大電路中的頻率關係。
圖8係用以說明習知構成之實施例的圖。
圖9係用以說明本案發明之第1實施例的圖。
圖10係用以說明本案發明之第2實施例的圖。
圖11係習知已知之橋接電路構成所致之RF頻帶的D級放大電路的構成例。
圖12係顯示D級放大電路的等效電路、及低頻RF領域的D級放大電路的汲極-源極電壓的概略的圖。
圖13係顯示高頻RF領域的D級放大電路例的圖。
圖14係顯示高頻RF領域的D級放大電路的等效電路、及高頻RF領域的D級放大電路的汲極-源極電壓的概略的圖。
圖15係顯示在半橋接電路並聯連接旁路電容器的構成例的圖。
以下一面參照圖示，一面詳加說明本案發明之實施形態。
以下係針對本案發明之D級放大裝置，使用圖1~3，顯示D級放大裝置的構成例，使用圖4，顯示本案發明之振動吸收電路的概略構成，使用圖5~7，顯示振動吸收電路的L、R、及旁路電容器C的設定例，使用圖8~圖10，顯示實施例。
〔D級放大裝置的構成例〕 (D級放大裝置的第1構成例)
圖1係用以說明本案發明之D級放大裝置的第1構成例的圖。在圖1中，D級放大裝置1係具備有：D級放大電路2A、及與D級放大電路2A的電源輸入端相連接的振動吸收電路3。
D級放大電路2A係具備有：藉由切換元件2a與切換元件2b的串聯電路、及切換元件2c與切換元件2d的串聯電路所構成的全橋接電路；及對2個串聯電路作並聯連接的旁路電容器C，形成為將該等設在同一封裝體內的構成。
切換元件2a~2d係可藉由例如MOSFET所構成，藉由根據來自未圖示的控制電路的控制訊號的ON/OFF控制，將對負載5的電流路徑進行切換。例如，將切換元件2a及切換元件2d形成為ON狀態，將切換元件2b及切換元件2c形成為OFF狀態，藉此形成以由D級放大電路2A朝向負載5的箭號A所示方向的電流路徑，相反地，將切換元件2a及切換元件2d形成為OFF狀態，將切換元件2b及切換元件2c形成為ON狀態，藉此形成以由D級放大電路2A朝向負載5的圖中箭號B所示方向的電流路徑。藉由該切換元件的ON/OFF狀態的切換，使供給至負載5的電流方向反轉。
D級放大電路2A係透過配線而將切換元件2a~2d配置在封裝體內的基板上的構成，因此具有藉由配線所致之配線阻抗。配線阻抗係可在構成橋接電路的各切換元件中，以切換元件的配線所具有的配線電感Ld與切換元件的電容Cd的串聯電路表示。切換元件的電容Cd若為MOSFET時為汲極-源極間的電容份。
振動吸收電路3係連接在D級放大電路2A與直流電源4之間，將直流電源4的直流電流供給至D級放 大電路2A。振動吸收電路3係由電阻R與電感L的RL並聯電路所構成。
在與振動吸收電路3相連接的D級放大電路2A的電源輸入端設有引線，在圖中係以引線電感Lp表示引線的電感成分。
直流電源4係將以交直轉換所得之直流供給至D級放大裝置2A的電源。直流電源4係具備有：交流源4a、藉由交直轉換來輸出直流的AC/DC轉換器4b、及由AC/DC轉換器4b的直流輸出將高頻率成分除外的低通濾波器4c。圖示之直流電源的構成為一例，並非侷限於該構成。
(D級放大裝置的第2構成例)
圖2係用以說明本案發明之D級放大裝置的第2構成例的圖。第1構成例的D級放大裝置1A係在D級放大電路2A中將切換元件2a~2d形成為全橋接構成的構成，相對於此，第2構成例的D級放大裝置1B係在D級放大電路2B中藉由切換元件2a、2b的串聯電路而形成為半橋接構成的構成。
D級放大電路2B係具備有：藉由切換元件2a與切換元件2b的串聯電路、與電容器2e、2f的串聯電路所構成的半橋接電路；及對切換元件的串聯電路作並聯連接的旁路電容器C，形成為將該等設在同一封裝體內的構成。
