專利名稱：可切換電壓追隨器及使用該追隨器的橋式驅(qū)動電路裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)驅(qū)動電路的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是指一種可切換電壓追隨器及使用該追隨器的橋式驅(qū)動電路裝置。
第8A圖及第8B圖分別顯示一種已知的波寬調(diào)變(Pulse WidthModulation，PWM)橋式驅(qū)動器(bridge driver)及其驅(qū)動波形，其由數(shù)位波寬調(diào)變后的上波寬調(diào)變訊號(PWM-UP)與下波寬調(diào)變訊號(PWM-DOWN)來驅(qū)動交叉連接的輸出晶體管MP1、MN1、MP2及MN2以驅(qū)動喇叭81，并由喇叭81的低通濾波(low pass filtering)來轉(zhuǎn)換出音頻而輸出。這種橋式驅(qū)動大器構(gòu)造簡單，且可以在低電壓工作下輸出夠大音量，但其在電壓源VDD高低變化時(shí)，輸出音量變化相當(dāng)大；且當(dāng)電壓源VDD為高時(shí)，輸出電流大，而容易在積分電路內(nèi)部造成過大的暫態(tài)雜訊，引發(fā)積分電路工作失誤，譬如誤觸發(fā)電源啟動的重置(poweron reset)等等；此外，若晶體管MP1、MN1、MP2及MN2在布局上有不對稱，或因制程漂移而使(MP1，MN1)的導(dǎo)通電阻與(MP2，MN2)的導(dǎo)通電阻不相等，則會引發(fā)非對稱的失真。
第9圖則顯示一種用于語音處理IC以推動喇叭的橋式放大器(bridgeamplifier)，其中語音數(shù)位處理電路輸出的資料(b0-b10)先經(jīng)由數(shù)位類比轉(zhuǎn)換器91(digital to analog converter，DAC)轉(zhuǎn)成類比信號，再由單端至差動轉(zhuǎn)換器92(single ended to differential output converter)將信號轉(zhuǎn)成正極性信號V1與負(fù)極性信號V2，以分別推動兩個(gè)作為驅(qū)動器的AB類放大器93及94，再由兩個(gè)驅(qū)動器輸出音頻驅(qū)動并推動喇叭95。
前述的橋式驅(qū)動放大器所用的單端至差動轉(zhuǎn)換器92與AB類放大器93及94的構(gòu)造如

圖10所示；其優(yōu)點(diǎn)是可以單端推動喇叭或接成橋式驅(qū)動喇叭以獲得四倍輸出功率，然而單端至差動轉(zhuǎn)換器92會產(chǎn)生偏移(offset)，而兩組AB類放大器93及94內(nèi)的運(yùn)算放大器OPU及OPB會產(chǎn)生直流漂移(dc offset)，此直流偏移以直流成分加在喇叭95上，會引發(fā)額外靜態(tài)電流消耗，造成橋式輸出(SPK+，SPK-)的直流偏移過大的缺失。
此外，前述橋式驅(qū)動放大器的AB放大器93及94的晶體管MN1、MP1的靜態(tài)偏壓電流與喇叭電阻的乘積必須大于橋式輸出(SPK+，SPK-)的直流偏移，否則就會產(chǎn)生交叉(cross-over)失真，而一旦產(chǎn)生交叉失真就需由偏壓控制電路96的回抑來抑制(參考美國專利USP 4,963,837號專利)，但由于偏壓控制電路96乃提供局部回授，反而會使得AB類放大器的開回路增益(open loop gain)降到只有10-20倍，因此，其回授量將不足以有效抑制交叉失真，第11圖便顯示輸入橋式驅(qū)動放大器的波形VIN與橋式輸出(SPK+，SPK-)的波形(VSPK+-VSPK-)，其顯示橋式輸出波形(VSPK+-VSPK-)具有明顯的交叉失真現(xiàn)象。因此，前述已知的橋式驅(qū)動電路實(shí)有予以改進(jìn)的必要。
