專利名稱：用于補償調制器環路中的延遲的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及調制器環路中的延遲處理。更具體地，本發明在調制器環路中給出一種濾波器，該濾波器能夠補償因例如功率開關部分或輸出濾波器引入的延遲。
在脈寬調制(PWM)或其它調制技術中，開關和輸出濾波器部分引入的延遲必須被很有效地處理以減輕這種延遲對于電路穩定性的負面影響。對于具有相對較高功率開關部分的調制器尤其會這樣，因為在這種調制器中，相對環路的脈沖重復頻率來說，延遲變得非常大。下面將參考

圖1和圖2描述傳統的延遲處理方法。
圖1是典型的調制器環路100的方框圖。調制器102的邏輯輸出驅動反相功率部分104，其輸出被輸出濾波器106濾波。反饋電阻108和衰減電阻112被用于從環路輸出端到調制器102之間引入負反饋。圖2給出來自圖1反饋環路的兩種波形202和204，它們沒有經過延遲補償。如圖所示，由于開關和濾波部分引入的延遲，波形204(即，輸出濾波器106的輸出)的正向擺動幾乎與波形202(即，調制器102的邏輯輸出)的正向擺動同相位。
這樣，在環路的原始設計中考慮了負反饋，延遲將其轉換成正反饋，這樣導致環路的不穩定性(沒有給出)。出于這種原因，濾波器電容110與反饋電阻108平行給出用于延遲補償。電容110在反饋環路中產生0點，有效地將電阻108和112對高頻造成的衰減旁路。
不幸的是，因為這種延遲補償是在延遲已經引入環路之后進行的，所以很難校正延遲對環路穩定性造成的所有負面影響。實際上，這種補償技術的作用是有限的，其結果是，限制了當前調制器對延遲的容忍度和其整體性能。即，在延遲引入之前，一種解決方法是直接使用來自調制器邏輯輸出的反饋信號與功率部分和/或輸出濾波器的輸出組合。不幸的是，雖然調制器輸出(202)和濾波器輸出(204)具有類似的特性，由于功率部分的不理想特性，調制器環路的感興趣頻段的內容有明顯的不同，如在申請于1997.7.22的U.S專利申請號08/898,544“METHOD AND APPARATUS FOR PERFORMANCE IMPROVEMENTBY QUALIFYING PULSES IN AN OVERSAMPLED,NOISE-SHAPING SIGNALPROCESSOR”(在過采樣噪聲整形信號處理器中通過限定脈沖而改進性能的方法和裝置)中討論的那樣，該文檔在這里作為參考引用。這樣就很難在高精度操作的同時將這些信號反饋。
從前面的描述得出，最好是提供一種改進的技術用于補償調制器環路中的延遲，使得在不會負面影響環路穩定性的情況下可以容忍更大的延遲。
發明概要根據本發明，引入了用于調制器環路的反饋技術，該技術會解決上面討論的問題。這里描述的反饋技術用低電壓調制器的輸出補償后面功率和濾波器部分引入的延遲。同時，獲得較高的精確度，盡管如上面討論的信號內容有所不同。通過對調制器的輸出濾波，使得調制器環路感興趣頻段之外的頻率成分被傳輸到反饋路徑上，同時，衰減環路中感興趣頻段之內的頻率分量，本發明可以實現這一點。這樣，由于調制器輸出的某些部分被反饋，環路的穩定性被增強。同時環路輸出范圍的精確度不會被范圍內的不理想的調制器輸出分量反相影響。
根據調制器的類型，本發明的反饋濾波器衰減和發送的頻率是不同的。例如，對于基帶調制器，濾波器衰減基帶中的頻率而傳送較高的頻率，例如高通濾波器。對于帶通調制器，反饋濾波器象缺口濾波器那樣工作，衰減相關頻帶中的頻率。類似的，對于帶阻調制器，濾波器象帶通濾波器那樣工作，而對于高通調制器，濾波器象低通濾波器那樣工作。
在沒有本發明的改進的情況下，能容忍250ns延遲的調制器環路在附加了這里描述的反饋技術后，對延遲的容忍度增加到了500ns。這意味著，根據本發明，盡管大功率設備常常伴有令人頭疼的延遲，這種設備還是可以使用低電壓的調制器。例如本發明的一個具體實施例能夠在很高精度的情況下將大于1000w(＞1hp！)的功率傳送給4歐姆的負載。對于1歐姆的負載(例如工業馬達)，這等價于大于5hp！。對于當前可得的高精度調制器環路來說，這是一個明顯的改進，并且對于很多功率相對較高的工業應用來說已經足夠了。
