MAX4940高壓數(shù)字脈沖發(fā)生器

圖1給出了MAX4940的基本功能圖，其中包括4個(gè)通道的高壓數(shù)字脈沖發(fā)生器(圖中只畫(huà)出了4個(gè)通道中的一個(gè))。

• S1和S2開(kāi)關(guān)(分別連接VPP_和VNN_)具有200V耐壓和2A驅(qū)動(dòng)能力。
• S3開(kāi)關(guān)(數(shù)據(jù)資料中稱為箝位開(kāi)關(guān))具有200V耐壓和1A電流驅(qū)動(dòng)能力。
• 數(shù)字脈沖發(fā)生器可以工作在雙極性和單極性應(yīng)用，支持下列應(yīng)用：
  • [VPP, VNN] = [+100V, -100V]雙極性脈沖
  • [VPP, VNN] = [0, -200V]單極性負(fù)脈沖應(yīng)用
  • [VPP, VNN] = [+200V, 0]單極性正脈沖應(yīng)用
• INP_和INN_分別控制開(kāi)關(guān)S1和S2。
• INC_控制開(kāi)關(guān)S3 (箝位)，但也受S1和S2制約。大多數(shù)應(yīng)用中，INC_不需要驅(qū)動(dòng)，可以始終將其保持高電平，而只驅(qū)動(dòng)器INP_和INN_。此時(shí)，每次S1和S2關(guān)閉后，S3都會(huì)激活。

圖1. MAX4940功能框圖(4個(gè)通道的其中一路)

表1. MAX4940真值表

MAX4968高壓模擬開(kāi)關(guān)

圖2給出了MAX4968功能圖，具有16路獨(dú)立的高壓模擬開(kāi)關(guān)。每個(gè)開(kāi)關(guān)的內(nèi)部狀態(tài)可通過(guò)SPI?接口編程。大多數(shù)超聲應(yīng)用中，高壓模擬開(kāi)關(guān)用于實(shí)現(xiàn)高壓復(fù)用器。

• SW1A、SW1B擺幅可達(dá)VNN至VNN?+ 200V。
• 高壓模擬開(kāi)關(guān)可以支持雙極性和單極性應(yīng)用，輸入/輸出電壓范圍可以是下列情形之一：
  • (SW_)范圍 = [+100V, -100V]雙極性
  • (SW_)范圍 = [0, -200V]單極性負(fù)脈沖
  • (SW_)范圍 = [+200V, 0]單極性正脈沖
• 根據(jù)輸入信號(hào)的幅度和極性，VNN可以在0V至-200V范圍變化。VNN可以和脈沖發(fā)生器(發(fā)射電路)共用負(fù)電源。
• VPP采用低壓供電(僅為10V)。
• 等效RON在整個(gè)輸入范圍保持平坦(大約20Ω)，導(dǎo)通電容為16pF。

圖2. MAX4968功能框圖

支持應(yīng)用

Maxim的高壓脈沖發(fā)生器和開(kāi)關(guān)采用獨(dú)特設(shè)計(jì)，可以工作在雙極性和單極性應(yīng)用(大多數(shù)工業(yè)超聲波應(yīng)用為單極)。Maxim的解決方案可以很好的縮小整體尺寸并簡(jiǎn)化系統(tǒng)，特別是在單極性應(yīng)用中。下面展示了雙極性和單極性發(fā)射功能圖和時(shí)序圖。外部干擾抑制二極管可以在一些個(gè)案中省略。

雙極性脈沖

圖3. MAX4940典型的4通道雙極性數(shù)字脈沖發(fā)生電路


圖4. 使用MAX4940和MAX4968雙極性應(yīng)用，大大簡(jiǎn)化高壓供電設(shè)計(jì)

注：

1. 為方便起見(jiàn)，只有兩個(gè)通道連接到MAX4968，配置為1:2高壓MUX。
2. 只需要兩個(gè)高壓電源(VPP，VNN)。
3. MAX4940的裸焊盤(pán)(圖4沒(méi)有畫(huà)出)必須連接到VNN。

圖5. MAX4940和MAX4968在雙極性、負(fù)脈沖應(yīng)用中的脈沖、開(kāi)關(guān)信號(hào)波形

注：CLP_始終為高電平。每個(gè)通道只需要2個(gè)控制信號(hào)，提供3電平發(fā)射。

單極性正脈沖

圖6. MAX4940在單極性正脈沖中的應(yīng)用


圖7. MAX4940和MAX4968在單極性中的應(yīng)用，減少對(duì)高壓電源的需求

注：

1. 只需要一個(gè)高壓電源。
2. 注意，CGN_可以直接連接到CDN_，使每個(gè)通道省去一個(gè)電容。
3. MAX4940不再需要VEE?(VEE接地)。
4. 信號(hào)耦合電容耐壓需大于200V。
5. MAX4940的裸焊盤(pán)(未顯示)需要接地。

圖8. MAX4940和MAX4968在單極性正脈沖應(yīng)用中的信號(hào)時(shí)序圖

單極性負(fù)脈沖

圖9. MAX4940的單極性應(yīng)用


圖10. MAX4968和MAX4940在單極性負(fù)脈沖中的應(yīng)用，減少高壓電源需求

注：

1. 只需一路高壓。
2. MAX4940的裸焊盤(pán)(未表示)需要連接VNN。
3. 單極性正脈沖(圖6和圖7)架構(gòu)比單極性負(fù)脈沖架構(gòu)略有優(yōu)勢(shì)(使用更少的外部元件且裸焊盤(pán)連接至GND可以改善散熱)。