本發(fā)明的目的在提供一種可切換電壓追隨器及使用該追隨器的橋式驅(qū)動電路裝置，以有效地解決已知技術(shù)中的諸項(xiàng)缺失。
依據(jù)本發(fā)明之一特色，所提出的可切換電壓追隨器主要包括一輸出晶體管對，具有一PMOS晶體管與一NMOS晶體管，該兩晶體管的汲極相連以作為一驅(qū)動輸出端；第一、第二及第三切換器，該第二切換器的第一輸入端連接電壓源，其輸出端連接該P(yáng)MOS晶體管的閘極，該第三切換器的第二輸入端連接系統(tǒng)低電位，其輸出端連接該NMOS晶體管的閘極；以及，一運(yùn)算放大器，其正輸入端作為回授端并連接至該驅(qū)動輸出端，其負(fù)輸入端連接至該第一切換器的輸出端，并輸出端則連接至該第二切換器的第二輸入端及第三切換器的第一輸入端；其中，每一切換器均由一極性端所控制，以當(dāng)該極性端輸入的數(shù)位邏輯信號為第一狀態(tài)時(shí)，每一切換器的輸出端切換連接至其第一輸入端，而當(dāng)該極性端所輸入的數(shù)位邏輯信號為第二狀態(tài)時(shí)，每一切換器的輸出端切換連接至其第二輸入端。
依據(jù)本發(fā)明的另一特色，所提出的橋式驅(qū)動電路裝置主要包括第一及第二可切換電壓追隨器，每一個(gè)可切換電壓追隨器包括一輸出晶體管對，具有一PMOS晶體管與一NMOS晶體管，該兩晶體管的汲極相連以作為一驅(qū)動輸出端；第一、第二及第三切換器，該第二切換器的第一輸入端連接電壓源，其輸出端連接該P(yáng)MOS晶體管的閘極，該第三切換器的第二輸入端連接系統(tǒng)低電位，其輸出端連接該NMOS晶體管的閘極，該第一切換器的第一及第二輸入端分別作為可低態(tài)輸入端及高態(tài)輸入端，其中，每一切換器均由一極性端所控制，以當(dāng)該極性端輸入的數(shù)位邏輯信號為第一狀態(tài)時(shí)，每一切換器的輸出端切換連接至其第一輸入端，而當(dāng)該極性端所輸入的數(shù)位邏輯信號為第二狀態(tài)時(shí)，每一切換器的輸出端切換連接至其第二輸入端；以及，一運(yùn)算放大器，其正輸入端作為回授端并連接至該驅(qū)動輸出端，其負(fù)輸入端連接至該第一切換器的輸出端，并輸出端則連接至該第二切換器的第二輸入端及第三切換器的第一輸入端；其中，該第一及第二可切換電壓追隨器的低態(tài)輸入端相連以作為低電位輸入端，兩者的高態(tài)輸入端則相連以作為高電位輸入端，而兩者的極性端分別作為極性切換端，以供輸入反相的極性切換邏輯信號。
為進(jìn)一步了解本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、特征及其目的，以附圖及較佳實(shí)施例作詳細(xì)說明圖1為本發(fā)明的橋式驅(qū)動電路裝置的功能方塊圖，圖2為本發(fā)明的可切換電壓追隨器的電路圖，圖3為本發(fā)明的橋式驅(qū)動電路裝置的一種電路組圖，圖4為本發(fā)明的橋式驅(qū)動電路裝置的另一種電路組圖，圖5A為本發(fā)明的PWM驅(qū)動器的電路圖，圖5B為圖5A的PWM驅(qū)動器的驅(qū)動波形，圖6為依據(jù)本發(fā)明的語音驅(qū)動器，圖7為圖6的語音驅(qū)動器的驅(qū)動波形，圖8A為一種已知的波寬調(diào)變橋式驅(qū)動器的電路圖，圖8B為圖8A的波寬調(diào)變橋式驅(qū)動器的驅(qū)動波形圖，圖9為一種用于語音處理IC以推動喇叭的橋式放大器的電路圖，圖10為圖9的橋式放大器的詳細(xì)電路結(jié)構(gòu)圖，圖11為圖9的橋式放大器的輸入與橋式輸出的波形圖。
