直接驅(qū)動波形放大器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種直接驅(qū)動波形放大器，生成了類似于低電壓輸入波形的高電壓波形。高電壓波形為直接施加于裝置的一連串脈沖。誤差信號控制脈沖的頻率、幅度和持續(xù)時間。將從高電壓波形中得到的反饋信號與輸入波形進行比較以產(chǎn)生誤差信號。
【專利說明】直接驅(qū)動波形放大器
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請是在2011 年 6 月 10 日提交的、題為“DIRECT DRIVE WAVEFORM GENERATOR”的、序列號為13/134，599的美國非臨時申請的部分延續(xù)案，其全部內(nèi)容通過引用合并在本文中。本申請要求在2013年2月I日提交的、序列號為61/759,640的美國臨時專利申請的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容通過引用合并在本文中。
【技術領域】
[0003]本申請涉及放大器，具體地，涉及一種通過生成類似于低電壓控制信號的高電壓波形并將該波形直接施加于裝置來驅(qū)動該裝置的放大器。
【背景技術】
[0004]壓電致動器需要比1.5伏至12.6伏的典型電池電壓大的高電壓?！案摺彪妷簽?0-200伏，其中100-120伏為當前典型的驅(qū)動電壓。用于致動器的一些線驅(qū)動電源提供多達1000伏。從電池產(chǎn)生高電壓比從電力線產(chǎn)生高電壓更加困難。
[0005]電壓升壓轉(zhuǎn)換器可以用于將來自電池的低電壓轉(zhuǎn)換成用于驅(qū)動器的較高電壓。在升壓轉(zhuǎn)換器中，將存儲在電感器中的能量作為高電壓下的電流脈沖供應給電容器。
[0006]圖1是包括已 知的升壓轉(zhuǎn)換器的電路的示意圖；例如，參見美國專利第3，913，000號(Cardwell, Jr.)或美國專利第4，527，096號(Kindlmann)。電感器11和晶體管12串聯(lián)連接在電源13與地或公共端之間。當晶體管接通(導通)時，電流流過電感器11，存儲由電感器生成的磁場中的能量。穿過電感器11的電流根據(jù)電池電壓、電感、內(nèi)阻和晶體管12的導通電阻而快速增加。當晶體管12關斷時，磁場以由晶體管12的關斷特性確定的速率衰減。衰減的速率相當快，比該場增加的速率快得多。電感器11上的電壓與該場衰減的速率成比例。一百伏或更高的電壓是可能的。因此，低電壓通過升壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成了高電壓。
[0007]當晶體管12關斷時，接點15處的電壓基本上高于電容器14上的電壓，并且電流流過為正向偏置的二極管16。電流的每個脈沖對電容器14充少許電，且電容器上的電荷以漸進方式增加。在某個時刻，電容器14上的電壓將大于電源電壓。二極管16防止電流從電容器14流向電源13。電容器14上的電壓是用于其他部件比如放大器21的電源電壓。
[0008]放大器21的輸出耦接至壓電致動器22。至放大器21的輸入可以接收交流信號以用于雙向移動，或者接收直流信號以用于單向移動或作為補充驅(qū)動器(兩個放大器耦接至壓電致動器22的相反端子，其中針對每個極性有一個放大器)的一半信號。在補充驅(qū)動器中，經(jīng)升壓的電壓的絕對幅度大于電池電壓的絕對幅度。補充驅(qū)動器可以使用單驅(qū)動器的高電壓的一半(或可以被設置有兩倍的高電壓)，但可能需要兩個升壓轉(zhuǎn)換器。
[0009]本領域內(nèi)已知根據(jù)脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號來生成低電壓波形；例如，參見美國專利第4，914，396號(Berthiaume)、美國專利第5，703，473號(Phillips等人)以及美國專利第5，994，973號(1'01^)。處理高電壓變得困難且更昂貴，從而需要制造必須隔離并控制這樣的電壓的裝置。高電壓放大器引入了進一步降低效率的損耗。存儲電容器占據(jù)了寶貴的板空間，從而使圖1所示的驅(qū)動器的設計不容易適用于不同的應用。
[0010]如本文中所使用的，波形的“類似”并不意味是精確的復制，而是非常近似。
[0011]鑒于前述內(nèi)容，本發(fā)明的一個實施方式去除了觸覺驅(qū)動器中的存儲電容器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]在本發(fā)明中實現(xiàn)了前述目的，其中，生成了類似于低電壓輸入波形的高電壓波形。高電壓波形為直接施加于裝置的一連串脈沖。誤差信號控制脈沖的頻率、幅度和持續(xù)時間。將從高電壓波形中得到的反饋信號與輸入波形進行比較以產(chǎn)生誤差信號。
[0013]根據(jù)一個實施方式，一種用于驅(qū)動負載的直接驅(qū)動波形發(fā)生器包括:電感式升壓電路，耦接至輸出端子并且具有充電控制輸入；放電電路，耦接至輸出端子并具有放電控制輸入；以及反饋電路，耦接至輸出端子。該發(fā)生器還包括控制電路，該控制電路具有波形輸入、耦接到反饋電路的輸入、耦接到充電控制輸入的第一輸出和耦接到放電控制輸入的第二輸出。控制電路至少部分地基于從反饋電路接收的信號和供應給波形輸入的波形的斜率來在所述第一輸出或所述第二輸出上產(chǎn)生脈沖調(diào)制信號，以生成與波形成比例的高電壓波形。
