TWI418149B - 具有受控端點之鋸齒波振盪器及其方法 - Google Patents
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Description
本發明標的意旨概言之係關於振盪器,尤指用於產生具有受控端點之準確及高速鋸齒信號的振盪器,例如鋸齒波產生器。
具有快速充電/放電特性之振盪器電路為許多系統架構的一重要部份。一鋸齒波振盪器做為例如一典型應用PWM之電源轉換系統之控制迴路中的一參考信號。電壓模式切換DC/DC轉換器結構時常使用此種波形來比較相對於一輸出電壓錯誤信號,其結果最終決定開關工作循環。大部份電流模式結構需要一鋸齒波形來做為產生一斜率補償信號的基礎。
數種振盪器方法用於產生一非對稱波形,例如一鋸齒波,但通常是共享一種緩慢充電一時序電容的共用方式,然後通過一低阻抗路徑快速地分流所得到的電荷。當然,可藉由快速地充電該時序電容然後緩慢地放電它來相反地完成。這種方法可同時應用到快速充電及快速放電結構。
快速分流所得到電荷通過一低阻抗路徑的技術在當該輸出波形的相關參考為接地時概略適當,因為其可利用一簡單切換的分流器,如在第1A圖中鋸齒波產生器100所使用者。一電容C1由一電流源I充電,以在電容電壓中產生一逐漸升高,如第1B圖所示。當電容C1上的電壓達到VREF
所指示的一位準,其由比較器COMP所決定,該電容於對應於該波形之下降時間的時間延遲td
期間由開關S1所放電。此簡單結構在當該鋸齒波形之端點位在參考及接地位準處時實施,即在VREF
及GND處,如第1B圖所示。
當所為兩個端點皆懸掛在該電源供應與接地之間有一類似波形的產生時,然而,控制較低端點也很重要。有限控制傳遞延遲概略避免使用比較性遲滯技術來控制一快速變化電壓的端點,而未達目標會在該下斜率端點中產生較大的錯誤,造成振盪器頻率的明顯誤差。低阻抗夾鉗(clamp)常用於在該電容放電期間結束時消除未達目標的誤差,一旦已經達到較低參考時分流放電電流離開該時序電容,如第2A圖之鋸齒波產生器200之範例所示。在所例示的電路中,施加於電容C1的電荷鉗制在~VREF2
。然而為了保持這些分流電流在合理位準,利用較低參考夾鉗的振盪器需要在通過開關S1的電容放電路徑上增加阻抗R1,因此具有比一參照接地的電路可產生的放電時間要長。即使具有減低的放電電流,這些夾鉗電路經常由於該分流的放電電流之瞬間負載造成在相關的電源供應軌上的實質電磁干擾。
根據此處的教示,一種受控端點鋸齒波信號產生器電路,其包含第一及第二充電共享電荷儲存裝置,及一充電電流源。該產生器電路設置成在一第一電路狀態下運作,其中該第一電荷儲存裝置由充電電流源充電,且其中該第一及第二電荷儲存裝置相互隔離,且在一第二電路狀態下,其中該第一及第二電荷儲存裝置進行互連來共享電荷。
一具體實施例包含一第一電荷儲存裝置,其具有一充電源所耦合的一輸出節點,且一第二電荷儲存裝置,其經由一第一受控開關耦合到該第一電荷儲存裝置,及經由一第二受控開關耦合到一第一參考電壓源。該第一及第二受控開關係因應於一控制信號而用於其互斥運作。
該控制信號可為一外部提供的觸發信號。另外,該控制信號可由一電路在內部產生,例如一比較器,其具有耦合於該第一電荷儲存裝置的一第一輸入,及耦合於一第二參考電壓源的一第二輸入,及一輸出,其中該比較器的輸出耦合於該第一及第二受控開關的輸入。
根據此處教示之另一態樣,一種產生一振盪信號的方法,其由施加電荷到一第一電容,因應於一信號與一第二電容而共享在該第一電容中累積的電荷,且連續重覆先前的步驟來進行。
這些以及其它組件、步驟、特徵、目的、優點及好處現在將可由以下例示性具體實施例、附屬圖式及申請專利範圍的實施方式的檢視來瞭解。