圖1顯示本發(fā)明的橋式驅(qū)動電路裝置的一較佳實(shí)施例，其由兩個(gè)可切換電壓追隨器11及12(switchable voltage follower)所構(gòu)成，其中的每一個(gè)可切換電壓追器11或12的電路結(jié)構(gòu)則如圖2所示，主要由一運(yùn)算放大器24、三個(gè)切換器21-23及一輸出晶體管對25所構(gòu)成，其中，輸出晶體管對25以PMOS晶體管M1與NMOS晶體管M2分別作為輸出元件，而晶體管M！及M2的汲極相連以作為可切換電壓追隨器的輸出端OUT。
前述的切換器21-23較佳地為2對1切換器(MUX)，其由一極性端PN所控制，以當(dāng)該極性端PN所輸入的數(shù)位邏輯信號為0時(shí)，切換器21-23的輸出端213、223或233切換連接至第一輸入端211、221或231，而當(dāng)該極性端PN所輸入的數(shù)位邏輯信號為1時(shí)，切換器21-23的輸出端213、223或233切換連接至其第二輸入端212、222或232。
前述運(yùn)算放大器24為一全軌對軌(full rail-to-rail)的差動放大器，其正輸入端作為回授端并連接至該驅(qū)動輸出端OUT，其負(fù)輸入端連接至切換器21的輸出端213以將輸入信號放大，而其輸出端則連接至切換器22的第二輸入端222及切換器23的第一輸入端231；切換器22的第一輸入端221連接電壓源VDD，其輸出端223連接晶體管M1的閘極；切換器23的第二輸入端232連接系統(tǒng)低電位VSS，其輸出端233連接至晶體管M2的閘極；切換器21的第一及第二輸入端211及212則分別作為可切換電壓追隨器的低態(tài)輸入端INL及高態(tài)輸入端INH。
以前述可切換電壓追隨器11及12的電路結(jié)構(gòu)，當(dāng)PN＝1時(shí)，該運(yùn)算放大器24的負(fù)輸入端連結(jié)到INH，輸出則連結(jié)到晶體管M1的閘極，而晶體管M1的汲極則連結(jié)到運(yùn)算放大器24的回授端，故可構(gòu)成一上拉(pullup)電壓追隨器，而在此同時(shí)，晶體管M2的閘極被連到VSS而關(guān)閉。而當(dāng)PN＝0時(shí)，該運(yùn)算放大器24的輸入連結(jié)到INL，輸出則連結(jié)到晶體管M2的閘極，晶體管M2的汲極則連結(jié)到運(yùn)算放大器24的回授端，而構(gòu)成一下拉(pull down)電壓追隨器，在此同時(shí)，晶體管M1的閘極被連結(jié)到VDD而被關(guān)閉。由此可知，由以極性端PN用來控制三個(gè)切換器21-23，便可將可切換電壓追隨器11及12切換成所需要的組態(tài)。