經串聯連接的切換元件2a、2b係可藉由例如MOSFET所構成，藉由根據來自未圖示的控制電路的控制訊號的ON/OFF控制，來切換在負載5流通的電流路徑。例如，將切換元件2a形成為ON狀態，將切換元件2b形成為OFF狀態，藉此形成透過電容器2f以由D級放大電路2B朝向負載5的圖中箭號A所示方向的電流路徑，相反地，將切換元件2a形成為OFF狀態，將切換元件2b形成為ON狀態，藉此形成透過電容器2e以由D級放大電路2B朝向負載5的圖中箭號B所示方向的電流路徑。藉由該切換元件的ON/OFF狀態的切換，使供給至負載5的電流方向反轉。
其他振動吸收電路3、直流電源4、負載5、及引線電感Lp的構成係與圖1所示之D級放大裝置2A的構成相同。
(D級放大裝置的第3構成例)
圖3係用以說明本案發明之D級放大裝置的第3構成例的圖。第3構成例的D級放大裝置1C係在第1構成例的D級放大裝置1A的構成或第2構成例的D級放大裝置1B中，將振動吸收電路3連接在D級放大電路的正電壓側的電源輸入端與負電壓側的電源輸入端之雙方的構成。
振動吸收電路3A係被連接在D級放大電路2A的正電壓側的電源輸入端與直流電源4的正電壓側之間，振動吸收電路3B係被連接在D級放大電路2A的負 電壓側的電源輸入端與直流電源4的負電壓側之間，將直流電源4的直流電流供給至D級放大電路2A。若以電阻R與電感L構成用以構成圖1所示第1構成的振動吸收電路3的RL並聯電路時，藉由第3振動吸收電路3A、3B，同樣地使其作用振動抑制特性時，振動吸收電路3A及振動吸收電路3B係由電阻R/2與電感L/2的RL並聯電路所構成。
此外，將振動吸收電路3與D級放大電路2A的電源輸入端相連接的引線的引線電感係分別形成為Lp/2。
其他直流電源4、負載5的構成係與圖1所示之D級放大裝置2A的構成相同。
〔振動吸收電路的構成〕
圖4係顯示振動吸收電路3的構成例者。振動吸收電路3係除了連接於D級放大電路的正電壓側的電源輸入端或負電壓側的電源輸入端的任一者以外，可連接於D級放大電路的正電壓側及負電壓側之雙方的電源輸入端。
圖4係顯示以電阻R與電感L的RL並聯電路構成振動吸收電路3之例。以下說明振動吸收電路3由電阻R與電感L的RL並聯電路所構成的情形。
所連接的振動吸收電路及D級放大電路係構成振動電路，振動吸收電路的電阻係在高頻RF領域中構成振動電路的衰減電阻。
本案發明之D級放大裝置係為了抑制D級放大電路的共振現象的發生，並且促使振動現象的衰減，將電阻份等效地導入至D級放大電路內。本案發明之D級放大裝置係為了在D級放大電路內導入電阻份R，使用振動吸收電路，除了直流成分IDC 之外，將交流成分IAC 供給至D級放大電路內。
在直流電源進行直交轉換所得之直流電流係除了直流成分以外，還包含通過低通濾波器的交流成分，D級放大電路的主要動作係藉由直流成分來進行。振動吸收電路3係在D級放大電路流通直流成分IDC ，並且為了在D級放大電路內導入電阻份R，除了直流成分IDC 之外，還供給交流成分IAC 。
振動吸收電路3係通過電感L，在D級放大電路流通比振動吸收電路(RL並聯電路)的共振頻率ωo(=R/L)為更低的低頻率成分(直流份)，通過電阻R，在D級放大電路流通比振動吸收電路的共振頻率ωo為更高的高頻率成分。
振動吸收電路3係通過電感L，在D級放大電路2流通比振動吸收電路3的共振頻率ωo(=R/L)為更低的低頻率成分(直流成分)。藉由透過電感L來流通低頻率成分，振動吸收電路3係不會發生因電阻R所致之電力損失，而可將低頻率成分(直流成分)供給至D級放大電路2。