[0014]根據(jù)另一個實施方式，一種用于驅(qū)動負載的直接驅(qū)動波形發(fā)生器包括:電感式升壓電路，耦接至輸出端子并具有充電控制輸入；放電電路，耦接至輸出端子并具有放電控制輸入；以及反饋電路，具有反饋輸入，該反饋電路包括耦接在反饋輸入與參考電壓之間的電容裝置。該實施方式的發(fā)生器還包括控制電路，該控制電路具有波形輸入、耦接至反饋電路的輸入、耦接至充電控制輸入的第一輸出和耦接至放電控制輸入的第二輸出。該控制電路至少部分地基于從反饋電路接收的信號在第一輸出或者第二輸出上產(chǎn)生脈沖調(diào)制信號，以生成與波形輸入上的波形成比例的高電壓波形。
[0015]根據(jù)另一個實施方式，一種用于驅(qū)動負載的直接驅(qū)動波形發(fā)生器包括:電感式升壓電路，耦接至輸出端子并具有充電控制輸入；以及導引電路，耦接至輸出端子，導引電路在第一操作模式下將輸出端子連接至第一導引輸出以及在第二操作模式下將輸出端子連接至第二導引輸出。該發(fā)生器還包括:第一放電電路，具有耦接至第一導引輸出的第一放電開關并且包括控制第一放電開關的操作的第一放電控制輸入；以及第二放電電路，具有與第二導引輸出耦接的第二放電開關并且包括控制第二放電開關的操作的第二放電控制輸入。該發(fā)生器還包括反饋電路，反饋電路包括:第一反饋電路，耦接至第一導引輸出并且產(chǎn)生第一反饋信號；第二反饋電路，耦接至第二導引輸出并且產(chǎn)生第二反饋信號；以及反饋選擇器，耦接至具有反饋輸出的第一反饋電路和第二反饋電路，并且所述反饋選擇器基于操作模式將第一反饋信號或第二反饋信號耦接至反饋輸出。發(fā)生器還包括控制電路，該控制電路具有波形輸入、耦接至反饋輸出的輸入、耦接至充電控制輸入的充電輸出、耦接至第一放電控制輸入的第一輸出和耦接至第二放電控制輸入的第二輸出?？刂齐娐坊趶姆答佪敵鼋邮盏男盘柡凸o波形輸入的波形在充電輸出或者第一輸出或第二輸出的一個上產(chǎn)生脈沖調(diào)制信號，以生成與波形成比例的高電壓波形。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]通過結(jié)合附圖來考慮以下詳細的描述可以獲得對本發(fā)明更全面的理解，在附圖中:
[0017]圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術構(gòu)造的耦接至負載的升壓電路的示意圖；
[0018]圖2是具有顯示器和鍵盤的電子裝置的立體圖，其中顯示器和鍵盤二者或任一者包括壓電致動器；
[0019]圖3是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的耦接至負載的升壓電路的示意圖；
[0020]圖4是用于圖3所示的升壓電路的控制電路的框圖；
[0021]圖5是用于根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的升壓電路的數(shù)字控制電路的框圖；
[0022]圖6是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的放大器的操作的曲線圖；
[0023]圖7是示出用于根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的升壓電路的模擬控制電路的框圖；
[0024]圖8是不出占空比、導通時間和頻率之間的關系的曲線圖；
[0025]圖9是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的放大器的操作的曲線圖；
[0026]圖10示出了所生成的波形的細節(jié)；
[0027]圖11是本發(fā)明的替代實施方式的框圖；
[0028]圖12是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的系統(tǒng)的狀態(tài)圖；
[0029]圖13是示出若干狀態(tài)之間如何發(fā)生轉(zhuǎn)換的表；
[0030]圖14是根據(jù)一個實施方式的提供差分輸出的放大器的示意圖；
[0031]圖15是可以適用于充電信號的邏輯電路的示意圖；
[0032]圖16是可以適用于放電信號的邏輯電路的示意圖；
[0033]圖17是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式構(gòu)造的耦接至負載的放大器的示意圖；以及
[0034]圖18是根據(jù)圖17所示的實施方式構(gòu)造的提供耦接至致動器的差分驅(qū)動信號的放大器的示意圖。
【具體實施方式】
[0035]圖2示出了包括顯示器26和鍵盤27的電子裝置25。顯示器或鍵盤中任一者或二者可以設置有用于在輕微按壓顯示器的一部分或按鍵時提供觸覺反饋的壓電裝置(在圖2中未示出)。用于提供反饋的裝置在本領域中是已知的。如上所述，這樣的裝置可以為單層或具有多層，并且可以是單向的或雙向的。
[0036]圖3示出了去除存儲電容器14 (圖1)和高電壓放大器21 (圖1)的升壓電路的一個實施方式的框圖。該升壓電路包括串聯(lián)連接在電源33與地或公共端之間的電感器31和晶體管32。晶體管32的控制端子耦接至充電輸入35。電感器31和晶體管32的接點通過二極管36耦接至輸出端子38。被示出為壓電致動器的負載耦接在輸出端子38與地之間。至此所描述的電路是用于向壓電致動器22施加脈沖的充電電路，并且在一些情況下可以稱為驅(qū)動器或者升壓轉(zhuǎn)換器。應當理解，雖然在圖3中將壓電致動器22示出為負載，然而可以將本文中所應用的教導提供給任何類型的負載。這包括但不限于電阻負載、電容負載或電感負載。
