MAX4940高壓數字脈沖發生器

圖1給出了MAX4940的基本功能圖，其中包括4個通道的高壓數字脈沖發生器(圖中只畫出了4個通道中的一個)。

• S1和S2開關(分別連接VPP_和VNN_)具有200V耐壓和2A驅動能力。
• S3開關(數據資料中稱為箝位開關)具有200V耐壓和1A電流驅動能力。
• 數字脈沖發生器可以工作在雙極性和單極性應用，支持下列應用：
  • [VPP, VNN] = [+100V, -100V]雙極性脈沖
  • [VPP, VNN] = [0, -200V]單極性負脈沖應用
  • [VPP, VNN] = [+200V, 0]單極性正脈沖應用
• INP_和INN_分別控制開關S1和S2。
• INC_控制開關S3 (箝位)，但也受S1和S2制約。大多數應用中，INC_不需要驅動，可以始終將其保持高電平，而只驅動器INP_和INN_。此時，每次S1和S2關閉后，S3都會激活。

圖1. MAX4940功能框圖(4個通道的其中一路)

表1. MAX4940真值表

MAX4968高壓模擬開關

圖2給出了MAX4968功能圖，具有16路獨立的高壓模擬開關。每個開關的內部狀態可通過SPI?接口編程。大多數超聲應用中，高壓模擬開關用于實現高壓復用器。

• SW1A、SW1B擺幅可達VNN至VNN?+ 200V。
• 高壓模擬開關可以支持雙極性和單極性應用，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]單極性負脈沖
  • (SW_)范圍 = [+200V, 0]單極性正脈沖
• 根據輸入信號的幅度和極性，VNN可以在0V至-200V范圍變化。VNN可以和脈沖發生器(發射電路)共用負電源。
• VPP采用低壓供電(僅為10V)。
• 等效RON在整個輸入范圍保持平坦(大約20Ω)，導通電容為16pF。

圖2. MAX4968功能框圖

支持應用

Maxim的高壓脈沖發生器和開關采用獨特設計，可以工作在雙極性和單極性應用(大多數工業超聲波應用為單極)。Maxim的解決方案可以很好的縮小整體尺寸并簡化系統，特別是在單極性應用中。下面展示了雙極性和單極性發射功能圖和時序圖。外部干擾抑制二極管可以在一些個案中省略。

雙極性脈沖

圖3. MAX4940典型的4通道雙極性數字脈沖發生電路


圖4. 使用MAX4940和MAX4968雙極性應用，大大簡化高壓供電設計

注：

1. 為方便起見，只有兩個通道連接到MAX4968，配置為1:2高壓MUX。
2. 只需要兩個高壓電源(VPP，VNN)。
3. MAX4940的裸焊盤(圖4沒有畫出)必須連接到VNN。

圖5. MAX4940和MAX4968在雙極性、負脈沖應用中的脈沖、開關信號波形

注：CLP_始終為高電平。每個通道只需要2個控制信號，提供3電平發射。

單極性正脈沖

圖6. MAX4940在單極性正脈沖中的應用


圖7. MAX4940和MAX4968在單極性中的應用，減少對高壓電源的需求

注：

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

圖8. MAX4940和MAX4968在單極性正脈沖應用中的信號時序圖

單極性負脈沖

圖9. MAX4940的單極性應用


圖10. MAX4968和MAX4940在單極性負脈沖中的應用，減少高壓電源需求

注：

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

圖11. MAX4940和MAX4968在單極性負脈沖應用中的信號波形

倍壓驅動的BTL架構

工業應用中，往往需要驅動超過200V的變送器。無損檢測、流量計或其他應用，使用的變送器可能需要超過200V的脈沖驅動。

MAX4940可以通過橋接(BTL)驅動變送器，產生相當于兩倍的激勵信號峰峰值。需采用兩個MAX4940通道驅動一路變送器。激勵電壓可高達400VP-P。

BTL配置需要使用變送器的兩個電極，對于各單元公共端連接到GND的大規模變送器陣列并不適用。

圖12給出了一個典型的BTL應用框圖，采用單極性配置(該例中是正脈沖)。變送器的負載連接在OUT1_和OUT2_之間。圖13所示為一個典型的驅動波形，激勵信號的幅度可以達到2 × VPP，即400VP-P。


圖12. MAX4940的典型橋接負載(BTL)配置


圖13. BTL架構的典型驅動波形

并聯增大驅動電流

工業應用中，有時是需要大于2A的電流驅動能力。這種高驅動能力通常用于驅動高容性負載(nF量級)，或工作在高頻(例如，30MHz至40MHz)環境。可以將MAX4940的通道并聯，以增大電流驅動(2通道 = 4A，3通道 = 6A，并依此類推)。

如圖14所示，把2個通道并聯驅動一個負載單元，可提供4A的單極性脈沖驅動。該圖采用的是MAX4940，也可以對MAX4968進行類似配置。相關方案通用適用于雙極性和單極性負脈沖應用。將通道并聯，可降低輸出電阻并增大驅動能力。


圖14. 4A單極性正脈沖發生器

MAX4940也可以采用BTL配置，并聯通道用來驅動一個負載單元，具有400VP-P?、4A驅動能力(圖15)。


圖15. MAX4940的BTL結構，提供4A電流驅動

高頻或低頻應用

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

另外，有時需要工作在更高頻率(> 20MHz)，往往在無損檢測中用于改善軸向分辨率或發送PWM調制信號。下面討論了這兩種類型的應用。

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耦合電容(上例中為3.3nF)。作為一個經驗公式，可以用下式計算：

CSIGNAL?= 3.3nF/頻率(MHz)

例如，以100kHz應用為例，耦合電容建議采用33nF。MAX4968基于自舉結構，不能工作在100kHz頻率以下。

高頻(> 20MHz)

MAX4940驅動電路可以工作在高頻(產生短脈沖)，如40MHz。然而，實際情況限制了電流驅動能力。

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

SLEW_RATE = (δV/δt)max = IPEAK/CTOT

CTOT是總負載電容，包括傳感器電容、電纜電容和IC寄生電容。

現在假設工作在單極性正脈沖模式(圖6)，并試圖發送一個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。

當然，雙極性和單極性負脈沖也可以按同樣方式計算。

按照上面介紹的方法，可以增加電路的電流驅動能力(IPEAK)，并聯更多通道(注意：IC寄生電容也會相應增大)，據此提高工作頻率。舉例來說，如圖14所示的4A脈沖發生器，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脈沖，也可以采用類似途徑。?