根據此處所教示的原理,提供一種鋸齒波形信號產生器,其中鋸齒的端點之一或兩個端點懸掛在該電源供應軌與接地之間。一參考電壓的單一來源定義了該鋸齒的一端點,而一創新的切換式電容配對充電共享結構建立了另一端點,其位準可關連於電容比例。該產生器可由一內部或外部產生的觸發被同步振盪。
請參照第3A圖,其為振盪器300之一具體實施例,其根據此處之教示實施電荷共享,其中包含型式為一時序電容C1的一第一電荷儲存裝置,及型式為一切換式電容C2的一第二電荷儲存裝置,其由一低電阻受控開關S1互連。一充電電流ICHG
的來源連接到時序電容C1的儲存節點,及連接到一比較器COMP之負極輸入。一參考電壓VREF3
的來源經由一電阻式受控開關S2(該開關的電阻由R代表)連接到切換式電容C2的儲存節點。開關S1及S2被控制成相互互補。
一參考電壓VREF1
的來源被施加到比較器COMP的正極輸入,其輸出被施加於開關S1及S2的互補控制輸入。在比較器COMP與受控開關S1、S2之間的信號流動路徑中一時間延遲元件td2
可在該比較器之內,或可為一外部組件。
假設該電路要在穩態下運作,於時間t1
時(參見第3b圖),做為振盪器300之運作的先前循還的結果,在時序電容C1上的電壓已經在初始被充電到一浮動參考位準VREF2
,如下述。亦假設VREF2
的大小低於VREF1
。在t1
時,比較器COMP的輸出較低,因為電容C1電壓在初始時低於VREF1
。因此開關S2被控制為on,而開關S1為off。電容C2以切換式電容參考電壓VREF3
充電。
當電容C1由來自ICHG
的電流流動充電時,在該電容上的電壓即緩慢上升,形成該鋸齒波形的上斜率部份,如第3b圖所示。當在C1上的電壓到達VREF1
時,比較器COMP的輸出變為低,造成開關S1與S2的狀態會相反。現在開關S1為關閉,而開關S2為開啟,以建立該鋸齒波的下降部份。藉由S1關閉,電容C1、C2為並聯,快速共享電荷。因為時序電容C1初始時被充電到大於切換式電容C2的電壓,電容C1即放電到C2中,如第3a圖中箭頭所示,直到兩個電容的電壓相等於VREF2
。VREF2
為一浮動電壓,其大小為於放電之前兩個電容電壓及兩個電容性比例的函數。開關S1、S2於另一個電荷累積循環開始之後,在傳遞延遲td2
持續期間維持在該放電位置。
於該電荷共享區間期間,當電容C1、C2上的電壓相等時,一高位準電流即在兩個電容之間循環,所以高電流效應可與該供應軌隔離,而允許很短的電荷共享區間。
前述可由以下內容做量化性的解釋。在電容C1、C2短路在一起之前的瞬間,Q(C1)
=C1*VREF1
及Q(C2)
=C2*VREF3
.
當該等電容短路在一起時,C1及C2上的電荷相等,使得Q=Q(C1)
+Q(C2)
.
因為Q=VREF2
*(C1+C2),因此:VREF2
=Q(C1)
+Q(C2)
/(C1+C2),或VREF2
=(C1* VREF1
)+(C2*VREF3
)/(C1+C2).
所以第3a圖的電路產生一緩慢充電鋸齒波形,其中鋸齒的端點位在VREF1
及VREF2
,且其中僅有位在VREF1
處的一端點由一參考電壓源所建立,另一端點則由電容C1、C2之間的電荷共享所內部建立。
第4A圖所示為一互補性實施,其中產生一快速充電、電荷共享振盪器400。此實施相同於第3a圖,除了ICHG
的極性與比較器COMP的極性相較於第3a圖的實施為相反。開關S1與S2初始時分別為off及on。切換式電容C2經由S2充電到該切換式電容參考VREF3
。時序電容C1當電流由來源進入ICHG
中時被放電,且橫跨C1之電壓朝VREF1
下降。電容C2經由S2於此區間期間內被充電到VREF3
。當電容C1電壓到達VREF1
時,比較器COMP分別倒轉開關S1、S2的狀態成為on及off狀態,啟始一電荷共享事件,此時C1上的電壓快速地跳到VREF2
。如先前案例,VREF2
依循以下的關係:VREF2
=(C1* VREF1
)+(C2*VREF3
)/(C1+C2).