[0037]脈沖的頻率、幅度和持續(xù)時間由施加于充電輸入35的信號來確定。如下面進一步所描述的，脈沖的包絡與輸入信號或參考信號成比例。圖3示出的升壓電路具有從控制電路(參見，例如圖4、圖5和圖7)接收信號的若干控制輸入。在本文中，升壓電路和控制電路的組合可以稱為放大器。包絡與輸入信號之間的比為這樣的放大器的增益。[0038]晶體管41和電阻器42串聯(lián)連接在輸出端子38與地之間。晶體管41的控制端子耦接至放電輸入43。晶體管41和電阻器42使累積在壓電制動器22上的任何電荷放電，并且還有利于施加至裝置的波形。當晶體管41導通時，可以降低輸出端子38處的電壓以保持該電壓相對于輸入信號的比例。
[0039]電阻器47和電阻器48串聯(lián)耦接在輸出端子38與地之間。電阻器47與電阻器48的接點耦接至反饋輸出49。電阻器為分壓器，該分壓器將輸出端子38與地之間的電壓的分數(shù)提供給反饋輸出49。在本文中稱為衰減因子ε的該分數(shù)等于R48/(R.sub47+R48)。反饋信號用于產(chǎn)生施加于充電輸入和放電輸入的信號，從而產(chǎn)生施加于壓電致動器22的電壓的波形。該波形可以具有任何期望的形狀，例如連續(xù)的(正弦)或斷續(xù)的(斜坡或脈沖)。應當理解，衰減因子直接與包括圖3所示的升壓電路的放大器的增益有關。
[0040]輸出“波形”指的是施加于輸出端子38的信號的包絡；參見圖6。該包絡為具有各種幅度和寬度的一連串高頻脈沖的結(jié)果。由于壓電裝置是電容性的，所以發(fā)生一些平滑，從而該波形可以視為好像它不包含脈沖一樣。
[0041]圖4是用于圖3所示的升壓電路的控制電路51的框圖?？刂齐娐?1可以是模擬的或者數(shù)字的，并且可以包括波形輸入53和耦接至反饋輸出49 (圖3)的反饋輸入52。輸入53與至放大器21 (圖1)的輸入相對應并且在本文中可以稱為輸入信號或者參考信號?？刂齐娐?1包括耦接至充電輸入35 (圖3)的充電輸出55和耦接至放電輸入43 (圖3)的放電輸出56。如果控制電路51是數(shù)字的，則輸入信號可以是模擬信號、時間值和電壓值的表或參考值。
[0042]圖5和圖7分別示出了如何實現(xiàn)圖4的控制電路51的示例。在圖5和圖7中，具有加號(+ )和減號(_)標志的三角形為比較器，即輸出為數(shù)字的(O或I)。沒有加號(+ )和減號(-)標志的三角形為差分放大器，即輸出為模擬的。
[0043]在圖5中，微控制器61通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 63耦接至反饋輸入62。微處理器61的輸入64將描述輸入信號的信息稱接至微處理器61。信息可以是模擬的或數(shù)字的并且描述波形本身，或者可以是用于選擇預先編程到微控制器61中的波形的數(shù)據(jù)。描述波形的數(shù)字數(shù)據(jù)在數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) 66中被轉(zhuǎn)換以產(chǎn)生在比較器67中與反饋信號進行比較的參考信號。比較器67提供哪個信號較大從而相應地激活充電電路或放電電路的指示。
[0044]脈沖寬度調(diào)制器71耦接至輸出72并且具有耦接至充電輸出73和放電輸出74的補充輸出?？蛇x地，低通濾波器75耦接在脈沖寬度調(diào)制器71與放電輸出74之間。低通濾波器75對脈沖進行平均，從而減慢放電速率。應當認識到，脈沖寬度調(diào)制僅是可以調(diào)制輸出脈沖的一種方式。例如，脈沖寬度調(diào)制器71可以是脈沖頻率調(diào)制器(例如，電壓控制振蕩器)或脈沖串(train)調(diào)制器。
[0045]微控制器61是多狀態(tài)有限狀態(tài)機。控制器具有兩種主要的模式:充電和放電。為了提高精度，在充電周期和放電周期二者中使用若干子狀態(tài)。壓電裝置可以比其充電更快速地放電，并且這包括在機器狀態(tài)中。示出機器狀態(tài)的偽代碼在本說明書結(jié)尾處的附錄中。
[0046]比較器67提供對反饋條件的變化的快速響應，并且執(zhí)行對誤差的一比特量化。誤差δ被定義為反饋信號的值與參考信號的值之間的差。在微控制器61中根據(jù)ADC63的輸出和至DAC66的輸入來計算該差。當以此方式定義誤差時，充電電路的理想增益為反饋衰減因子ε的倒數(shù)。比較器應該具有比ADC63的采樣速率快十至一百倍的響應時間。與比較器轉(zhuǎn)換相關聯(lián)的中斷服務例程(參見附錄)用作暫停狀態(tài)，該暫停狀態(tài)將會在另一個比較器轉(zhuǎn)換的情況下將程序返回到先前狀態(tài)或者在下一次模數(shù)采樣完成時將程序發(fā)送至另一個狀態(tài)。
[0047]誤差的值確定有限狀態(tài)機的下一個狀態(tài)。負誤差意味著控制器對負載進行充電，正誤差意味著控制器對負載進行放電。與誤差范圍相對應，存在具有多種充電和放電速度的若干狀態(tài)。在這些狀態(tài)的每個狀態(tài)中，脈沖寬度調(diào)制器的占空比優(yōu)選地斜升至狀態(tài)的最大占空比以確保平滑轉(zhuǎn)換。
[0048]為了對負載進行充電，以將輸入信號乘以增益因子并且模擬在負載上的這樣方式來對圖3的升壓電路進行切換。直到使電感器飽和的點，電感器中存儲的能量取決于晶體管32 (圖3)導通的時間的長度。當晶體管32關斷時，輸出電壓與磁場經(jīng)由電感器進行衰減的速率成比例。電感器中存儲的能量越多，輸出電壓就越高。因此，導通時間控制增益。以此方式，變化導通時間的一串脈沖具有模擬輸入信號的包絡。