這樣，本發明給出一種調制器環路，該環路在感興趣的范圍內工作。該環路包括一個環路輸出端和一個開關部分，其輸出連接到環路輸出端。開關部分有一個與之相關的第一延遲。調制器部分的輸出連接到開關部分的輸入。第一反饋路徑連接在環路輸出端和調制器部分的反饋輸入之間。反饋濾波器連接在調制器部分的輸出和調制器部分的反饋輸入之間用于補償第一延遲。反饋濾波器發送感興趣頻段之外的頻率，衰減感興趣頻段之內的頻率。
參考剩下的說明部分和附圖，可以對本發明的實質和優點進一步理解。
附圖簡要描述圖1是根據現有技術的調制器環路的方框圖；圖2是得自圖1的調制器環路的兩個波形；圖3是根據本發明的具體實施例設計的調制器環路的方框圖；圖4是根據本發明的更具體實施方案設計的調制器環路的方框圖；圖5是根據本發明的比圖4更具體的實施方案設計的調制器環路的方框圖；圖6是根據本發明的比圖5更具體的實施方案設計的調制器環路的方框圖；圖7是實現根據本發明設計的調制器環路實施方案的方框圖。
具體實施方案描述圖3是根據本發明的具體實施方案設計的調制器環路300的方框圖。調制器部分302可以是任意類型的調制器，包括，例如，脈寬調制器，或過采樣混合信號調制器，例如在申請于1996,6,20的美國專利申請號08/667，925“METHOD AND APPARATUS FOROVERSAMPLED,NOISE-SHAPING,MIXED-SIGNAL PROCESSING”(過采樣、噪聲整形、混合信號處理的方法和裝置)中描述的，該文檔在這里作為參考引用。根據具體的實施方案，調制器部分302包括多個并行或串行的濾波器。開關部分304接收來自調制器302的控制信號。開關部分304可以是任何一種開關配置和功率大小。開關部分304可以是反向或非反向的。對于反向開關部分，反向器被插入到調制器輸出反饋路徑中，位于反饋濾波器308之前。輸出濾波器306可以根據任何一種適用于特定應用中的期望輸出信號值的技術來實現。
如以前設計的，可以經加法節點310，從開關部分304的輸出和/或輸出濾波器306的輸出開始為調制器302提供一個負反饋。出于描述的目的，節點310被假定為是理想的，因此，沒有給出任何的附加反饋電路。然而，要理解的是，加法節點310必須以實際電路元件實現，例如，電阻。因此，給出加法節點310的某些實際實現的本發明的具體實施方案將參考圖4到圖6描述。從開關部分和輸出濾波器開始的反饋頻率值都位于感興趣的環路頻段之內或之外。
不象以前的設計，調制器環路300還采用了從調制器302輸出端開始的經反饋濾波器308的反饋以進一步增強環路穩定性。然而，為了防止在本發明背景下討論的對輸出精度的負面效應，該反饋由濾波器308濾波，使得其頻率值大部分位于感興趣調制器環路頻段之外。這樣，在不損失精度的情況下，可以提高穩定性。
圖4是根據本發明更具體的實施方案設計的基帶調制器環路400的方框圖。調制器402，開關部分404以及輸出濾波器406基本上以上面參考圖3討論的對應元件相似的方式工作。從開關404的輸出開始，經包括電阻412和414的分阻器網絡，反饋被提供給調制器402的反饋輸入端。從調制器402的邏輯輸出端開始，經濾波器電容408和串行電阻410，反饋也被提供給調制器402的反饋輸入端。電容408的值也被選擇為在感興趣基帶范圍內衰減邏輯輸出的信號值，而將較高的頻率傳遞給反饋路徑以便與衰減后的開關部分信號組合。在這種配置下，延遲容忍值有明顯的提高。
然而，因為濾波后的調制器邏輯信號沒有利用理想濾波器和理想加法器與反饋路徑組合，實際的電路元件，即電容408和電阻410在環路的傳遞函數中引入了附加的極點和零點。通過將調制器402的邏輯輸出看作地，并認為電容408通過對開關部分的輸出進行低通濾波而將延遲加入環路中，這一點可以從網絡分析的角度看出。這種延遲代表了通過使用濾波后的調制器輸出作為反饋可以實現的性能增強方面的限制。因此，下面描述了本發明的另一個實施方案，該方案增強了圖4中提到的該限制的環路。