第5圖為實施前述內容之一振盪器的電路圖。此電路產生一緩慢充電、快速放電鋸齒波輸出,以及對應於該快速放電區間的一同步化脈衝式輸出。在此電路中,例如VREF1
=1.25V,且該切換式電容參考(VREF3
)為接地。由上述的VREF2
的公式,其遵照如果VREF3
為0V,VREF2
的計算簡化為VREF2
=(C1* VREFl
)/(C1+C2).
在此電路中,C2=2*C1,所以VREF2
=1/3* VREF1
.
VREF1
經由電晶體U9及U11施加在橫跨RTRIM1
,以產生一參考電流通過電晶體U11。此電流由多個集極電晶體U1及U7所鏡像。電晶體U1提供一般電路偏壓,而電晶體U7提供該時序電容充電電流IcHG
。電晶體U9提供ICHG
的溫度補償,使得振盪器輸出頻率與溫度無關。
在第5圖中的振盪器控制比較器COMP包含電晶體U2-U5及U13。此比較器在當時序電容C1上的電壓超過VREF1
或1.25V時失誤,而啟始該電荷共享區間。該等電容控制開關由連接到該比較器的輸出之一反向器/緩衝器串列X1-X3所驅動。
於該充電區間期間,電晶體U7提供ICHG
到時序電容C1上。於此相同區間期間,橫跨切換式電容C2的電壓藉由參照接地的小開關電晶體M8保持在0V。電晶體M8的大小使得於該充電區間期間可保證有一完全放電的電容C2,且最小化C2放電電流。一旦該控制比較器COMP有錯誤,電晶體M8即被除能,且在電容C1及C2之間經由一電晶體M7及M9構成的一低阻抗轉換閘極進行電荷共享。
當致能電晶體M7及M9時,在時序電容C1上的電壓幾乎立即下降到VREF2
。因此,該電荷共享開關僅於該比較器的關閉傳遞延遲期間維持啟動。
其亦可注意到在該振盪器控制電路中這些有限傳遞延遲在該輸出波形上產生一超出誤差,使得在所例示的電路中的輸出超出VREF1
大約75mV或1.325V。此為可預期,且為振盪器在相當高頻率1MHz之下運作的結果。此超出誤差如果需要的話可藉由增加該比較器的速率來最小化。
當該電荷共享開關被致能時,在C1上的電壓降低大約2/3到0.45V,如上所述。當該等電荷共享開關被致能時,電晶體M8分流電容C2上的電荷到接地,且電容C1上的電壓開始再次升高,因為其由於ICHG
而累積電荷,並啟始另一個振盪器循環。
前述範例藉由一比較器COMP實施內部觸發來同步化該鋸齒波形的產生,如所述。在下述的另一具體實施例由一外部產生的時序信號所觸發。
請參照第6A圖,振盪器600開關S1及S2由一同步化脈衝的來源所控制,其可由該振盪器電路之內產生或可由該鋸齒波所要同步化的一時序脈衝的外部來源所產生。該同步化脈充可如所述由一頻率控制振盪器602產生,其具有對應於該鋸齒波的頻率之一重複速率,及對應於該電荷共享區間的一寬度。該等脈衝被施加於開關S1及S2之互補控制輸入,其操作方式類似於先前具體實施例(第3A圖),其中該振盪器與比較器COMP在內部同步。在此處,電容C1與C2之間的電荷共享產生一輸出信號的大小根據VREF3
的大小及電容C1與C2的電容比,其被施加一充電電流伺服604,用於追蹤該鋸齒波的平均值。充電電流伺服604包含由互導比較器604a形成的一積分器,其接收該鋸齒波輸出及固定的參考VREF1
,且在回應上,都輸出該鋸齒波到一積分電容C3,及到一受控電流源604b。伺服604轉譯該鋸齒波的基線到VREF1
。根據第6A圖之鋸齒波的高端點與低端點建立該鋸齒波的大小,其基於兩個電容C1、C2之間的比例而關連於電容電荷共享,如先前的具體實施例,但對於基線或波形平均值,其由第6A圖所示的該固定參考VREF1
所決定。
第7A圖及第7B圖為用於實施第6A圖之結構的例示性電路圖。此電路產生一受控振幅緩慢充電快速放電鋸齒波輸出,其振盪頻率由‘控制脈衝’節點702處的一數位脈衝串所控制,其由一頻率控制區段704產生。頻率控制區段704包含一自由運轉參考振盪器706、一同步脈衝輸入緩衝器708、一同步偵測電路710、控制邏輯712及一次性開關714,其如所示般互連。一D型正反器716用於實施該一次性功能,並當施加一較長時間的脈衝於其互補時脈輸入(CLK及/CLK)處時產生(在此範例中)一50 ns的脈衝。該D型正反器一次性開關需要一時脈信號,其具有適當持續時間的脈衝寬度,使得它們可超過程式化的一次性開關時間,或在此例中為50 ns。因此此需要同時施加於該自由運轉參考振盪器706的輸出及任何施加於SYNC節點711處的同步化信號。