[0049]在一個實施方式中，為了能夠獲得輸出信號的最大精度，充電輸入或放電輸入的切換頻率是至負載的期望輸出信號的奈奎斯特(Nyquist)頻率的至少一千倍，并且優(yōu)選地為幾千倍。在本發(fā)明的一個實施方式中，在150kHz的充電頻率情況下生成了具有頻率為300Hz的輸出信號。
[0050]如果以32kHz對信號進行采樣，則高于16kHz (奈奎斯特頻率)的信號的任何頻率分量在通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器再現(xiàn)該信號時將會產(chǎn)生混疊。奈奎斯特頻率為用于保真的最小閾值。純音不具有諧波。方波的奇諧波豐富。如果期望輸出信號為方波，則奈奎斯特頻率比相同頻率的純音高。在圖6中，波形A為輸入波形并且波形B為端子38 (圖3)上的輸出波形。二十四個脈沖產(chǎn)生包絡78的每個周期。
[0051]微控制器61中的運算單元應該能夠在來自脈沖寬度調(diào)制器71的信號的單個周期內(nèi)進行全部控制計算，這完全在現(xiàn)代微控制器的能力內(nèi)。
[0052]在圖7中，控制電路80包括耦接至比較器83的反饋輸入81和波形輸入82。比較器83的輸出耦接至與門85的一個輸入和反相器84。反相器84的輸出耦接至與門86的一個輸入。從而比較器83確定是充電電路工作還是放電電路操作，同時反相器84防止充電電路和放電電路二者同時操作。如果反饋信號大于波形信號，則放電電路操作。如果反饋信號小于波形信號，則充電電路操作。
[0053]反饋輸入81和波形輸入82還耦接至生成差分或誤差信號的差分放大器93。放大器93的輸出耦接至電壓控制振蕩器(vco)92的頻率控制輸入并耦接至反相器94。反相器94的輸出耦接至vco91的頻率控制輸入并耦接至vco92的占空比控制輸入。來自vco91的輸出脈沖耦接至與電路85。來自vco92的輸出脈沖耦接至與電路86。
[0054]圖8是不出占空比、導通時間和頻率之間的關系的曲線圖。對于/[目號A,脈沖具有給定頻率和百分之五十的占空比。導通時間96相對較短。對于信號B，脈沖具有信號A的頻率一半的頻率和百分之五十的占空比。導通時間97是導通時間96的兩倍長。對于信號C，脈沖具有與信號B的頻率相同的頻率但具有百分之七十五的占空比。導通時間98是導通時間96的三倍長。
[0055]由于導通時間確定充電電路的增益，所以變化頻率和占空比二者以確保用于生成正弦信號中的峰值的充分增益。而且，增益在來自放大器93的誤差(差)信號的幅度較大時增大。具體地，對于較大的誤差，增加占空比，而對于較大的誤差，降低頻率。通過反相器94來提供相反情況下的變化。
[0056]圖9是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的波形發(fā)生器的操作的曲線圖。在充電周期期間，優(yōu)選地，根據(jù)來自差分放大器93 (圖7)的誤差信號來改變頻率和占空比二者。在放電周期期間，頻率隨著負載放電而增大。
[0057]圖10是所生成的波形的曲線圖。放大區(qū)101示出了由來自充電電路的離散電流脈沖所引起的波形中的階梯。這些階梯對于所有的應用可能可以接受或不可接受。
[0058]圖11是控制電路的替代實施方式的框圖，其中對所生成的波形提供了更精確的控制，從而降低了所生成波形中階梯的大小。波形輸入可以是表示期望波形的模擬控制信號或存儲的數(shù)字數(shù)據(jù)。在圖11所示的實施方式中，波形輸入為在數(shù)模轉(zhuǎn)換器105中被轉(zhuǎn)換成模擬信號并且在低通濾波器106中被平滑或平均的存儲數(shù)據(jù)。低通濾波器106的輸出耦接至比較器108的反相輸入。反饋輸入109耦接至比較器108的正相輸入。
[0059]比較器108的輸出耦接至微控制器110的A/D輸入，微控制器不僅監(jiān)測該輸入的幅度和方向而且還監(jiān)測該輸入的轉(zhuǎn)換即狀態(tài)的變化(正到負或者負到正)。在本發(fā)明的一個實施方式中，這僅需要兩個比特的信息。誤差信號為用I表示的正或用O (零)表示的負。幅度信號為用O (零)表示的低或用I表示的高。I或O的分配是任意的。
[0060]在某種程度上類似于圖7所示的實施方式，反饋信號109耦接至電壓控制振蕩器的頻率輸入和占空比輸入二者。具體地，反饋信號109耦接至電壓控制振蕩器121的頻率輸入和電壓控制振蕩器122的頻率輸入。反饋信號109通過反相器124耦接至電壓控制振蕩器121的占空比輸入并且通過反相器125耦接至電壓控制振蕩器122的占空比輸入。電壓控制振蕩器121的輸出耦接至與門127的一個輸入。電壓控制振蕩器122的輸出耦接至與門128的一個輸入。微控制器110的X輸出I禹接至與門127的第二輸入。微控制器110的I輸出I禹接至與門128的第二輸入。輸出信號如表131所不來控制與門?？梢允鼓苋我慌c門或者均不使能與門。當均不使能與門時，系統(tǒng)處于“暫停”狀態(tài)。
[0061]微控制器110包括耦接至電壓控制振蕩器121的輸出133和耦接至電壓控制振蕩器122的輸出134。輸出133和134確定是至電壓控制振蕩器的一個輸入還是兩個輸入確定占空比，從而確定充電(或放電)是快還是慢。
[0062]圖12是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的系統(tǒng)的狀態(tài)圖。圖13是示出如何在多個狀態(tài)之間進行轉(zhuǎn)換的圖。通過將兩個充電速率與兩個放電速率相結(jié)合，可以產(chǎn)生具有非常小的階梯(如果有的話)的期望輸出波形。