而當(dāng)組合成圖1的橋式驅(qū)動電路裝置時(shí)，該可切換電壓追隨器11及12的低態(tài)輸入端INL共同連接至一低電位輸入端VIL，而兩者的高態(tài)輸入端INH則共同連接至一高電位輸入端VIH，另該可切換電壓追隨器11及12的極性端PN則分別以第一極性切換端PNSW1及第二極性切換端PNSW2所表示，因此，配合極性切換邏輯信號PNSW1與PNSW2的控制，當(dāng)PNSW1＝1、PNSW2＝0時(shí)，可切換電壓追隨器11及12的電路組態(tài)便如圖3所示，其分別提供上拉及下拉的功能以驅(qū)動喇叭13；反之，當(dāng)PNSW1＝0、PNSW2＝1時(shí)，可切換電壓追隨器11及12的電路組態(tài)便如圖4所示，其分別提供下拉及上拉的功能以驅(qū)動喇叭13，據(jù)此，即可獲致橋式推挽式(push-pull)驅(qū)動功能。
前述利用可切換電壓追隨器11及12所構(gòu)成的橋式驅(qū)動器本身就可以當(dāng)作是PWM驅(qū)動器，如圖5A及圖5B所分別顯示的電路圖及驅(qū)動波形圖，其中，橋式驅(qū)動器的可切換電壓追隨器11及12的高態(tài)輸入端INH共同連接一較高電位的上限參考電壓VRT，其低態(tài)輸入端INH則共同連接一較低電位的下限參考電壓VRB，而可切換電壓追隨器11及12的極性端PN分別用以輸入上波寬調(diào)變訊號(PWM-UP)與下波寬調(diào)變訊號(PWM-DOWN)，則如圖所示，加在喇叭13負(fù)載上的即為一峰值對峰值(peak to peak)等于2×(VRT-VRB)的PWM訊號。此種PWM驅(qū)動器有以下優(yōu)點(diǎn)(1)電壓追隨器的頻寬高達(dá)1MHz，可以推動PWM信號。
(2)當(dāng)VDD電壓約高于VRT+VRB+0.4V以上，輸出到喇叭負(fù)載上電壓為恒定的峰值對峰值等于2×(VRT-VRB)，而非2×VDD，故可維持穩(wěn)定的音量輸出，因此，對于在以電池作為供電的應(yīng)用中，音量的輸出不會受到電池新舊的影響。
(3)由于正、負(fù)極性輸出電流的不對稱性偏差將來自兩個(gè)運(yùn)算放大器之間的直流偏移(do offset)除以(VRT-VRB)，其中，此直流偏移值小于30mV，而VRT-VRB＞2.0V以上，因此偏差值小于1.5％，但傳統(tǒng)的PWM驅(qū)動器所引發(fā)的直流電流耗損與失真都會比傳統(tǒng)的PWM驅(qū)動器小很多。
圖6為一以前述利用可切換電壓追隨器11及12所構(gòu)成的橋式驅(qū)動器、一數(shù)位至類比轉(zhuǎn)換器61(DAC)及一數(shù)位整流電路60所構(gòu)成的N位元語音驅(qū)動器(audio driver)(于本實(shí)施例中，N＝10)，如圖所示，橋式驅(qū)動器的兩個(gè)可切換的電壓追隨器11及12的INL端都連接于數(shù)位至類比轉(zhuǎn)換器61的下限參考電位VRB，而可切換電壓追隨器11及12的INH端則共同接到數(shù)位至類比轉(zhuǎn)換器61的輸出端。
該可切換電壓追隨器11的極性端PN由輸入的10位元語音資料的最高位元(MSB)b10所控制，其波形如圖7B所示，而另一可切換電壓追隨器12的極性端PN則由該最高位元b10通過一反相邏輯閘62所控制。
該位數(shù)整流電路60包含有一反相邏輯閘63及九個(gè)互斥或(exclusiveOR)邏輯閘64，提供輸入數(shù)位語音資料b1-b10的絕對值運(yùn)算，以輸出數(shù)位資料的絕對值，其中，該最高位元b10通過一反相邏輯閘63接到九個(gè)互斥或邏輯閘64，以便分別與輸入的10位元語音資料的其余位元b1-b9分別進(jìn)行互斥或運(yùn)算后再輸入該數(shù)位至類比轉(zhuǎn)換器61，而可將輸入的語音資料以中點(diǎn)電位(1000000000)為參考點(diǎn)作絕對值運(yùn)算，使經(jīng)數(shù)位至類比轉(zhuǎn)換器61轉(zhuǎn)換的電壓都是正極性，如圖7A所示，而可以驅(qū)動可切換電壓追隨器11及12的INH端，故在SPK+端與SPK-端的波形便如圖7C及D所示，而驅(qū)動喇叭的信號(VSPK+-VSPK-)即為圖7E所示的波形。
