專利名稱：轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及轉(zhuǎn)換器，例如揚(yáng)聲器的轉(zhuǎn)換器，特別涉及用來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換器的裝置，特別是壓電的或其它電容性的轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
材料技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)在音頻和相關(guān)應(yīng)用里提供使用愈來愈多如壓電式之類的“電壓驅(qū)動(dòng)”轉(zhuǎn)換器。這些轉(zhuǎn)換器有提供具主導(dǎo)性的電容性負(fù)荷至驅(qū)動(dòng)放大器的趨向，因此，需要預(yù)防不穩(wěn)定性或過度的高頻電流。具有等級(jí)B及等級(jí)AB式放大器的高電容性負(fù)荷的使用也因這種負(fù)荷的低電源因素而導(dǎo)致非常低的效率。本發(fā)明提供一種新方法以趨動(dòng)這種裝置，并提供安全且非常有效率的電源轉(zhuǎn)換器。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種電容性轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)器，包括一用來接收輸入信號(hào)的信號(hào)輸入端，用來接收電源的電源輸入端，一連接至輸出端的輸出電感，一具有至少一個(gè)連接于該電源輸入端與該輸出電感之間的切換器的切換輸出級(jí)，一依據(jù)該輸入信號(hào)以控制該切換輸出級(jí)的調(diào)制器，一用來感測(cè)經(jīng)由該輸出電感所提供的輸出電流的電流感測(cè)器，以及一經(jīng)由該調(diào)制器將該感測(cè)到的輸出電流負(fù)返饋的負(fù)返饋回路。
切換放大器可以有效率地驅(qū)動(dòng)一個(gè)電容性轉(zhuǎn)換器。
電流驅(qū)動(dòng)輸出可以大幅地減少該輸出電感與電容性負(fù)荷所造成的共振問題。
該電流驅(qū)動(dòng)輸出可以提供該轉(zhuǎn)換器的自然性平等化特性(naturalequalisation)。
特殊應(yīng)用集成電路(ASIC)可以將上述所有裝置整合成一方便的元件。
該切換輸出級(jí)可以包括兩個(gè)推挽式晶體管對(duì)，每一對(duì)皆經(jīng)由相應(yīng)的輸出電感連接至相應(yīng)的輸出端。此電容性轉(zhuǎn)換器可以耦合于該輸出端之間。為了穩(wěn)定輸出，可將另外的電容連接于該輸出端之間以減輕電路上該電容性轉(zhuǎn)換器的變化或漂移所造成的影響。
切換放大器技術(shù)如等級(jí)D對(duì)于音頻電源放大器的應(yīng)用已廣為人知。通過減少放大器電路(主要是輸出級(jí))的消耗電源而得到效率，其輸出裝置的運(yùn)作以切換器而不是線性電阻元件的方式。傳統(tǒng)非切換放大器的效率在負(fù)荷趨近純阻抗的負(fù)荷時(shí)會(huì)降到零；在這些條件下，切換放大器因而比較適合而能維持高運(yùn)作效率。
使用切換器放大器的電感性負(fù)荷驅(qū)動(dòng)會(huì)顯得相對(duì)直接，因?yàn)樾枰承?shù)量的電感以將切換放大器輸出整合成平滑的電流波形。若需要，可單純地增加更多的電感。
驅(qū)動(dòng)電容性負(fù)荷顯得較有價(jià)值，因?yàn)檩敵鲭姼袝?huì)與有效的負(fù)荷電容產(chǎn)生共振。在實(shí)際的應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)此共振的Q因子通常遠(yuǎn)大于1且在工作區(qū)域頻率上限處有下降的趨勢(shì)。在使用開路或閉路電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，必須小心不要使得LC組合共振，此時(shí)高的Q因子會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的電壓放大(加在電感及其負(fù)荷上)以及流經(jīng)放大器輸出的大電流。增加電阻串可以降低Q因子，但也會(huì)大幅減少效率。