[0063]本發(fā)明因此提供了一種直接驅(qū)動波形放大器，其去除了現(xiàn)有技術中所使用的存儲電容器和高電壓放大器。控制電路系統(tǒng)使用與高電壓電路相獨立的低電壓部件。通過變化外部部件可以容易地將放大器定制成支持較高電壓和電流。
[0064]雖然結(jié)合單個輸出端子來描述和示出了本發(fā)明，然而本發(fā)明容易適用于在補充或差分輸出上提供高電壓波形。圖14示出了耦接至負載1401并且驅(qū)動負載1401的放大器1400。放大器1400向負載1401提供輸入信號1474的放大版本。在一個實施方式中，負載1401為壓電致動器。當然，可以驅(qū)動其他類型的負載。所示的放大器包括升壓電路1403和將其充電輸入1435上的信號提供給升壓電路1403的控制電路1402。總體上，以與上述相同或類似的方式來生成提供在充電輸入1435上的信號。[0065]與上述類似，升壓電路1403包括串聯(lián)連接在電源1433與地或者公共端之間的電感器1431和晶體管1432。晶體管1432的控制端子耦接至充電輸入1435。電感器1431與晶體管1432的接點通過二極管1436耦接至輸出端子1438。負載1401耦接在輸出端子1438與地之間。至此所描述的電路為用于向負載1401施加脈沖的充電電路。脈沖的頻率、幅度和持續(xù)時間由施加于充電輸入1435的信號以與上述相同或相似的方式來確定并由控制電路1402來提供。控制電路1402包括提供充電輸入1435上的信號的邏輯電路1404。
[0066]相比于先前所描述的實施方式，負載1401由差分信號來驅(qū)動。為此,放大器還包括由多個開關1452a和1454a組成的導引電路1450或者其他電流指引裝置。
[0067]導引電路可以在輸入信號相對于公共電壓為正時在第一模式下操作,而在輸入信號相對于公共電壓為負時在第二模式下操作。在某些情況下，公共電壓為零，在其他情況下，公共電壓為偏置值。在第一模式下，開關1452a導通而1454a不導通。這樣，節(jié)點1490處的電壓(稱為第一導引輸出)與存在于輸出端子1438處的值相同。在第二模式下，開關1452b導通而開關1454b不導通。這樣,節(jié)點1492處的電壓(稱為第二導引輸出)與存在于輸出端子1438處的值相同。
[0068]當放大器1400連接至負載1401并操作在第一模式下時，負載1401分別經(jīng)由開關1452a和1452b耦接至輸出端子1438和地。在第一模式下，開關1454b操作以對輸出端子1438處的電壓進行放電。這種放電可以以如上所述的方式來進行或者以如下更詳細描述的至少部分地基于參考信號1474的斜率來進行。應當理解，導引電路1450可以包括一個或更多個電阻器(未示出)以控制放電。
[0069]當放大器1400連接至負載1401并且操作在第二模式下時，負載1401分別經(jīng)由開關1454a和1454b耦接至輸出端子1438和地。在該模式下，開關1452b操作以對輸出端子1438處的電壓進行放電。這種放電可以以如上所述的方式來進行或者以如下更詳細描述的至少部分基于參考信號1474的斜率來進行。
[0070]應當理解，開關1452b和1454b可以作為導引電路的一部分來操作成指引電流穿過負載1401或者可以用于對負載進行放電(例如，形成放電電路的一部分)。因此，在本文中，這些開關1454a和1454b可以稱為時時放電開關。
[0071]當在第一模式下時，第一反饋電路1460經(jīng)由開關1452a從輸出端子1438拉出電流。如所示出的，第一反饋電路1460包括串聯(lián)稱接在節(jié)點1490與地或者參考電壓之間的電阻器1462和電阻器1464。電阻1462與電阻1464的接點耦接至反饋選擇器1470。如上所述，電阻器1462和1464通過將輸出端子1438 (例如，在節(jié)點1490處)與地之間的電壓的分數(shù)提供至反饋選擇器1470來形成定義衰減因子ε的分壓器。
[0072]當在第二模式下時，第二反饋電路1466通過開關1454a從輸出端子1438拉出電流。第二反饋電路1466包括串聯(lián)耦接在節(jié)點1492與地之間的電阻器1468和電阻器1469。電阻器1468與電阻器1469的接點耦接至反饋選擇器1470，該反饋選擇器對電阻器1462和電阻器1464的接點處的信號與電阻器1468和電阻器1469的接點處的信號之間哪一個信號作為反饋信號1472進行選擇，以提供作為至控制器1402的輸入。如將理解的，反饋選擇器1470盡管示出為復用器，但可以以諸如一個或更多個開關的其他方式來實現(xiàn)。如上，電阻器1468和1469通過將輸出端子1438與地之間的電壓的分數(shù)提供至反饋選擇器1470來形成定義衰減因子ε的分壓器。在一個實施方式中，電阻器1468的值大于電阻器1469的值。這樣，在一些情況下，電阻器1468為所謂的“高電壓”電阻器。第一反饋電路1460的電阻器1462的情況也是如此。
[0073]在所示的實施方式中，開關1452a和1454a的位置(斷開或閉合)由控制器1402提供的輸出信號1480的值來控制。在一個實施方式中，該信號具有與波形信號1474的幅度是正還是負相對應的I或O值。在另一實施方式中，控制器1402提供的輸出信號1480具有與反饋信號1472的幅度是正還是負相對應的邏輯I或O值。應當理解，反相器1482可以被設置成使得基于輸出信號1480的值來選擇是開關1452a還是1454a可操作。當然，替代地，控制電路1402可以提供兩個不同的輸出信號(一個輸出信號與另一個輸出信號相反)。將選擇兩個可能反饋信號中的哪一個反饋信號是基于所示的實施方式中的輸出信號1480 的。
