用模擬電荷泵產生高頻高壓脈衝

2020-12-05 EDN電子設計技術

最近有一個項目評估了5G動態負載調製（DLM）射頻功率放大器的可行性。DLM放大器通常會在其輸出網絡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。QWqednc

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，因此肯定不能產生高頻。儘管存在一些混合模塊，例如Apex Microtechnology的產品，但它們的電流消耗很高，無法滿足項目要求。QWqednc

圖1所示的電路是受電容式電荷泵電路所啟發的[1]，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。QWqednc

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圖1：這種模擬電荷泵使用運算放大器代替開關來實現線性工作。QWqednc

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至76V之間。QWqednc

在圖1中，放大器IC1的增益為8.3V/V，以將輸入信號放大至26V峰峰值。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會檢測到這個信號而同樣上升，從而以1.9V/V的增益有效放大IC1的輸出。其輸出在4V至54V之間擺動。IC3及其相關電路執行類似的操作。電阻值是通過檢查最小和最大輸出電壓擺幅下的電路電壓來計算的。QWqednc

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至72.8V的峰值擺幅範圍內對輸入進行線性跟蹤。如前所述，這個電路是為驅動變容二極體而設計的，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。QWqednc

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圖2：實測模擬電荷泵輸入（Vin）與輸出（Vout）波形。QWqednc

如有必要，可通過並聯使用多個運算放大器來增加輸出電流[2]。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，以使電容器完全充電，以便在峰值期間提供足夠的電流。QWqednc

參考文獻

  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.

（原文刊登於EDN美國版，參考連結：Analogue charge pump produces high-frequency, high-voltage pulses，由趙明燦編譯）QWqednc

本文為《電子技術設計》2020年10月刊雜誌文章，版權所有，禁止轉載。免費雜誌訂閱申請點擊這裡。QWqednc

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