圖11. MAX4940和MAX4968在單極性負(fù)脈沖應(yīng)用中的信號(hào)波形

倍壓驅(qū)動(dòng)的BTL架構(gòu)

工業(yè)應(yīng)用中，往往需要驅(qū)動(dòng)超過(guò)200V的變送器。無(wú)損檢測(cè)、流量計(jì)或其他應(yīng)用，使用的變送器可能需要超過(guò)200V的脈沖驅(qū)動(dòng)。

MAX4940可以通過(guò)橋接(BTL)驅(qū)動(dòng)變送器，產(chǎn)生相當(dāng)于兩倍的激勵(lì)信號(hào)峰峰值。需采用兩個(gè)MAX4940通道驅(qū)動(dòng)一路變送器。激勵(lì)電壓可高達(dá)400VP-P。

BTL配置需要使用變送器的兩個(gè)電極，對(duì)于各單元公共端連接到GND的大規(guī)模變送器陣列并不適用。

圖12給出了一個(gè)典型的BTL應(yīng)用框圖，采用單極性配置(該例中是正脈沖)。變送器的負(fù)載連接在OUT1_和OUT2_之間。圖13所示為一個(gè)典型的驅(qū)動(dòng)波形，激勵(lì)信號(hào)的幅度可以達(dá)到2 × VPP，即400VP-P。


圖12. MAX4940的典型橋接負(fù)載(BTL)配置


圖13. BTL架構(gòu)的典型驅(qū)動(dòng)波形

并聯(lián)增大驅(qū)動(dòng)電流

工業(yè)應(yīng)用中，有時(shí)是需要大于2A的電流驅(qū)動(dòng)能力。這種高驅(qū)動(dòng)能力通常用于驅(qū)動(dòng)高容性負(fù)載(nF量級(jí))，或工作在高頻(例如，30MHz至40MHz)環(huán)境。可以將MAX4940的通道并聯(lián)，以增大電流驅(qū)動(dòng)(2通道 = 4A，3通道 = 6A，并依此類推)。

如圖14所示，把2個(gè)通道并聯(lián)驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載單元，可提供4A的單極性脈沖驅(qū)動(dòng)。該圖采用的是MAX4940，也可以對(duì)MAX4968進(jìn)行類似配置。相關(guān)方案通用適用于雙極性和單極性負(fù)脈沖應(yīng)用。將通道并聯(lián)，可降低輸出電阻并增大驅(qū)動(dòng)能力。


圖14. 4A單極性正脈沖發(fā)生器

MAX4940也可以采用BTL配置，并聯(lián)通道用來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載單元，具有400VP-P?、4A驅(qū)動(dòng)能力(圖15)。


圖15. MAX4940的BTL結(jié)構(gòu)，提供4A電流驅(qū)動(dòng)

高頻或低頻應(yīng)用

上面討論的應(yīng)用電路覆蓋大多數(shù)情況，不過(guò)，還要特別考慮高、低頻應(yīng)用。對(duì)于低頻信號(hào)(< 1MHz)的情況，大多用于聲納系統(tǒng)，頻率范圍從10kHz至200kHz。

另外，有時(shí)需要工作在更高頻率(> 20MHz)，往往在無(wú)損檢測(cè)中用于改善軸向分辨率或發(fā)送PWM調(diào)制信號(hào)。下面討論了這兩種類型的應(yīng)用。

低頻(< 1MHz)

MAX4940可以工作在低于1MHz的頻率下。只需用足夠大的電容取代信號(hào)耦合電容(上例中為3.3nF)。作為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，可以用下式計(jì)算：

CSIGNAL?= 3.3nF/頻率(MHz)

例如，以100kHz應(yīng)用為例，耦合電容建議采用33nF。MAX4968基于自舉結(jié)構(gòu)，不能工作在100kHz頻率以下。

高頻(> 20MHz)

MAX4940驅(qū)動(dòng)電路可以工作在高頻(產(chǎn)生短脈沖)，如40MHz。然而，實(shí)際情況限制了電流驅(qū)動(dòng)能力。

在一階近似中，負(fù)載可以認(rèn)為是純電容(CLOAD)。根據(jù)最大壓擺率，可以得到脈沖發(fā)生器輸出的峰值電流(IPEAK)。公式為：

SLEW_RATE = (δV/δt)max = IPEAK/CTOT

CTOT是總負(fù)載電容，包括傳感器電容、電纜電容和IC寄生電容。

現(xiàn)在假設(shè)工作在單極性正脈沖模式(圖6)，并試圖發(fā)送一個(gè)200V的單極性脈沖。例如，CTOT?= 400pF，則擺率限制在：

(δV/δt)max = IPEAK/CTOT?= 2A/300pF = 6.66V/ns

由此，上升和下降時(shí)間大約是：

TRISE?= TFALL?≈ 200V/(6.66V/ns) = 30ns

幅度為200V的最小脈沖寬度大約為60ns。

當(dāng)然，雙極性和單極性負(fù)脈沖也可以按同樣方式計(jì)算。

按照上面介紹的方法，可以增加電路的電流驅(qū)動(dòng)能力(IPEAK)，并聯(lián)更多通道(注意：IC寄生電容也會(huì)相應(yīng)增大)，據(jù)此提高工作頻率。舉例來(lái)說(shuō)，如圖14所示的4A脈沖發(fā)生器，可以在理論上(忽略IC寄生電容)獲得TRISE?= TFALL?= 15ns的200V輸出擺幅。

IPEAK?= 4A，CTOT?= 300pF，擺幅 = 200V??最小脈沖寬度 = 30ns

其它工作模式，如雙極性和單極性負(fù)脈沖，也可以采用類似途徑。?