根據(jù)本發(fā)明的其他技術(shù)，將切換放大器如受控電流源一般運(yùn)作，在工作(音頻)頻帶內(nèi)大幅而有效率地增加其輸出阻抗。該電感與電容(LC)組合的Q因子可因而降低以提供安全的運(yùn)作。其副作用為，此電容性負(fù)荷的電流源驅(qū)動(dòng)提供一個(gè)隨著頻率增加而趨近于6dB/八進(jìn)位(octave)的自然滾抹(naturalroll-off)。這在某些情況下是需要的，因?yàn)榕浜洗宿D(zhuǎn)換器有平化上升響應(yīng)的趨向，而在音頻使用上產(chǎn)生較廣的工作頻寬。若需要修正響應(yīng)，可以在放大器級(jí)之前主動(dòng)地或被動(dòng)地提供進(jìn)一步平衡。
放大器輸出級(jí)的切換頻率可以大幅地高過由輸出電感與電容構(gòu)成的LC組合所形成的共振頻率。然后，此高阻抗(電流)輸出延展至足夠高的頻率以降低電路的Q因子而不導(dǎo)致回路不穩(wěn)定。
本發(fā)明也包括一種驅(qū)動(dòng)電容性轉(zhuǎn)換器的方法，包括提供一輸入信號(hào)，使用切換器產(chǎn)生一由該輸入信號(hào)所控制的切換輸出信號(hào)，經(jīng)由一輸出電感輸出該切換輸出信號(hào)，經(jīng)由該輸出電感驅(qū)動(dòng)該電容性轉(zhuǎn)換器，感測(cè)通過該輸出電感的輸出電流以及返饋該感測(cè)到的輸出電流以提供負(fù)返饋。


現(xiàn)在，通過舉例，參照附圖，描述本發(fā)明的特殊具體實(shí)施例，其中圖1表示根據(jù)本發(fā)明裝置的方塊圖，以及圖2(含圖2a及圖2b)表示詳細(xì)的電路圖。
具體實(shí)施例方式
一般而言，信號(hào)會(huì)流經(jīng)輸入端1，低通濾波器3，以及高通濾波器5而至錯(cuò)誤放大器7。此錯(cuò)誤放大器7有一個(gè)正輸入端子9，一個(gè)負(fù)輸入端子11以及一個(gè)輸出端子13。該高通濾波器5的輸出會(huì)輸入至該錯(cuò)誤放大器7的正輸入端子9。
該錯(cuò)誤放大器的輸出端子13連接至調(diào)制器17，該調(diào)制器17也接收來自時(shí)脈器15的時(shí)脈信號(hào)。該調(diào)制器17趨動(dòng)一個(gè)切換輸出級(jí)21。該切換輸出級(jí)包括至少一個(gè)連接于電源供應(yīng)輸入19與輸出電感25之間的切換器22；該至少一個(gè)切換器22由該調(diào)制器17所控制。
該輸出電感25的輸出通過電容性轉(zhuǎn)換器27而至接地29。
電流感測(cè)器23感測(cè)流經(jīng)該輸出電感25和該電容性轉(zhuǎn)換器27的輸出電流并將代表該感測(cè)到的電流信號(hào)返饋至該錯(cuò)誤放大器7的負(fù)端子11。
選擇低通濾波器3乃基于使用需要觀察奈快斯特(Nyquist)標(biāo)準(zhǔn)的切換放大器技術(shù)，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)取樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)。該低通濾波器有一個(gè)切斷(cut-off)頻率，該頻率通常遠(yuǎn)低于fs/2(其中fs是時(shí)脈器15的時(shí)脈頻率)而使輸入端免于雜訊的干擾。該濾波器可用來限制所需的音頻頻寬并且應(yīng)該有好的超頻剔除(out-of-band rejection)。
由于電容性負(fù)荷的電流源驅(qū)動(dòng)，負(fù)荷兩端的電壓會(huì)隨著頻率遞減而以6dB/octave上升。因此，用來限制低頻延展的高通濾波器5包括在內(nèi)。該高通濾波器在低于高通切斷頻率處至少有6dB/octave的斜率并且可能達(dá)到至少12dB/octave。凈空高度(head room)可因此達(dá)到最大。
