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用模拟电荷泵产生高频高压脉冲

2020-10-14 Gavin Watkins 阅读:
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。

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。YWlednc

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。YWlednc

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。YWlednc

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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。YWlednc

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。YWlednc

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。YWlednc

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。YWlednc

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图2:实测模拟电荷泵输入(Vin)与输出(Vout)波形。YWlednc

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。YWlednc

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)YWlednc

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YWlednc

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