自由運轉(free-run)振盪器716可輸出一邏輯位準數位脈衝串約~1MHz及50%工作循環。同步脈衝輸入緩衝器708轉換在SYNC節點711上的任何數位信號到具有相同頻率及工作循環的一邏輯位準信號。如果在SYNC輸入處沒有信號,‘控制脈衝’控制脈衝節點702依照自由運轉參考振盪器706的輸出。如果一同步脈衝施加在SYNC輸入上,同步偵測電路710重新設置控制邏輯712,使得‘控制脈衝’節點702依照該同步化脈衝輸入緩衝器或‘sync out”節點的輸出。然後此信號施加於一次性開關714的時脈輸入上。一次性開關714的最終輸出,因此為頻率控制區段704之輸出,即為一50 ns脈衝的串列,其重合於‘控制脈衝’節點702上該信號之上升邊緣。此脈衝串的補數出現在‘freq in’節點715。
當‘freq in’為邏輯上的高(logic high)時,包含電容性元件U10及U11之切換式電容C2即經由該小開關電晶體M2放電到接地。由電容性元件U12實施的時序電容C1由在多集極PNP、U9中的集極之一提供的電流所充電。在時序電容C1(U12)上的電壓上升,直到由該頻率控制區段輸出一50ns的脈衝。當產生此脈衝時,‘freq in’被拉到邏輯上的低(logic low),其除能電晶體M2,以及經由一低阻抗開關電晶體M5除能該時序及切換式電容電荷共享。於該開關電晶體啟始一電荷共享事件之前的瞬間,時序電容C1已經達到一最大電壓V1。因為切換式電容C2(U10+U11)為時序電容值的兩倍,並經由M2參照到接地,橫跨時序電容C1的電壓立刻降低到於充電區間結束時所達到數值的1/3。此較低電壓V2即由該電容比例關連到V1,使得:V2=V1*U12/(U12+U10+U11)
在此例中,U10=U11=U12,所以V2=(1/3)* V1
其亦可注意到此鋸齒波的平均值(VAVG
)為:VAVG
=(V1+V2)/2,在此例中,V2=(1/3)* V1,所以VAVG
=(2/3)* V1,於50ns頻率控制脈衝的末端,電晶體M5被除能,且電晶體M2被致能,重新啟始另一個充電期間。因此所得到橫跨時序電容U12的電壓成為‘osc out’節點716處的緩慢充電快速放電鋸齒波輸出。‘osc out’鋸齒波振盪速率直接依照該頻率控制區段。此輸出亦伴隨在‘pulse out’節點處的一脈衝串輸出,每個脈衝代表一50ns的放電區間。
於‘osc out’節點716處產生的鋸齒波形施加在一積分放大器718上,其包含電晶體U1-U5,形成關連於鋸齒波形的平均值與一參考電壓之差異的一誤差信號。此參考對應於第6B圖中的VREF1
,由使用電阻R5及R14區分2.7V供應軌電壓到0.9V所形成,並輸入到‘ref avg’節點720處積分放大器718之非反向輸入。放大器718或U5之集極的輸出驅動由電晶體U7及U9構成的一電壓到電流轉換器722。多集極PNP電晶體U9提供充電電流到時序電容U12。這些元件用於伺服該時序電容U12充電電流,使得該鋸齒波形的平均值為0.9V。例如,如果該鋸齒波之平均值低於0.9V,放大器718或U5的集極之輸出將會上升。因此經由該射極-跟隨者U7增加橫跨R2的電壓,且因此U7中的電流將增加。此電流由U9所鏡像,增加該充電電流到時序電容U12上,增加該充電速率。因為該充電區間由該頻率控制脈衝固定,於充電區間(V1)期間達到的電壓亦將增加。當‘osc out’處的鋸齒波輸出的平均值等於‘ref avg’處的電壓或0.9V時,即可達到一穩態。取代上述的關係造成‘osc out’處輸出鋸齒波的尖端到尖端電壓成為:VREF1
=(2/3)* V1,及VREF1
=0.9V,V1=1.35V.V2=(1/3)* V1,所以V2=0.45V.