該錯(cuò)誤放大器7為該電流輸出系統(tǒng)的核心。該輸出電流由感測(cè)器23取樣并與輸入端9比較，因而將放大器轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換阻抗(transconductance)運(yùn)作?；芈吩鲆婧脱a(bǔ)償設(shè)定應(yīng)該小心以確保時(shí)脈頻率/輸出級(jí)供給電壓/負(fù)荷電容值等等的穩(wěn)定性。
由此論點(diǎn)，模擬信號(hào)根據(jù)所選擇的架構(gòu)由調(diào)制器17轉(zhuǎn)換成切換波形。可用不同方法能實(shí)現(xiàn)且簡(jiǎn)單，自然地取樣，等級(jí)D運(yùn)作順利并容易產(chǎn)生。實(shí)際上，該切換波形可由專用的集成電路所產(chǎn)生。通常需要某一等級(jí)的磁滯現(xiàn)象且其大小可與整體調(diào)諧失真(THD)的增加反向而達(dá)到平衡，特別是在靠近夾定的位準(zhǔn)(near-clip levels)。過少，不穩(wěn)定性會(huì)發(fā)生。
該切換輸出級(jí)21可以包括一個(gè)單端切換推挽式電路。為了維持低THD，該輸出波形應(yīng)該使用快速轉(zhuǎn)變來清除?？墒褂?如圖2的電路)橋系(bridge-tied)輸出以增加可用的電壓翼(voltage swing)。然后需要兩個(gè)電感和負(fù)荷端與接地之間的電容以使零星雜訊最小。大部分目前所知的電容性轉(zhuǎn)換器需要有相當(dāng)大的電壓來自電源供應(yīng)器19以驅(qū)動(dòng)這些轉(zhuǎn)換器并使之達(dá)到完全的效能。一般而言，輸出級(jí)可使基本壓電材質(zhì)切換至高達(dá)50V并對(duì)其它材質(zhì)切換至更高的電壓。然而，使用切換放大器技術(shù)會(huì)使電源消耗非常的低。這使得使用小型電壓遞增反向器將所需的數(shù)mA級(jí)電源供給至輸出級(jí)變得可行。雖然更多的電流一般會(huì)流經(jīng)輸出級(jí)和負(fù)荷，其相關(guān)的電能會(huì)在電源供應(yīng)器去耦電容器與輸出元件之間簡(jiǎn)單地來回移動(dòng)。此過程使得切換放大器變的如此有效，在不需要高供應(yīng)電流的情況下產(chǎn)生高輸出電流。
電流感測(cè)可用任何方便的方式來完成。特別的是，可以感測(cè)跨過低阻抗電阻，如(1Ω)的電壓。
輸出電感25電感值的選擇乃共振頻率與切換電流量之間的折衷。較小值將共振頻率推出工作頻帶之外，但也在切換頻率時(shí)導(dǎo)致較高的波紋電流。電感與輸出切換裝置兩者內(nèi)所增加的電流所導(dǎo)致的耗損會(huì)因而增加。然而，由于送至供給去耦電容的電能回復(fù)，大部分額外的輸出電流無法經(jīng)由電源供應(yīng)器直接得知。
該負(fù)荷也應(yīng)注意。經(jīng)由轉(zhuǎn)換器內(nèi)的機(jī)械共振通常會(huì)產(chǎn)生負(fù)荷阻抗內(nèi)的不規(guī)則現(xiàn)象。一般而言雖然很小，為了使頻率響應(yīng)上的影響最小化，可以跨過輸出端連接額外的電容，因而更接近理想負(fù)荷。在此處增加一個(gè)主要的(dominant)電容也能使放大器大幅免于因改變轉(zhuǎn)換器而造成的影響。然而，必須注意勿在工作區(qū)內(nèi)大幅減少輸出電感25與電容所構(gòu)成的LC共振頻率，因?yàn)長(zhǎng)C低通濾波器的動(dòng)作會(huì)使輸出電壓功能在共振頻率上快速地減少。
已經(jīng)確定可以將放大器所需的所有電路組合在特殊應(yīng)用集成電路上。工作于100V之上的輸出級(jí)能夠放在相同的元件封裝內(nèi)。因此，有可能使用一個(gè)IC及少量的被動(dòng)元件完成一個(gè)非常小巧的放大器設(shè)計(jì)。提供一種單一5V供應(yīng)器以及由內(nèi)建電源供應(yīng)電子(electronics)提供較高的輸出級(jí)電壓。使用具有供給50V工藝的元件，在有橋系輸出下，有可能產(chǎn)生高達(dá)+/-45V的低失真輸出翼(swing)。在電路板上，濾波器規(guī)劃為小量的外部式被動(dòng)元件且回路補(bǔ)償也由類似的方法做成。元件的應(yīng)用很多且不同。