圖5是根據本發明的更具體的實施方案設計的基帶調制器環路500的方框圖。調制器502，開關部分504，輸出濾波器506以參考圖3描述的對應環路元件相同的方式工作，如環路400中對應元件那樣，從開關部分504的輸出開始，經包括電阻512和514的分阻網絡，反饋被提供給調制器502的反饋輸入端。從調制器502的邏輯輸出開始，經濾波器電容508和串行電阻510，反饋還被提供給調制器502的反饋輸入端。電容508的值被選擇用于衰減感興趣的基帶范圍內的邏輯輸出信號值，而將高頻傳遞給反饋路徑用于與衰減后的開關部分信號組合。
從開關部分504的輸出到節點1，給出了一個附加電容516，該電容可以消除電容508引入開關部分的反饋路徑的極點，通過再次將調制器502的邏輯輸出看作地，并分析從開關部分504的輸出開始的反饋路徑，這一點可以從網絡分析的角度理解。如果電阻512和514的比例等于電容508和516的比例，在節點1對開關輸出的衰減與在節點2的一樣，即，電壓值應該一樣。因為節點1和2的電壓相等，電阻510上沒有電流通過，因此，可以看作開路，因而可以從開關反饋路徑中有效地除去電容508以及其對應的極點。這使得調制器環路極度穩定并且對延遲的容忍度加大。
圖6是根據本發明更具體實施方案設計的調制器環路600的方框圖。調制器602，開關604，輸出濾波器606以參考圖3描述的對應環路元件類似的方式工作。電阻610,612和614以及電容608,616以參考圖5描述的對應環路元件基本類似的方式工作。實際上，圖6的實施方案包括圖5的所有電路，另外又加上了從濾波器606的輸出到調制器602的反饋輸入端的反饋路徑，該附加反饋路徑以電阻620實現。電容622也包括在濾波器606的輸出到節點1之間以便消除由電容608和616引入的新的反饋路徑中的極點。如上面參考圖5的實施方案討論的，如果電阻620和并行電阻614,612之間的比例等于并行電容608,616與電容622之間的比例，電阻610上沒有電流通過，則電容608被很有效地從反饋路徑中除去。
圖7是根據本發明設計的調制器環路700產生的實施方案的方框圖。代替以前描述的實施方案的反饋濾波器和信號組合電路的是4端口網絡708，調制器702，開關704，輸出濾波器706與之相連。網絡708獲得調制器邏輯輸出信號，并衰減其在調制器環路700的感興趣頻段中的頻率分量。它還將所產生的信號與開關和濾波器的反饋輸出組合用做調制器702的反饋。網絡708可以用多種方法實現，這取決于用于實現調制器環路700的技術。
此外，對于具有幅度相關穩定性的調制器(例如，過采樣和脈寬調制器)，理想的是根據功率和/或濾波器的反饋來控制調制器反饋的幅度以保持最佳穩定點。因此，在反饋濾波器(包括在4端口網絡708中)之前給出了可選的增益控制710以便使得調制器邏輯輸出信號和功率輸出的增益匹配。根據具體的實施方案，增益控制710是利用具有可變輸出幅度的數模轉換器實現的。
盡管已經參考具體實施方案給出并描述了本發明的一部分，該領域的技術人員將會理解在不偏離本發明思想和范圍的情況下，所描述的實施方案在形式和細節上的變化都是可行的。例如，上面參考圖4和圖5描述的具體實施方案表明對濾波器和調制器輸出使用模擬元件(即，電阻和電容)并將所產生的濾波后的反饋信號與開關輸出處開始的反饋路徑組合。然而，將會理解的是，例如，調制器是利用數字技術實現的，用于反饋信號濾波及組合的電路和技術可以是數字的。類似的，在混合信號調制器中，混合信號電路和技術可以用于實現反饋。
應該理解的是，根據調制器環路的感興趣頻率范圍中功率輸出和調制器輸出值的不同程度以及環路輸出可以容忍的惡化程度，對于范圍之內的調制器輸出分量的各種程度的衰減都是適當的。即，調制器輸出中頻率分量不需要被完全阻止以保持合理的精度并保留在本發明的范圍之內，其中的頻率分量在感興趣的環路頻率范圍之內。因此，本發明的范圍可以參考后面的權利要求確定。
權利要求