另一方面，振動吸收電路3的電阻R係在D 級放大電路2流通比振動吸收電路3的共振頻率ωo為更高的高頻率成分，振動吸收電路3係透過電阻R而在D級放大電路2流通共振頻率ωo以上的高頻成分(交流成分)。
D級放大電路2係以D級放大電路中包含共振頻率的高頻RF領域的驅動頻率ω進行驅動。在此，將由振動吸收電路3供給至D級放大電路2的高頻成分的頻帶，形成為包含D級放大電路2的驅動頻率ω的高頻RF領域的頻帶，藉此使振動吸收電路3的電阻R作為將因D級放大電路的振動現象所致之振動衰減的阻尼電阻來發揮作用。
藉此，振動吸收電路3係將在D級放大電路中包含共振頻率的高頻RF領域中振動衰減所需之電力消耗所使用的電阻份R，無須調整被收納在封裝體內的D級放大電路2內的配線等的構成，而可藉由連接至封裝體外的振動吸收電路而實質上進行構裝。
此外，振動吸收電路3的電阻R在D級放大電路中，係對包含D級放大電路的共振振動的共振頻率成分的高頻率成分，作為使振動衰減的阻尼電阻來發揮作用，但是在振動吸收電路中，係對直流成分不會發生電力損失。
因此，本案發明之振動吸收電路3係在包含D級放大電路的共振頻率成分的高頻RF領域中的驅動頻率中，將振動衰減所需之電力消耗所使用的電阻份，無須 調整封裝體內的D級放大電路的配線等的構成，即可藉由連接至封裝體外的振動吸收電路而實質上進行構裝。
〔振動吸收電路的L、R及旁路電容器C的設定例〕
說明振動吸收電路的L、R及旁路電容器C的設定例。
振動吸收電路的L、R的值係除了藉由電路模擬進行設定以外，針對藉由近似所求出的等效電路，計算暫定值，將該暫定值作為初期值，藉由電路模擬來進行設定。以下說明根據藉由近似所求出的等效電路的暫定值的計算例。
(設定例：可忽視引線阻抗Lp的頻率領域)
設定例係在可忽視引線阻抗Lp的頻率領域的設定例。圖5係用以說明振動吸收電路及D級放大電路的電路構成圖及等效電路。
圖5(a)係顯示將切換元件全部形成為OFF狀態的情形。此外，使用D級放大裝置作為對電漿發生裝置的RF電源時，負載5係成為電漿負載。負載5係在電漿為未著火狀態之時，負載係形成為開放狀態(開路(open)狀態)，有效成分係成為0。此外，依D級放大裝置與電漿發生裝置的電極之間的電長度，D級放大電路2係負載成為開放狀態(開路狀態)或短路狀態(short狀態)。
其中，當D級放大電路2處於動作狀態時， 係透過ON狀態的切換元件，在D級放大電路內形成電流路徑，藉由電流路徑上的配線阻抗及並聯連接的旁路電容器，形成共振電路。配線阻抗係包含配線電感Ld及切換元件的汲極-源極間的電容Cd的串聯電路。
圖5(b)係顯示在圖5(a)的電路構成中，振動吸收電路3及D級放大電路2的等效電路。其中，在此係當將驅動頻率設為ω、振動吸收電路的電阻及電感設為R、L、引線電感設為Lp時，藉由選定為ω．L>>ω．Lp、R>>ω．Lp，可省略引線電感Lp。沒有圖5(a)的電路構成的負載的有效成分的狀態(開放狀態)係以圖5(b)所示之等效電路的衰減係數為最小，且發生大的振動的條件。
在圖5(b)的等效電路中，振動吸收電路3的電阻R係對以D級放大電路2所形成的共振電路作等效性並聯連接而構成振動電路。電阻係構成振動電路的衰減電阻，抑制高頻RF領域的振動現象，減低突波電壓。
構成振動吸收電路3的電阻R的電阻值係設定旁路電容器C的值作為參數。更詳言之，在以振動吸收電路3的電阻R、與D級放大電路2的旁路電容器C、與由D級放大電路2的配線電感Ld及切換元件的電容Cd的串聯電路所成之配線阻抗，等效地以RLC並聯電路表示的2次振動系的振動電路(圖5(b))中，振動吸收電路3的電阻R的電阻值係可根據將衰減係數ζ與共振頻率ωn的積除以旁路電容器C的值所得的值來設定。