以前述的語音驅(qū)動器可獲致以下優(yōu)點(diǎn)(1)只需用(N-1)位元的數(shù)位至類比轉(zhuǎn)換器即可得到N位元的解析度。
(2)不需要單端至差動轉(zhuǎn)換器。
(3)整個(gè)橋式驅(qū)動器只用兩個(gè)運(yùn)算放大器。
(4)輸出的直流偏移來自兩個(gè)運(yùn)算放大器之間的直流偏移差異，此值將比傳統(tǒng)的N位元語音驅(qū)動器的直流偏移小很多，因此所引發(fā)的直流電耗損會比較小。
(5)因?yàn)槭褂肂類電壓追隨器，故無直流偏壓的產(chǎn)生。
綜上所述，上述諸多實(shí)施例僅為了便于說明而舉例，本發(fā)明所主張的權(quán)利范圍自以申請專利范圍所述為準(zhǔn)，而非僅限于上述實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種可切換電壓追隨器，其特征在于，主要包括一輸出晶體管對，具有一PMOS晶體管與一NMOS晶體管，該兩晶體管的汲極相連以作為一驅(qū)動輸出端；第一、第二及第三切換器，該第二切換器的第一輸入端連接電壓源，其輸出端連接該P(yáng)MOS晶體管的閘極，該第三切換器的第二輸入端連接系統(tǒng)低電位，其輸出端連接該NMOS晶體管的閘極；以及一運(yùn)算放大器，其正輸入端作為回授端并連接至該驅(qū)動輸出端，其負(fù)輸入端連接至該第一切換器的輸出端，并輸出端則連接至該第二切換器的第二輸入端及第三切換器的第一輸入端；其中，每一切換器均由一極性端所控制，以當(dāng)該極性端輸入的數(shù)位邏輯信號為第一狀態(tài)時(shí)，每一切換器的輸出端切換連接至其第一輸入端，而當(dāng)該極性端所輸入的數(shù)位邏輯信號為第二狀態(tài)時(shí)，每一切換器的輸出端切換連接至其第二輸入端。
2.如權(quán)利要求1所述的可切換電壓追隨器，其特征在于，其中，該運(yùn)算放大器為一全軌對軌的差動放大器。
3.如權(quán)利要求1所述的可切換電壓追隨器，其特征在于，其中，該第一狀態(tài)為邏輯0，該第二狀態(tài)邏輯為1。
4.如權(quán)利要求1所述的可切換電壓追隨器，其特征在于，其中，該第一切換器的第一及第二輸入端分別作為可切換電壓追隨器的低態(tài)輸入端及高態(tài)輸入端。
5.如權(quán)利要求1所述的可切換電壓追隨器，其特征在于，其中，該切換器為一2對1多工器。
6.一種橋式驅(qū)動電路裝置，其特征在于，主要包括第一及第二可切換電壓追隨器，每一個(gè)可切換電壓追隨器包括一輸出晶體管對，具有一PMOS晶體管與一NMOS晶體管，該兩晶體管的汲極相連以作為一驅(qū)動輸出端；第一、第二及第三切換器，該第二切換器的第一輸入端連接電壓源，其輸出端連接該P(yáng)MOS晶體管的閘極，該第三切換器的第二輸入端連接系統(tǒng)低電位，其輸出端連接該NMOS晶體管的閘極，該第一切換器的第一及第二輸入端分別作為可低態(tài)輸入端及高態(tài)輸入端，其中，每一切換器均由一極性端所控制，以當(dāng)該極性端輸入的數(shù)位邏輯信號為第一狀態(tài