用模拟电荷泵产生高频高压脉冲

最近有一个项目评估了5G动态负载调制（DLM）射频功率放大器的可行性。DLM放大器通常会在其输出网络使用高压变容二极管，从而需要用高速大线性电压脉冲来驱动。jctednc

脉冲需要具有+80V的峰值电压并进行直流耦合，因此无需使用变压器。该电路也必须是线性的，以便在其输出端准确地重现输入脉冲的形状。传统的运算放大器无法产生较大的输出电压摆幅，因此肯定不能产生高频。尽管存在一些混合模块，例如Apex Microtechnology的产品，但它们的电流消耗很高，无法满足项目要求。jctednc

图1所示的电路是受电容式电荷泵电路所启发的^[1]，这种电路广泛用于电源而产生高电压或负电压。图1使用运算放大器代替开关来实现线性工作。这个设计使用了三个级，但也可以级联更多的级来获得更高的输出电压。jctednc

jctednc

图1：这种模拟电荷泵使用运算放大器代替开关来实现线性工作。jctednc

理论上，用+30V电源产生90V电压摆幅只需三个级。但是，实际上，由于二极管的压降和运算放大器输出级的限制，这是不可能的。设计中使用的LM6171运算放大器，其最大输入和输出电压必须限制在其电源轨电压以下2V，以防止发生闩锁。不幸的是，对于轨电压大于12V的情况，目前还无法实现全轨到轨摆幅的高速运算放大器。为了适应这一限制，设计中已加入了压降，从而将运算放大器的输出摆幅限制在6至76V之间。jctednc

在图1中，放大器IC₁的增益为8.3V/V，以将输入信号放大至26V峰峰值。这样就可以驱动C₁，而与D₁形成电荷泵。它们为IC₂提供电源电压。差分放大器IC₂对其自身的电源电压和+30V电源之差提供检测。当IC₁的输出上升时，IC₂会检测到这个信号而同样上升，从而以1.9V/V的增益有效放大IC₁的输出。其输出在4V至54V之间摆动。IC₃及其相关电路执行类似的操作。电阻值是通过检查最小和最大输出电压摆幅下的电路电压来计算的。jctednc

代表性结果如图2所示，其中输入是一个100kHz脉冲，其上升和下降时间为1μs。输出在6至72.8V的峰值摆幅范围内对输入进行线性跟踪。如前所述，这个电路是为驱动变容二极管而设计的，这种二极管具有高阻抗，因此驱动它们所需的电流很小，而在LM6171的能力范围以内。jctednc

jctednc

图2：实测模拟电荷泵输入（V_in）与输出（V_out）波形。jctednc

如有必要，可通过并联使用多个运算放大器来增加输出电流^[2]。这种设计的一个缺点是，输出必须保持足够长时间的低电平，以使电容器完全充电，以便在峰值期间提供足够的电流。jctednc

参考文献

1. Newnes Electronics Circuit Pocket Book, Marston, R., ISBN 0750608579, pp. 159-162.
2. "Doubling the Output Current to a Load with a Dual Op Amp," Renesas Application Note AN1111.

（原文刊登于EDN美国版，参考链接：Analogue charge pump produces high-frequency, high-voltage pulses，由赵明灿编译）jctednc

本文为《电子技术设计》2020年10月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。jctednc