振動電路的共振頻率ωn係構成用以構成D級 放大電路的橋接電路的各電橋臂的配線阻抗的配線電感Ld及切換元件的電容Cd的積(Ld．Cd)的平方根(Ld．Cd)1/2 的值。
上述關係係對針對圖5(b)的等效電路所得之4次特性方程式F，針對
C>>Cd...(2)
L>>Ld...(3)的條件、及驅動頻率ω，適用ωo=R/L>>ω...(4)
ω<<1/(C‧R)=ωm...(5)的條件，藉此可使其近似以下的2次特性方程式。
其中，ωo係振動吸收電路(RL並聯電路)的共振頻率，ωm係振動吸收電路的R與旁路電容器C的串聯電路的共振頻率。此外，ω係驅動頻率，ωn係由振動吸收電路與全橋接電路所成之振動電路的共振頻率。
在此，2次振動系的一般式係以下式(7)表示。
s2 +2ζωn s+ωn 2 …(7)
藉由在式(6)及式(7)中比較係數，振動電路的共振頻率ωn、衰減係數ζ係成為如下。
此外，振動吸收電路的電阻R係以下式(10)表示。
振動吸收電路的電阻R的值係可根據式(8)~(10)，由配線電感Ld、切換元件的電容Cd及旁路電容器C來求出。衰減係數ζ係可藉由形成為小於1的值，來使振動衰減，且可設定例如0.05~0.8左右為目標。
以一例而言，列舉驅動頻率ω為f=40.68MHz的全橋接電路的情形。
以已知的常數而言，係形成為：L=300nH
C=720ρF
Ld=20nH
Cd=125ρF，若設為ζ=0.5時，衰減電阻R係成為2.2Ω。
此外，頻率的條件係滿足：R/(2πL)<<f<<1/(2πCR)=1.2MHz<<40.68MHz<(fn=100MHz)<<10000MHz。
使用圖6的流程圖，說明將L、R設為未知， Ld、Cd、及C設為已知，k1 、k2 、及ζ設為參數，來設定未知的L及R之例。
為了根據前述2次振動系來決定，形成為C>>Cd...(2)
L>>Ld...(3)
ωo=R/L>>ω...(4)
ω<<1/(C‧R)=ωm...(5)的設定條件，將共振頻率ωn及衰減係數ζ，以
來決定(S1)。
使用參數k1 、k2 ，以下式表示設定條件(4)、(5)(S2)。
決定參數k1 、k2 、ζ(=1/2k1 )(S3)且決定旁路電容器C的值。其中，旁路電容器C的值係根據在D級放大電路所求之設計條件來設定(S4)。
在共振頻率ωn的式(8)及衰減係數ζ的式(9) 中代入參數k1 、k2 及旁路電容器C的值，藉此算出振動吸收電路的電阻R及電感L(S5)，來設定D級放大裝置的L、C、R(S6)。其中，若在S4中預先決定振動吸收電路的電感L時，亦可在S5中算出振動吸收電路的電阻R及旁路電容器C。
其中，圖7係顯示設定例中的頻率關係。圖7(a)係顯示振動吸收電路中的頻率關係。比振動吸收電路(RL並聯電路)的共振頻率ωo為更低的直流成分係通過振動吸收電路的電感L而被供給至D級放大電路，比共振頻率ωo為更高的交流成分係通過振動吸收電路的電阻R而被供給至D級放大電路。
此外，圖7(b)係顯示在D級放大電路的頻率關係。驅動頻率ω係根據切換元件的切換動作的周期而定，如前所述，為滿足R/L<<ω<<1/CR、及R>>ω‧Lp的條件的頻率範圍。
〔實施例〕
以下說明本案發明之實施例。以下係比較本案發明之第1實施例及第2實施例、及習知構成的實施例，說明藉由本案發明之構成所致之在高頻RF領域的振動現象的抑制、及突波電壓的減低的效果。
各實施例的驅動頻率及電路常數係如以下所示。
驅動頻率f=40MHz
振動吸收電路的電感L=300nH
旁路電容器C=0pF(開放)(習知構成的實施例)=1μF(本案發明之第1實施例)=720pF(本案發明之第2實施例)
