Формирователь высокочастотных высоковольтных импульсов на основе аналогового зарядового насоса

Texas Instruments LM6171

Gavin Watkins

EDN

В недавнем проекте исследовались возможности ВЧ усилителя мощности с динамической модуляцией нагрузки (dynamic load modulation, DLM) для сетей 5G. В выходных цепях усилителей DLM обычно используются высоковольтные варакторные диоды, которые должны управляться высокоскоростными импульсами большого напряжения.

Импульсы должны были достигать в пике +80 В и иметь связь по постоянному току, что исключало использование трансформатора. Кроме того, схема должны была быть линейной, чтобы точно воспроизводить форму входного импульса на своем выходе. Обычные операционные усилители не способны обеспечивать большие размахи выходного напряжения, тем более на высоких частотах. Хотя существуют гибридные модули, подобные модулям, выпускаемым Apex Microtechnology, они потребляют большой ток и не могли соответствовать требованиям проекта.

Идея схемы, показанной на Рисунке 1, была подсказана схемами емкостных зарядовых насосов [1], которые широко используются в источниках питания для получения высокого или отрицательного напряжения. Однако вместо ключей в схеме на Рисунке 1 использованы операционные усилители, позволившие сделать характеристику схемы линейной. В этой конструкции используются три каскада, но при необходимости получения более высокого выходного напряжения количество каскадов можно увеличить.

В этом аналоговом зарядовом насосе для обеспечения линейности вместо ключей используются операционные усилители.
Рисунок 1. В этом аналоговом зарядовом насосе для обеспечения линейности вместо
ключей используются операционные усилители.

Теоретически для получения размаха напряжения 90 В при напряжении питания +30 В требуются всего три каскада. Однако практически это невозможно из-за падения напряжения на диодах и ограничений выходных каскадов операционных усилителей. Чтобы предотвратить возникновение защелкивания, максимальные входные и выходные напряжения используемого в этой конструкции операционного усилителя LM6171 должны быть на 2 В ниже напряжений на шинах питания. К сожалению, быстродействующие, полностью rail-to-rail операционные усилители, способные работать при напряжениях шин питания более 12 В, в настоящее время недоступны. С учетом этого ограничения схема конструировалась так, чтобы размах выходных сигналов операционных усилителей находился в диапазоне от 6 до 76 В.

Усилитель в схеме на Рисунке 1, имеющий усиление 8.3 В/В, увеличивает пиковое значение входных импульсов до 26 В. Эти импульсы подаются на конденсатор C1, который вместе с диодом D1 образует зарядовый насос. Выходным напряжением зарядового насоса питается усилитель IC2. Дифференциальный усилитель IC2 воспринимает разность между собственным напряжением питания и напряжением шины +30 В. При росте выходного напряжения IC1 усилитель IC2 обнаруживает это, и напряжение на его выходе тоже возрастает, эффективно усиливая выходной сигнал IC1 с коэффициентом усиления 1.9 В/В. Его выходное напряжение изменяется между 4 В и 54 В. Аналогичным образом работает каскад на усилителе IC3 и связанных с ним цепях. Сопротивления резисторов были рассчитаны на основании оценки напряжений в схеме при минимальном и максимальном размахе выходного напряжения.

Пример результата показан на Рисунке 2, где входные импульсы имеют частоту 100 кГц и времена нарастания и спада 1 мкс. Выход схемы линейно отслеживает входной сигнал, увеличивая его размах до значений от 6 до 72.8 В. Как уже упоминалось, схема разрабатывалась для управления варакторными диодами, которые имеют высокий импеданс, поэтому ток, необходимый для управления ими, был небольшим и вполне соответствовал возможностям LM6171.

В этом аналоговом зарядовом насосе для обеспечения линейности вместо ключей используются операционные усилители.
Рисунок 2. Осциллограммы входного (VIN) и выходного (VOUT) напряжений
аналогового зарядового насоса.

При необходимости выходной ток можно увеличить, включив параллельно несколько операционных усилителей [2]. Одним из недостатков этой схемы является то, что уровень выходного напряжения достаточно долго должен оставаться низким, чтобы конденсаторы полностью заряжались и могли обеспечивать необходимый ток в пиках импульсов.

Ссылки

  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.

Материалы по теме

  1. Datasheet Texas Instruments LM6171

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Analogue charge pump produces high-frequency, high-voltage pulses

JLCPCP: 2USD 2Layer 5PCBs, 5USD 4Layer 5PCBs

LM6171 Купить ЦенаКупить LM6171 на РадиоЛоцман.Цены — от 13,69 до 387
29 предложений от 21 поставщиков
ОУх1 Быстродейств: 100МГц, 3000В/мкС, ОС по напр, Iпотр=4мА, Iвх=3мкА, Uсм=6мВ
Стандарт СИЗ
Россия
LM6171ACM (ST-TSH71CD)
STMicroelectronics
14 ₽
ЭИК
Россия
LM6171BIN/NOPB
Texas Instruments
от 105 ₽
Контест
Россия
LM6171AIM
National Semiconductor
по запросу
Кремний
Россия и страны СНГ
LM6171AIM/NOPB
по запросу
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя