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带半回收电荷泵的20MHz VFC

2024-10-08 17:41:56 Stephen Woodward 阅读:
尽管远远落后于Kong,本文中的VFC仍然比市售的VFC(例如4-MHz VFC110)快几倍···

早在1986年,著名的模拟革新者Jim Williams在《高性能电压频率转换器设计》(Designs for High Performance Voltage-to-Frequency Converters)中发表了他的“King Kong”100MHz VFC(电压频率转换器)。我从未见过与之相媲美的产品,当然,图1的小电路最高频率仅约为20MHz,远不及它。vl7ednc

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图1:半回收(TBH)电荷泵使简单的VFC在20MHz时具有合理的性能。vl7ednc

但是,尽管远远落后于Kong,图1中的VFC仍然比市售的VFC(例如4-MHz VFC110)快几倍,并且只需使用单+5V电源/基准,就能以不到10mA的电流运行。vl7ednc

它之所以能在如此高的输出频率下工作(没有K.Kong的复杂性),(主要)是因为采用了自补偿TBH二极管电荷泵,这在早先的设计实例“半回收精密二极管电荷泵”中已有描述,我们很快就会讲到这一点。vl7ednc

同时,这里有一个概述。vl7ednc

由R1测量的0至1mA满量程输入集成在C1上,导致输入放大器的输出上升,从而打开电流接收器Q1。灌电流使施密特触发器U1引脚1处的电压下降,直到超过其负触发电平(~1.5V),这会通过三反相器菊花链延迟线启动级联转换。引脚2突然变高,使引脚4变低,使引脚6翻转为高。通过菊花链传播大约需要20纳秒,到达引脚6的斜坡复位脉冲通过D5反馈到引脚1,将其推过U1的正触发电平,这会通过菊花链启动互补波,最终在~40纳秒内完成循环。vl7ednc

因此,振荡器频率(大致上)与R1输入电流成正比,泵和运算放大器的作用是使其准确成正比。实现这一点的诀窍在于TBH泵及其两个看起来很有趣的反并联二极管对:D1 D2和D3 D4。vl7ednc

D3和​​D4将输入平衡负反馈电流耦合到C1,理论上等于-100µA/MHz,但实际上会因各种二极管非理想状态引起的各种误差项而减小。这些误差包括正向压降、反向恢复时间、杂散电容和分流电容等。vl7ednc

同时,相反极性的D1和D2将正反馈电流耦合到C1,该电流(从理论上讲)等于+50µA/MHz,但实际上却因D3和D4中列出的完全相同的麻烦的非理想因素而减少。vl7ednc

因此,当两个相反的电流在C1上相加时,误差项完全抵消,只留下所需的-(100-误差)+(50-误差)=-50µA/MHz精确负反馈,从而:vl7ednc

Fout=20MHz Vin(1000/R1)vl7ednc

具体的推导过程请参阅“半回收精密二极管电荷泵”。vl7ednc

一些设计细节包括以下项目。vl7ednc

Q1的基极驱动电阻是根据2N3904数据表的最小/最大beta范围选择的,其值要足够低以允许足够的集电极电流达到完整的20MHz,但又足够高以防止过度拉低D5和U1引脚6并消除振荡,因为无法达到引脚1的正触发电平。后一种情况可能会导致转换器锁存。vl7ednc

即使运算放大器已关闭Q1,漏电抑制器R4也能防止U1、D5和Q1总漏电流产生零偏移振荡。vl7ednc

如果找不到U1中未使用的剩余元件的用途,请务必将其浮动输入接地或绑定到+5。vl7ednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:20MHz VFC with take-back-half charge pump,由Ricardo Xie编译)vl7ednc

责编:Ricardo
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