[0074]分別基于放電(+ )和放電(-)的邏輯值來確定放電開關1452b和1454b的位置。通常，當輸出信號1480為邏輯O (例如，輸入為負)，放電(_)為邏輯1，并且放大器1400對負載進行放電。類似地，當輸出信號1480為邏輯I (例如，輸入為正)時，放電(+ )為邏輯I并且放大器1400對負載進行放電。
[0075]基于以上公開，本領域技術人員將認識到，可能會存在甚至當輸入信號的幅度在增大時發(fā)生放電的情況。類似地，可能會存在當輸入信號的幅度在減小時可以發(fā)生充電的其他情況。然而，簡單地通過考慮以下所描述的輸入信號1474的斜率可以避免這樣的操作。
[0076]在充電狀態(tài)下，將充電脈沖信號施加于本文所描述的升壓電路中任一升壓電路的控制輸入。根據(jù)一個實施方式，充電信號可以由誤差信號和斜坡信號二者進行門控。如果參考信號大于衰減后的輸出(例如，反饋信號)并且參考信號的斜率為正，則對輸出進行充電。否則，至升壓電路的控制輸入被設置成使得開關處于高阻抗模式(例如，不向負載提供脈沖)。
[0077]當參考信號的斜率為負時，放大器處于放電狀態(tài)并且放電脈沖信號被施加于上述放電網(wǎng)絡的控制端子。在一個實施方式中，放電信號由斜率值和誤差值進行門控。例如，如果參考信號小于反饋信號并且參考信號的斜率為負，則以上述方式施加放電信號。否則，將放電網(wǎng)絡保持在高阻抗模式下。
[0078]參照圖15，在所有以上控制電路中，設置了充電輸出和放電輸出。這些控制電路(在圖15中總體上用附圖標記1500來表示)中的每個控制電路可以包括基于輸入的斜率來抑制充電輸出和放電輸出的邏輯門(例如，與門1504和1506)。如先前所描述的，控制電路1500接收參考信號1514和反饋信號1516?；谶@些信號，可以通過上述控制電路中的任一控制電路來形成充電1508信號和放電1512信號。根據(jù)一個實施方式，這些充電1508和放電1512信號可以通過參考信號1514的斜率進行門控。為此，所示出的基于斜率的控制器1502包括控制電路和確定參考信號1514的斜率的斜率檢測器1510。在示出的實施方式中，斜率檢測器1510在該參考的斜率為正時提供“1”，而在參考的斜率為負時提供“O”。由斜率檢測器1510輸出的值(或者該值的由反相器1514形成的相反值)將經(jīng)由與門1504和1506分別對充電1508電路和放電1512電路進行門控來產(chǎn)生斜率調(diào)整后的充電輸出和放電輸出。這些輸出可以被用作至本文所公開的任何升壓電路的充電輸入和放電輸入。
[0079]在一個實施方式中，斜率調(diào)整后的放電輸出可以被修改以形成圖14示出的放電(+ )輸出和放電(_)輸出。如上所述，并且參照圖14至圖16，當處于第一模式下時，一直保持放電(_)。這可以通過將圖16示出的放電信號(或非(NOR)門1610的輸出)施加于還接收表不輸入信號是否為正(輸出( + ))的信號的或門1616來完成。以此方式,無論放電信號的值如何，負載的一側(cè)總是接地。將理解，當輸出(+ )為正時，放電(+ )將跟隨放電信號，這是因為放電(+ )是通過將輸出(+ )(輸出(_))的補碼與放電信號在或門1614處進行或操作來形成的。類似地，當輸出(_)為正時，放電(_)將跟隨放電信號。
[0080]確定放電信號的值的邏輯電路以異或(XOR)門1610示出。該門接收表示以上述方式形成的脈沖串的基本方波信號1608作為輸入。應該理解，方波的頻率和占空比可以根據(jù)條件來改變。然后通過誤差信號1604的值和輸入信號的斜率符號1606對方波進行門控。誤差信號1604在反饋信號超過輸入信號時為正。當輸入信號的斜率為正或反饋信號超過輸入信號發(fā)生或者二者均發(fā)生時，基本方波1608將受到抑制。與門1612還耦接至誤差信號1604、輸入信號的斜率符號1606和基本方波1608。以此方式，當輸入信號的斜率為負或反饋信號小于輸入信號發(fā)生或者二者均發(fā)生時，充電信號受到抑制。
[0081]圖17示出了耦接至負載1701并且驅(qū)動負載1701的放大器1700。放大器1700向負載1401提供輸入信號1774的放大版本。在一個實施方式中，所不出的負載1701為包括電容特性的壓電致動器。
[0082]所示出的放大器包括升壓電路1703和將其充電輸入1735上的信號提供給升壓電路1703的控制電路1702?？傮w上，以與上述相同或類似的方式生成提供在充電輸入1735上的信號。當然，根據(jù)上下文，充電輸入1735可以通過或者可以不通過一個或更多個誤差值和輸入信號1774的斜率來進行門控。
[0083]與上述類似，升壓電路1703包括串聯(lián)連接在電源1733與地或公共端子之間的電感器1731和晶體管1732。晶體管1732的控制端子耦接至充電輸入1735。電感器1731和晶體管1732的接點通過二極管1736耦接至輸出端子1738。至此所描述的電路為用于向負載1701施加脈沖的充電電路。脈沖的頻率、幅度和持續(xù)時間由以上述相同或類似方式施加于充電輸入1735的信號來確定并且由控制電路1702來確定?？刂齐娐?702包括提供充電輸入1735上的信號的邏輯電路1404。
[0084]放大器1700還包括串聯(lián)連接在輸出端子1738與地之間的晶體管1741和電阻器1742。晶體管1741的控制端子耦接至由控制電路1702產(chǎn)生的放電信號1743。晶體管1741和電阻器1742對累積在負載1701上的任何電荷進行放電并且還有利于施加于裝置的波形。當晶體管1741導通時，可以降低輸出端子1738處的電壓，以保持該電壓相對于輸入信號1774的比例。