1．一種被設計為工作在感興趣的頻率范圍內的調制器環路，包括環路輸出端；有一個輸入和一個輸出的開關，開關的輸出被連接到環路輸出端，該開關有一個與之相關的第一延遲；有一個輸出和一個反饋輸入的調制器，調制器的輸出連接到開關的輸入；連接在環路輸出端和調制器反饋輸入端之間的第一反饋路徑；連接在調制器輸出端和調制器反饋輸入端之間用于補償第一延遲的反饋濾波器，該反饋濾波器傳送感興趣頻段之外的頻率并衰減感興趣頻段之內的頻率。
2．權利要求1的調制器環路，其特征在于其中的調制器環路是一種基帶調制器環路，反饋濾波器包括一個高通濾波器。
3．權利要求1的調制器環路，其特征在于其中的調制器環路是一種帶通調制器環路，反饋濾波器包括一個缺口濾波器對應于感興趣的頻率范圍。
4．權利要求1的調制器環路，其特征在于其中的調制器環路是一種高通調制器環路，反饋濾波器包括一個低通濾波器。
5．權利要求1的調制器環路，其特征在于其中的調制器環路是一種帶阻調制器環路，反饋濾波器包括一個帶通濾波器。
6．權利要求1的調制器環路，其特征在于其中的調制器包括多個并行的濾波器。
7．權利要求1的調制器環路，其特征在于其中的調制器包括多個串行的濾波器。
8．權利要求1的調制器環路，其特征在于其中的反饋濾波器利用模擬技術產生反饋信號。
9．權利要求1的調制器環路，其特征在于其中的反饋濾波器利用數字技術產生反饋信號。
10．權利要求1的調制器環路，其特征在于其中的反饋濾波器利用混合信號技術產生反饋信號。
11．權利要求1的調制器環路，其特征在于其中的反饋濾波器包括一個電容和一個電阻。
12．權利要求1的調制器環路，其特征在于其中的反饋濾波器包括一個數字信號處理器。
13．權利要求1的調制器環路，其特征在于還包括附加的電路，連接到反饋濾波器用于補償反饋濾波器對第一反饋路徑不希望的作用。
14．權利要求13的調制器環路，其特征在于其中附加電路消除了與高通濾波器相關的極點。
15．權利要求14的調制器環路，其特征在于其中附加電路包括一個電容連接在環路輸出端和反饋濾波器之間。
16．權利要求1的調制器環路，其特征在于還包括一個輸出濾波器，該濾波器連接在開關輸出和環路輸出之間，輸出濾波器有一個與之相關的第二延遲，反饋濾波器還補償第二延遲。
17．權利要求16的調制器環路，其特征在于還包括一個第二反饋路徑，連接在開關的輸出到調制器的反饋輸入之間。
18．權利要求17的調制器環路，其特征在于還包括一個附加電路，該電路連接到反饋濾波器用于補償反饋濾波器對第二反饋路徑的不希望作用。
19．權利要求18的調制器環路，其特征在于其中的附加電路消除了高通濾波器相關的極點。
20．權利要求19的調制器環路，其特征在于其中的附加電路包括一個電容，連接在開關輸出和反饋濾波器之間。
21．權利要求18的調制器環路，其特征在于其中的調制器包括很多部分，反饋輸入被連接到多個部分中選出的一個。
22．權利要求1的調制器環路，其特征在于其中的開關包括一個反向開關，其中的調制器環路還包括一個反向器，該反向器連接在調制器輸出和反饋濾波器輸出之間。
23．權利要求1的調制器環路，其特征在于還包括一個增益控制電路，該電路連接在調制器輸出和反饋濾波器輸出之間，增益控制電路用于控制調制器輸出處調制器輸出信號的幅度。
24．權利要求23的調制器環路，其特征在于其中的增益控制電路包括一個數模轉換器，該轉換器有可變的輸出幅度。
全文摘要
這里描述了一種調制器環路(700),它被設計為在感興趣的頻段內工作,環路(700)包括一個環路輸出端和一個開關部分,其輸出連接到環路輸出端。開關部分(704)有一個與之相關的第一延遲。調制部分的輸出連接到開關部分的輸入端。第一反饋路徑連接于環路輸出端與調制部分的反饋輸入之間。反饋濾波器連接在調制部分的輸出端和其反饋輸入端之間用于補償第一延遲。反饋濾波器(708)用于發送感興趣頻段之外的頻率并衰減感興趣頻段之內的頻率。
文檔編號H04B1/04GK1296666SQ99804900
公開日2001年5月23日 申請日期1999年2月5日 優先權日1998年2月5日
發明者C·L·德拉諾, A·S·特里帕蒂 申請人:三路技術有限公司