)時(shí)，每一切換器的輸出端切換連接至其第一輸入端，而當(dāng)該極性端所輸入的數(shù)位邏輯信號為第二狀態(tài)時(shí)，每一切換器的輸出端切換連接至其第二輸入端；以及一運(yùn)算放大器，其正輸入端作為回授端并連接至該驅(qū)動輸出端，其負(fù)輸入端連接至該第一切換器的輸出端，并輸出端則連接至該第二切換器的第二輸入端及第三切換器的第一輸入端；其中，該第一及第二可切換電壓追隨器的低態(tài)輸入端相連以作為低電位輸入端，兩者的高態(tài)輸入端則相連以作為高電位輸入端，而兩者的極性端分別作為極性切換端，以供輸入反相的極性切換邏輯信號。
7.如權(quán)利要求6所述的橋式驅(qū)動電路裝置，其特征在于，其中，該第一及第二切換電壓追隨器的高態(tài)輸入端共同連接一上限參考電壓，兩者的低態(tài)輸入端則共同連接一下限參考電壓，而兩者的極性端分別用以輸入一上波寬調(diào)變訊號與一下波寬調(diào)變訊號，當(dāng)中，該上限參考電壓大于下限參考電壓。
8.如權(quán)利要求6所述的橋式驅(qū)動電路裝置，其特征在于，其中更包含一數(shù)位整流電路，提供輸入數(shù)位資料的絕對值運(yùn)算，以輸出數(shù)位資料的絕對值；一數(shù)位至類比轉(zhuǎn)換器，輸入該數(shù)位資料的絕對值，以在輸出端產(chǎn)生轉(zhuǎn)換的電壓；其中，該第一及第二可切換電壓追隨器的低態(tài)輸入端連接于數(shù)位至類比轉(zhuǎn)換器的下限參考電位，而兩者的高態(tài)輸入端則共同接到數(shù)位至類比轉(zhuǎn)換器的輸出端，該第一可切換電壓追隨器的極性端由輸入的數(shù)位資料的最高位元所控制，而該第二可切換電壓追隨器的極性端則由該最高位元通過一反相邏輯閘所控制。
9.如權(quán)利要求8所述的橋式驅(qū)動電路裝置，其特征在于，其中，該數(shù)位整流電路包含有一反相邏輯及復(fù)數(shù)個(gè)互斥或邏輯閘，當(dāng)中，所輸入數(shù)位資料最終高元通過該反相邏輯閘接到該復(fù)數(shù)個(gè)互斥或邏輯閘，以分別與輸入的數(shù)位資料的其余位元分別進(jìn)行互斥或運(yùn)算后丙輸入該數(shù)位至類比轉(zhuǎn)換器。
10.如權(quán)利要求6、7或8所述的橋式驅(qū)動電路裝置，其特征在于，其中，該運(yùn)算放大器為一全軌對軌的差動放大器。
11.如權(quán)利要求6、7或8所述的橋式驅(qū)動電路裝置，其特征在于，其中，該第一狀態(tài)為邏輯0，該第二狀態(tài)邏輯為1。
12.如權(quán)利要求6、7或8所述的橋式驅(qū)動電路裝置，其特征在于，其中，該切換器為一2對1多工器。
全文摘要
本發(fā)明為一種可切換電壓追隨器及使用該追隨器的橋式驅(qū)動電路裝置,該追隨器由一輸出晶體管對、三個(gè)切換器及一運(yùn)算放大器所構(gòu)成,其中,每一切換器均由一極性端所控制,以將電路切換為上拉電壓追隨器或下拉電壓追隨器,該橋式驅(qū)動電路裝置由兩組可切換電壓追隨器所構(gòu)成,由交替驅(qū)動該兩組可切換電壓追隨器而獲致橋式推挽的驅(qū)動功能。
文檔編號H04R5/00GK1384603SQ0111563
公開日2002年12月11日 申請日期2001年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月28日
發(fā)明者莊達(dá)昌 申請人:凌陽科技股份有限公司