[0085]在先前的示例中，從耦接在輸出端子1738與地之間的分壓器獲取反饋信號。相比之下，在圖17中，從負載1701與反饋電容器1751之間的位置獲取反饋信號1750。負載1701被示出為電容器，并且在負載為壓電致動器的情況下，負載1701具有電容定義的阻抗Zloado諸如反饋電容器1751的電容元件具有阻抗Z。。以上述類似的方式，對于放大器1700，Zc/(Zload+Zc)定義衰減因子ε。反饋電容器1751取代包括兩個電阻器并且其中一個電阻器為高電壓的分壓器，同時仍使提供給負載的信號能夠跟蹤輸入信號。
[0086]與圖17相關的教導還可以應用于如圖18所示的差分輸出電路。具體地，相比于圖14所示的電路，在圖18中，分別用反饋電容器1751a和1751b代替了反饋電路1460和1466。在圖18中，輸出信號1480被示出為具有對開關1452a和1454a的位置進行控制的自然值(A)和反相值(B)。如上所述，這些開關的操作基于輸入信號(例如，輸出信號1480)的值(正或負)而改變。如所示出的，反饋電容器1751耦接在開關1802與負載1401之間。當在第二模式下時，開關1802將反饋電容器1751a連接至地以與負載1401相結(jié)合來生成提供經(jīng)衰減的反饋信號的阻抗分壓器。類似地，當在第二模式下時，開關1804將反饋電容器1751b連接至地以與負載1401相結(jié)合來生成提供經(jīng)衰減的反饋信號的阻抗分壓器。兩個反饋信號均被提供至選擇器1470，除了提供至選擇器的值將選擇圖14所描述的實施方式中所選擇的反饋信號的另一個反饋信號之外，該選擇器1470可以以上述方式來操作。
[0087]已經(jīng)這樣描述了本發(fā)明，對于本領域技術人員來說將明顯的是，可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)進行各種修改。例如，在功能上，晶體管41和電阻器42的位置是否顛倒并不重要。在一些應用中，改變占空比可以從充電控制中省略。盡管被示出為外部部件，但是許多微控制器可以具有多個板上ADC和DAC電路，從而去除對作為外部部件的這些裝置的需求。在狀態(tài)數(shù)目越來越多的情況下可以根據(jù)應用使用多于兩個的充電或放電水平。充電水平的數(shù)目可以是固定的或者可編程的。例如，微控制器上的兩個輸入管腳可以對一至四個充電水平進行尋址，從而根據(jù)本發(fā)明的單個實現(xiàn)提供了增強的驅(qū)動靈活性。
【權(quán)利要求】
1.一種用于驅(qū)動負載的直接驅(qū)動波形發(fā)生器，所述發(fā)生器包括: 電感式升壓電路，耦接至輸出端子并且具有充電控制輸入； 放電電路，耦接至所述輸出端子并且具有放電控制輸入； 反饋電路，耦接至所述輸出端子；以及 控制電路，具有波形輸入、耦接至所述反饋電路的輸入、耦接至所述充電控制輸入的第一輸出和耦接至所述放電控制輸入的第二輸出； 其中，所述控制電路至少部分地基于從所述反饋電路接收的信號和供應給所述波形輸入的波形的斜率來在所述第一輸出或所述第二輸出上產(chǎn)生脈沖調(diào)制信號，以生成與所述波形成比例的高電壓波形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接驅(qū)動波形發(fā)生器，其中，所述控制電路還包括確定所述波形的所述斜率是正還是負的斜率檢測器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接驅(qū)動波形發(fā)生器，其中，當所述波形的所述斜率為負時抑制所述第一輸出上的脈沖。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接驅(qū)動波形發(fā)生器，其中，當所述波形的所述斜率為正時抑制所述第二輸出上的脈沖。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接驅(qū)動波形發(fā)生器，其中，所述控制電路為數(shù)字的。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的直接驅(qū)動波形發(fā)生器，其中，所述控制電路包括差分放大器，所述差分放大器具有輸出、耦接至所述波形輸入的一個輸入和耦接至所述反饋輸入的一個輸入。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接驅(qū)動波形發(fā)生器，其中，所述控制電路是模擬的。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的直接驅(qū)動波形發(fā)生器，其中，所述控制電路包括耦接至所述充電控制輸入的第一電壓控制振蕩器和耦接至所述放電控制輸入的第二電壓控制振蕩器。
9.一種用于驅(qū)動負載的直接驅(qū)動波形發(fā)生器，所述發(fā)生器包括: 電感式升壓電路，耦接至輸出端子并且具有充電控制輸入； 放電電路，耦接至所述輸出端子并且具有放電控制輸入； 反饋電路，具有反饋輸入，所述反饋電路包括耦接在所述反饋輸入與參考電壓之間的電容裝置；以及 控制電路，具有波形輸入、耦接至所述反饋電路的輸入、耦接至所述充電控制輸入的第一輸出和耦接至所述放電控制輸入的第二輸出； 其中，所述控制電路至少部分地基于從所述反饋電路接收的信號在所述第一輸出或所述第二輸出上產(chǎn)生脈沖調(diào)制信號，以生成與所述波形輸入上的所述波形成比例的高電壓波形。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的直接驅(qū)動波形發(fā)生器與所述負載結(jié)合。