圖2表示電容性轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)電路的完整元件圖。輸入端1是頭戴式耳機(jī)托座SK102(應(yīng)為＝＞SK101)。其通過第一運(yùn)算放大器，IC102C，以及使該運(yùn)算放大器變成高通濾波器5的周圍元件饋送信號(hào)。然后輸進(jìn)作為低通濾波器3的第二運(yùn)算放大器IC102D。來自該高通濾波器的輸出接著輸進(jìn)錯(cuò)誤放大器7IC103B。該錯(cuò)誤放大器7與橫跨此放大器的電容提供一些整合電容以平滑其輸出的波動(dòng)。該錯(cuò)誤放大器以切換控制器的型式輸進(jìn)已商業(yè)化的調(diào)制器17，即IC101，為HIP 4080A。該IC的輸出驅(qū)動(dòng)切換輸出級(jí)21，包括四個(gè)場(chǎng)效晶體管22 FET 102，F(xiàn)ET 101，F(xiàn)ET 104和FET 103，這四個(gè)晶體管排置成兩個(gè)推挽式對(duì)，每一對(duì)經(jīng)由1mH的電感連接至輸出端。
感測(cè)通過1Ω電阻R131及R132輸出電流。標(biāo)示為I1和I2的電流感測(cè)輸出輸進(jìn)下一個(gè)運(yùn)算放大器IC 103A，比較流經(jīng)這兩個(gè)電阻的電流以提供通過電容性轉(zhuǎn)換器的電流量測(cè)值。該電阻R131和R132與該下一個(gè)運(yùn)算放大器的組合構(gòu)成一個(gè)電流感測(cè)器23。來自該運(yùn)算放大器的輸出經(jīng)由一個(gè)電解電容輸進(jìn)該錯(cuò)誤放大器IC 103B。
亦示于該圖的為提供參考電壓(左上)的電路、提供振蕩器電壓的時(shí)脈(該電路元件的右側(cè))。右下方圖示一個(gè)起始弱音器(mute)和過電流行程電路，產(chǎn)生一個(gè)失效信號(hào)以輸進(jìn)調(diào)制器IC IC101并且點(diǎn)亮LED D104以顯示錯(cuò)誤狀況。
該電路可以用超過+80V DC的高電壓供應(yīng)器來運(yùn)作，一般為+50VDC。該負(fù)荷電容可以高達(dá)1μF。
必須注意的是，本發(fā)明不局限在這里所表示的特殊電路布置。的確，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想像出許多保留本電路功能的變化。例如，低及高通濾波器能夠逐一切換，可以使用需要不同電路以切換輸出級(jí)的不同調(diào)制器，以及可以自該裝置忽略如參考電壓供應(yīng)器或振蕩器的部分電路并且提供個(gè)別的參考電壓或振蕩器信號(hào)，其適用于具體應(yīng)用。
本發(fā)明所提供的優(yōu)點(diǎn)包括一個(gè)小型化解決方案及一個(gè)低和高電壓區(qū)塊與方便型供應(yīng)器的整體整合；低成本，及一個(gè)趨動(dòng)電容性轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)單解決方案。
該元件的型式可用作已知為“智能型材質(zhì)(smart materials)”的轉(zhuǎn)換器。有兩個(gè)主要的型式壓電式和電緊式(Electrostrictive)。壓電式材質(zhì)因其線性而最常被使用，但有可能驅(qū)動(dòng)兩種型式，因?yàn)閮烧呓蕴峁╇娙菪载?fù)荷。本應(yīng)用適于陶瓷(PZT)與聚合物(PVDF)壓電材質(zhì)兩者且可使用不同的摻雜。
該放大器亦可應(yīng)用于靜電式揚(yáng)聲器，可使用高電壓切換該放大器以直接驅(qū)動(dòng)該極板。
權(quán)利要求