此處所述的具體實施例提供一振盪器電路,特別適用於產生具有端點的一鋸齒波信號,其受控於一特定值,其由一創新的電容電荷共享方法論達成,其中一電容對該上斜率充電,而在下斜率時與另一電容電荷共享。因此兩個端點皆受控制,僅使用一個固定的電壓參考,使兩個端點由電容比例所關連。較佳地是,高放電電流相對於電容為隔離,因此不會破壞該供應軌或接地參考。
上述的組件、步驟、特徵、物件、優點及好處僅為例示性。它們及關於它們的討論皆非以任何方式限制該保護範疇。其亦考慮多種其它具體實施例,包括具有較少數、額外及/或不同組件、步驟、特徵、目的、優點及好處之具體實施例。該等組件及步驟亦可不同地配置及排序。簡言之,該保護範疇僅受限於下述的申請專利範圍。該範疇係要以合理地符合在申請專利範圍中所使用之用語儘可能地廣泛,並包含所有結構性及功能性同等者。
在一申請專利範圍中所使用之片語“用於..的手段”包含已經說明的相對應結構與材料及其同等者。類似地,在一申請專利範圍中所使用之片語“用於..的步驟”包含已經說明的相對應動作及其同等者。若不使用這些片語,代表該申請專利範圍不限於任何相對應的結構、材料或動作。
以上所陳述或例示的係要提供給公眾任何的組件、步驟、特徵、目的、優點、好處或同等者,而不論是否在申請專利範圍中引用。
100...鋸齒波產生器
200...鋸齒波產生器
300...振盪器
400...快速充電、電荷共享振盪器
600...振盪器
602...頻率控制振盪器
604...充電電流伺服
604a...互導比較器
604b...受控電流源
702...‘控制脈衝’節點
704...頻率控制區段
706...自由運轉參考振盪器
708...同步脈衝輸入緩衝器
710...同步偵測電路
711...SYNC節點
712...控制邏輯
714...一次性開關
715...‘freq in’節點
716...‘osc out’節點
718...放大器
720...‘ref avg’節點
722...電壓到電流轉換器
C1...時序電容
C2...切換式電容
CLK...互補時脈輸入
/CLK...互補時脈輸入
COMP...比較器
I...電流源
ICHG
...時序電容充電電流
M2...小開關電晶體
M5...低阻抗開關電晶體
M7...電晶體
M8...電晶體
M9...電晶體
R...電阻
RTRIM
...橫跨
R1...阻抗
R2...橫跨
R5...電阻
R14...電阻
S1...低電阻受控開關
S2...電阻式受控開關
td...時間延遲
td2...時間延遲元件
t1...時間
U1...集極電晶體
U2...電晶體
U3...電晶體
U4...電晶體
U5...電晶體
U7...集極電晶體
U7...射極-跟隨者
U9...電晶體
U10...電容性元件
U11...電晶體
U11...電容性元件
U12...電容性元件
U13...電晶體
V1...充電區間
X1...反向器/緩衝器串列
X2...反向器/緩衝器串列
X3...反向器/緩衝器串列
第1A圖為一習用參照參考之鋸齒波形產生器的簡化電路圖;第1B圖為依此產生的波形。
第2A圖為一習用之懸浮端點鋸齒波形產生器的簡化電路圖;第2B圖為依此產生的波形。
第3A圖為一第一具體實施例,根據此處的教示,其中一創新的受控端點鋸齒波形產生器由一內部產生的脈衝觸發,以產生一快速放電充電共享振盪器;第3B圖為依此產生的鋸齒波形。
第4A圖及第4B圖所述為使用先前結構的修正之一緩慢放電充電共享振盪器及鋸齒波形。
第5圖為第3A圖之更為詳細的電路圖。
