以數位電荷泵產生高頻高壓脈衝

作者 : Gavin Watkins,EDN

最近有一個專案評估了用於5G動態負載調變(DLM)射頻功率放大器的可行性。DLM放大器通常會在其輸出網路使用高壓變容二極體,從而需要用高速大線性電壓脈衝來驅動…

最近有一個專案評估了用於5G動態負載調變(DLM)射頻功率放大器的可行性。DLM放大器通常會在其輸出網路使用高壓變容二極體,從而需要用高速大線性電壓脈衝來驅動。

脈衝需要具有+80V的峰值電壓並進行直流耦合,因此無需使用變壓器。該電路也必須是線性的,以便在其輸出端準確地重現輸入脈衝的形狀。傳統的運算放大器無法產生較大的輸出電壓擺幅,因此勢必無法產生高頻。儘管存在一些混合模組,例如Apex Microtechnology的產品,但它們的電流消耗很高,無法滿足專案要求。

圖1所示的電路是受電容式電荷泵電路所啟發,這種電路廣泛用於電源而產生高電壓或負電壓。圖1使用運算放大器代替開關來實現線性工作,這個設計使用了三個級,但也可以級聯更多的級來獲得更高的輸出電壓。

圖1 這種類比電荷泵使用運算放大器代替開關來實現線性工作。

理論上,用+30V電源產生90V電壓擺幅只需三個級。但是,實際上,由於二極體的壓降和運算放大器輸出級的限制,這是不可能的。設計中使用的LM6171運算放大器,其最大輸入和輸出電壓必須限制在其電源軌電壓以下2V,以防止發生閂鎖。不幸的是,對於軌電壓大於12V的情況,目前還無法實現全軌到軌擺幅的高速運算放大器。為了適應這一限制,設計中已加入了壓降,從而將運算放大器的輸出擺幅限制在6~76V之間。

在圖1中,放大器IC1的增益為8.3V/V,以將輸入訊號放大至26V峰峰(peak-to-peak)值,這樣就可以驅動C1,而與D1形成電荷泵,它們為IC2提供電源電壓。差分放大器IC2對其自身的電源電壓和+30V電源之差提供檢測,當IC1的輸出上升時,IC2會檢測到這個訊號而同樣上升,從而以1.9V/V的增益有效放大IC1的輸出,其輸出在4V~54V之間擺動。IC3及其相關電路執行類似的操作,而電阻值是透過檢查最小和最大輸出電壓擺幅下的電路電壓計算。

代表性結果如圖2所示,其中輸入是一個100kHz脈衝,其上升和下降時間為1μs,輸出在6~72.8V的峰值擺幅範圍內對輸入進行線性追蹤。如前所述,這個電路是為驅動變容二極體而設計,這種二極體具有高阻抗,因此驅動它們所需的電流很小,而在LM6171的能力範圍以內。

圖2 實測模擬電荷泵輸入(Vin)與輸出(Vout)波形。

如有必要,可透過並聯使用多個運算放大器來增加輸出電流。這種設計的一個缺點是,輸出必須保持足夠長時間的低電平,以使電容完全充電,以便在峰值期間提供足夠的電流。

(參考原文:Analogue charge pump produces high-frequency, high-voltage pulses,by Gavin Watkins)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2020年10月號雜誌

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