1.一種電容性轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)裝置，包括一用來接收輸入信號(hào)的信號(hào)輸入端，用來接收電源的電源輸入端，連接輸出端的輸出電感，一具有至少一個(gè)連接于該電源輸入端和該輸出電感之間的切換器的切換輸出級(jí)，一依據(jù)該輸入信號(hào)用來控制該切換輸出級(jí)的調(diào)制器，一用來感測(cè)經(jīng)由該輸出電感所供應(yīng)的輸出電流的電流感測(cè)器，以及一用來負(fù)返饋流經(jīng)該調(diào)制器的該感測(cè)輸出電流的負(fù)返饋回路。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該負(fù)返饋回路包括一具有連接至該調(diào)制器的輸出端的錯(cuò)誤放大器，以及連接至該電流感測(cè)器的該輸出端和該信號(hào)輸入端的正輸入端和負(fù)輸入端。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，進(jìn)一步包括一介于該信號(hào)輸入端和該錯(cuò)誤放大器之間的濾波器。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，整合在特殊應(yīng)用集成電路上。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該切換輸出級(jí)包括兩個(gè)推挽式晶體管對(duì)，每一推挽式晶體管對(duì)經(jīng)由相應(yīng)的輸出電感連接至相應(yīng)的輸出端，可在該輸出端之間耦合該電容性轉(zhuǎn)換器。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，進(jìn)一步包括一連接于該輸出端之間的電容。
7.一種揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)裝置，包括一根據(jù)任何前述權(quán)利要求的電容性轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)裝置，以及一連接至該電容性轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)裝置的該輸出端的壓電式揚(yáng)聲器轉(zhuǎn)換器。
8.一種驅(qū)動(dòng)電容性轉(zhuǎn)換器的方法，包括提供一個(gè)輸入信號(hào)，使用切換器產(chǎn)生由該輸入信號(hào)控制的切換輸出信號(hào)，經(jīng)由輸出電感輸出該切換輸出信號(hào)，經(jīng)由該輸出電感驅(qū)動(dòng)該電容性轉(zhuǎn)換器，感測(cè)流經(jīng)該輸出電感的輸出電流，返饋該感測(cè)輸出電流以提供負(fù)返饋。
9.一種驅(qū)動(dòng)如權(quán)利要求8所述的電容性轉(zhuǎn)換器的方法，其特征在于，包括提供一個(gè)具有正和負(fù)輸入端以及一個(gè)將該輸入信號(hào)輸進(jìn)正輸入端的錯(cuò)誤放大器，將該感測(cè)輸出電流輸進(jìn)該負(fù)輸入端，以及使用該錯(cuò)誤放大器的輸出端控制該切換輸出電流。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，包括在將該輸入信號(hào)輸進(jìn)該錯(cuò)誤放大器之前過濾該輸入信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用來驅(qū)動(dòng)電容性轉(zhuǎn)換器的裝置與方法。一種切換式電源供應(yīng)器有一個(gè)切換式輸出級(jí)21經(jīng)由電感25輸送至轉(zhuǎn)換器27。不使用電壓返饋,一個(gè)感測(cè)器23量測(cè)流經(jīng)該電感的電流并將該電流輸送回去作為負(fù)返饋。
文檔編號(hào)H02M3/04GK1350767SQ00807640
公開日2002年5月22日 申請(qǐng)日期2000年5月16日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月19日
發(fā)明者亨利·阿齊馬, 戴維·甘布爾 申請(qǐng)人:新型轉(zhuǎn)換器有限公司