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的直接驅(qū)動波形發(fā)生器，其中，所述負載耦接在所述輸出端子與所述反饋輸入之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的直接驅(qū)動波形發(fā)生器，其中，所述負載具有第一阻抗并且所述電容元件具有小于所述第一阻抗的第二阻抗。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的直接驅(qū)動波形發(fā)生器，其中，所述控制電路還包括確定所述波形的所述斜率是正還是負的斜率檢測器。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的直接驅(qū)動波形發(fā)生器，其中，當所述波形的所述斜率為負時抑制所述第一輸出上的脈沖。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的直接驅(qū)動波形發(fā)生器，其中，當所述波形的所述斜率為正時抑制所述第二輸出上的脈沖。
16.一種用于驅(qū)動負載的直接驅(qū)動波形發(fā)生器，所述發(fā)生器包括: 電感式升壓電路，耦接至輸出端子并且具有充電控制輸入； 導引電路，耦接至所述輸出端子，所述導引電路在第一操作模式下將所述輸出端子連接至第一導引輸出以及在第二操作模式下將所述輸出端子連接至第二導引輸出； 第一放電電路，具有耦接至所述第一導引輸出的第一放電開關并且包括控制所述第一放電開關的操作的第一放電控制輸入； 第二放電電路，具 有耦接至所述第二導引輸出的第二放電開關并且包括控制所述第二放電開關的操作的第二放電控制輸入； 反饋電路，包括: 第一反饋電路，耦接至所述第一導引輸出并且產(chǎn)生第一反饋信號； 第二反饋電路，耦接至所述第二導引輸出并且產(chǎn)生第二反饋信號；以及 反饋選擇器，耦接至具有反饋輸出的所述第一反饋電路和所述第二反饋電路，并且所述反饋選擇器基于操作模式將所述第一反饋信號或所述第二反饋信號耦接至所述反饋輸出；以及 控制電路，具有波形輸入、耦接至所述反饋輸出的輸入、耦接至所述充電控制輸入的充電輸出、耦接至所述第一放電控制輸入的第一輸出和耦接至所述第二放電控制輸入的第二輸出，所述控制電路基于從所述反饋輸出接收的信號和供應給所述波形輸入的波形在所述充電輸出或者所述第一輸出或所述第二輸出中的一個上產(chǎn)生脈沖調(diào)制信號，以生成與所述波形成比例的高電壓波形。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的直接驅(qū)動波形發(fā)生器，其中，所述反饋選擇器在所述第一模式下將所述第一反饋信號耦接至所述反饋輸出并且在所述第二模式下將所述第二反饋信號耦接至所述反饋輸出。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的直接驅(qū)動波形發(fā)生器，其中，所述第一反饋電路包括耦接在所述第一導引輸出與參考電壓之間的至少兩個電阻器，以及其中，在所述至少兩個電阻器之間的節(jié)點處形成所述第一反饋信號。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的直接驅(qū)動波形發(fā)生器，其中，所述反饋選擇器在所述第二模式下將所述第一反饋信號耦接至所述反饋輸出并且在所述第一模式下將所述第二反饋信號耦接至所述反饋輸出。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的直接驅(qū)動波形發(fā)生器，其中，所述第一反饋選擇器包括耦接在所述第一導引輸出與參考電壓之間的電容兀件，其中，在所述第一反饋電路的輸入處形成所述第一反饋信號。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的直接驅(qū)動波形發(fā)生器，還包括:耦接在所述第一導引輸出與所述第二導引輸出之間的電容負載。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的直接驅(qū)動波形發(fā)生器，其中，在所述導引電路處于所述第一模式時，所述控制電路在所述第二輸出上產(chǎn)生脈沖式輸出并且在所述第一輸出上產(chǎn)生恒定輸出，以及其中，在所述導引電路處于所述第二模式時，所述控制電路在所述第二輸出上產(chǎn)生恒定輸出并且在所述第一輸出上產(chǎn)生脈沖式輸出。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的直接驅(qū)動波形發(fā)生器，其中，僅在所述波形的斜率為負時，所述控制電路在所述第二輸出上產(chǎn)生所述脈沖輸出，以及其中，僅在所述波形的斜率增大時，所述控制電路在所述第一輸出 上產(chǎn)生所述脈沖式輸出。
24.根據(jù)權(quán)利要求16所述的直接驅(qū)動波形發(fā)生器，其中，所述導引電路在所述波形具有正幅度時處于所述第一操作模式，以及在所述波形具有負幅度時處于所述第二操作模式，其中，所述波形的所述幅度從公共電壓測量。
【文檔編號】H02M3/155GK103973109SQ201410043340
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年1月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月1日
【發(fā)明者】卡爾·愛德華·施普倫托爾 申請人:羅杰斯公司