第6A圖為一第二具體實施例的電路圖,其中該產生器由一外部信號觸發進行快速放電:第6B圖所示為依此產生的一鋸齒波形。
第7A圖及第7B圖為第6A圖之更為詳細的電路圖。
300...振盪器
Claims (10)
- 一種用於產生具有受控端點的一鋸齒振盪信號之方法,包含以下步驟:提供一第一參考電壓(VREF1)以建立該鋸齒振盪信號之該等端點之一者;施加電荷到一第一電容;施加一第二參考電壓(VREF3)至一第二電容;根據該第一電容之電壓與該第一參考電壓之比較結果產生一觸發信號;因應於該觸發信號而將在該第一電容中累積的電荷與該第二電容進行共享,在該第一與第二電容之間共享的該電荷建立了待產生之該鋸齒振盪信號之該等端點之另一者;及連續地重複先前步驟以改變該第一電容之電壓準位以便輸出在該等端點之間振盪的該第一電容之電壓,以作為該鋸齒振盪信號。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中該共享步驟包含在該第一電容中設定一最小殘留電荷以提供一第三參考電壓(VREF2),其中該鋸齒振盪信號於該第一參考電壓與該第三參考電壓之間振盪。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中施加該第二參考電壓(VREF3)至該第二電容的該步驟係為一放電 步驟,該放電步驟為在當該第一電容正在充電時將該第二電容放電。
- 一種受控端點鋸齒波信號產生器電路,包含:第一及第二電荷儲存裝置;一充電電流源;一第二參考電壓(VREF3)源,該第二參考電壓源用於充電該第二電荷儲存裝置到一第一指定電壓;一比較器,該比較器配置成用於將該第一電荷儲存裝置之一電壓與一固定之第一參考電壓進行比較,該第一參考電壓(VREF1)建立起該鋸齒波信號的端點之一者;以及一第一受控開關以及一第二受控開關,該第一受控開關耦合於該第一與第二電荷儲存裝置之間,且該第二受控開關耦合於該第二參考電壓源與該第二電荷儲存裝置之間,其中該等受控開關被該比較器控制以在一互斥切換狀態下運作,其中該第一電荷儲存裝置及該充電電流源互連在一起以在一第一電路狀態中運作,其中該第一電荷儲存裝置由該充電電流源充電,且在當該第二電荷儲存裝置與該第一參考電壓源藉由該第二受控開關互連時,該第一及第二電荷儲存裝置藉由該第一受控開關相互切斷,且在一第二電路狀態中,其中該第一及第二電荷儲存裝置係藉由該第一受控開關而互連來共享電荷, 該經共享的電荷藉由該信號產生器電路建立了待產生之一鋸齒波信號之該等端點之一者,且該第二電荷儲存裝置與該第二參考電壓源藉由該第二受控開關而相互切斷。
- 如申請專利範圍第4項所述之電路,其中該等受控開關因應於在該第一電荷儲存裝置上的一第二指定電壓而運作。
- 如申請專利範圍第5項所述之電路,其中該比較器在該第一電荷儲存裝置上建立該第二指定電壓。
- 如申請專利範圍第6項所述之電路,包括一時間延遲元件,該時間延遲元件耦合於該比較器之輸出與該第一及第二受控開關之間。
- 如申請專利範圍第4項所述之電路,其中該電荷儲存裝置為電容。
- 如申請專利範圍第4項所述之電路,其中該第二參考電壓(VREF3)之電壓低於該第一參考電壓,該第二與第一參考電壓控制該經共享電荷以建立該鋸齒波信號之該等端點之一者,且該第一參考電壓建立其他端點,且另包含一阻抗,該阻抗耦合於該第二儲存裝置與該 第二受控開關之間。
- 如申請專利範圍第4項所述之電路,包括一時間延遲元件,該時間延遲元件耦合於該比較器之輸出與該第一及第二受控開關之間。
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