D級放大電路的配線電感Ld=10nH
D級放大電路的電容Cd=125pF
振動吸收電路的電阻R=∞(開放)(習知構成的實施例)=1.5Ω(本案發明之第1實施例)=1.5Ω(本案發明之第2實施例)
負載阻抗=26+j15Ω
(藉由習知構成所得之實施例)
使用圖8，說明習知構成之實施例的直流電壓Vdd、及汲極-源極電壓Vds。在此所示之實施例係未具備有本案發明之振動吸收電路及旁路電容器之習知構成之例。
在藉由習知構成所得之實施例中，顯示被施加至D級放大電路的直流電壓Vdd及汲極-源極電壓Vds，圖8(a)、(c)係顯示直流電壓Vdd，圖8(b)、(d)係顯示汲極-源極電壓Vds，圖8(c)、(d)係放大顯示閘極訊號由ON狀態變化至OFF狀態之變化前後的狀態。其中，圖8所示之矩形狀的驅動訊號及正弦波狀的振動訊號的周期係為方便說明而以模式顯示者，並非為顯示實際的周期者。
直流電壓Vdd係在閘極訊號被施加至橋接電 路的ON區間，係顯示一定電壓，在閘極訊號由ON狀態切換成OFF狀態後，係如圖8(a)、(c)所示發生振動。
在被施加閘極訊號的ON區間，矩形狀的驅動訊號被施加至切換元件，進行切換元件的切換動作。汲極-源極電壓Vds係藉由驅動訊號的施加而成為矩形狀的周期訊號。
在閘極訊號切換成OFF狀態後，為了停止切換元件的切換動作，驅動訊號的施加係被停止。較佳為藉由該驅動訊號的停止，汲極-源極電壓Vds的周期訊號即停止。但是，在習知構成中，由於未設置振動吸收電路及旁路電容器，因此在將閘極訊號設為OFF狀態的OFF區間，亦因自激而繼續汲極-源極電壓Vds的振動。若汲極-源極電壓Vds的振動繼續時，在OFF區間中，亦會有無須切換元件的切換動作停止而繼續進行的情形，而未進行正常的切換動作。
(本案發明之第1實施例)
使用圖9，說明本案發明之第1實施例之直流電壓Vdd、及汲極-源極電壓Vds。在此所示之實施例係顯示具備有本案發明之振動吸收電路及旁路電容器，如上所述，將振動吸收電路的電阻R設為1.5Ω，旁路電容器C設為1μF的情形。
在本案發明之第1實施例中，係顯示被施加至D級放大電路的直流電壓Vdd及汲極-源極電壓Vds， 圖9(a)、(c)係顯示直流電壓Vdd，圖9(b)、(d)係顯示汲極-源極電壓Vds，圖9(c)、(d)係放大顯示閘極訊號由ON狀態變化成OFF狀態的變化前後的狀態。其中，圖9所示之矩形狀的驅動訊號及正弦波狀的振動訊號的周期係為方便說明而以模式顯示者，並非為顯示實際的周期者。
直流電壓Vdd係在閘極訊號被施加至橋接電路的ON區間，係顯示一定電壓，閘極訊號由ON狀態切換成OFF狀態後，係如圖9(a)、(c)所示進行振動變動，但是振動的振幅與習知構成的情形相比較為較小，以預定的時間常數衰減。
在被施加閘極訊號的ON區間，矩形狀的驅動訊號被施加至切換元件，進行切換元件的切換動作。汲極-源極電壓Vds係藉由驅動訊號的施加而形成為矩形狀的周期訊號。閘極訊號切換成OFF狀態後，驅動訊號的施加即被停止。停止該驅動訊號時，在汲極-源極電壓Vds雖會發生突波電壓，但是所發生的突波電壓與在習知構成中所發生的周期訊號相比較，振幅為較小，以預定的時間常數衰減。
藉此，汲極-源極電壓Vds的振動並未繼續而被減低，在閘極訊號為OFF區間，切換元件的切換動作係停止，且進行正常的切換動作。
(本案發明之第2實施例)
使用圖10，說明本案發明之第2實施例之直流電壓 Vdd、及汲極-源極電壓Vds。在此所示之實施例係顯示具備有本案發明之振動吸收電路及旁路電容器，如上所述，將振動吸收電路的電阻R設為1.5Ω，旁路電容器C設為720pF的情形。
在本案發明之第2實施例中，係顯示被施加至D級放大電路的直流電壓Vdd及汲極-源極電壓Vds，圖10(a)、(c)係顯示直流電壓Vdd，圖10(b)、(d)係顯示汲極-源極電壓Vds，圖10(c)、(d)係放大顯示閘極訊號由ON狀態變化成OFF狀態的變化前後的狀態。其中，圖10所示之矩形狀的驅動訊號及正弦波狀的振動訊號的周期係為方便說明而以模式顯示者，並非為表示實際的周期者。
直流電壓Vdd係在閘極訊號被施加至橋接電路的ON區間，係顯示一定電壓，閘極訊號由ON狀態切換至OFF狀態後，如圖10(a)、(c)所示，振動的振幅與本案發明之第1實施例相比較為較小，以更小的時間常數衰減而呈安定。
在被施加閘極訊號的ON區間，矩形狀的驅動訊號被施加至切換元件，進行切換元件的切換動作。汲極-源極電壓Vds係藉由驅動訊號的施加而成為矩形狀的周期訊號。閘極訊號切換成OFF狀態後，停止驅動訊號的施加。停止該驅動訊號時，在汲極-源極電壓Vds雖會發生突波電壓，但是所發生的突波電壓與本案發明之第1實施例的突波電壓相比較，振幅較小，且以更小的時間常數衰減。
藉此，汲極-源極電壓Vds的振動係比第1實 施例更加減低，閘極訊號在OFF區間，切換元件的切換動作係停止，且進行正常的切換動作。
藉由本案發明之第1實施例及第2實施例，在連接旁路電容器的D級放大電路中，藉由連接預定的電路常數的振動吸收電路，可減低突波電壓，且使振動有效衰減。
其中，上述實施形態及變形例中的記述為本案發明之D級放大器之一例，本案發明並非限定於各實施形態，可根據本案發明之主旨作各種變形，並非將該等由本案發明之範圍中排除。
[產業上可利用性]
本案發明之D級放大器係可適用於對電漿負載的電力供給。可適用於製造半導體、液晶、太陽光面板等薄膜的成膜裝置、雷射振盪器等。
1A‧‧‧D級放大裝置
2A‧‧‧D級放大電路
2a-2d‧‧‧切換元件
3‧‧‧振動吸收電路
4‧‧‧直流電源
4a‧‧‧交流源
4b‧‧‧轉換器
4c‧‧‧低通濾波器
5‧‧‧負載
C‧‧‧旁路電容器
Cd‧‧‧電容
Cf‧‧‧平滑電容器
L‧‧‧電感
Ld‧‧‧配線電感
Lp‧‧‧引線電感
R‧‧‧電阻

Claims (3)

  1. 一種D級放大裝置，其特徵為：具備有：D級放大電路，其係在封裝體內具備有：至少具備1個切換元件的串聯電路的橋接電路、及對前述切換元件的串聯電路作並聯連接的旁路電容器；及振動吸收電路，其係被連接在前述D級放大器的電源輸入端，前述振動吸收電路係由電阻與電感的RL並聯電路所構成，在前述振動吸收電路及前述D級放大電路所構成的振動電路中，前述振動吸收電路的電阻的電阻值係設定前述旁路電容器的值作為參數，構成衰減電阻。
  2. 如申請專利範圍第1項之D級放大裝置，其中，構成前述振動吸收電路的電阻的電阻值係在以前述電阻、與前述旁路電容器、與由配線電感及切換元件的電容的串聯電路所成之前述配線阻抗的並聯電路所表示的2次振動系的振動電路中，根據將衰減係數與共振頻率的積除以前述旁路電容器的值所得的值的值，前述振動電路的共振頻率係構成橋接電路的各電橋臂的配線阻抗的配線電感及切換元件的電容的積的平方根的值。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項之D級放大裝置，其中，前述橋接電路係由2個切換元件的串聯電路所形成 的半橋接電路、或將2個切換元件的串聯電路作並聯連接所形成的全橋接電路。
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