CN107093996B - 用于提供射频信号的rf电路 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于提供射频信号的RF电路以及电路，所述RF电路包含：双电感器，包括一个绕组和另一个绕组，所述一个绕组包括输入和输出，所述另一个绕组包括输入和输出；其中所述一个绕组和所述另一个绕组被布置以在所述一个绕组和所述另一绕组之间提供用于确定所述射频信号的频率所选择的寄生电容；以及其中所述两个绕组的所述两个输出被配置为电耦接至容性负载。

Description

用于提供射频信号的RF电路
本申请是申请号为201380037647.5、申请日为2013年05月15日、名称为“使用自谐振电感器的小型高压RF发生器”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明主要涉及射频(RF)发生器，且更具体地涉及使用电感器的RF发生器电路。
背景技术
RF发生器产生的高频信号对许多应用是有用的，例如，在离子迁移光谱仪(IMS)和场非对称离子迁移光谱仪(FAIMS)或微分迁移光谱仪(DMS)中使用。在光谱仪中，空气样品中的分子被离子化，并允许进入单元(cell)的驱动区。离子化的分子漂移到单元的另一端(漂移的速度依赖于漂移到集电极的离子的大小)，这会引起集电极中的电流脉冲。进入集电极的电流被转换为电压并放大。通过测量离子沿单元的飞行时间就可以识别离子。
本发明的背景技术部分所讨论的主题不应被假定为仅作为本发明部分的背景技术中提及的结果的现有技术。类似地，本发明的背景技术部分提及的问题或者与本发明的背景技术部分的主题相关联的问题不应被假定为已经在现有技术中被预先认知。本发明的背景技术部分的主题仅表达了不同的方式，其内部及本身也可以是发明。
发明内容
描述了包括串联谐振电路的RF发生器电路。在一个实施方式中，RF发生器电路包括驱动串联谐振电路的有源设备，所述串联谐振电路包括双线环形双电感器(bifilartoroidal dual inductor)。所述RF发生器电路可以被用于产生高频的高负载电压以驱动容性负载。
在一个方面，提供了包括双电感器的电路的实施方式。所述双电感器包括环形芯体。所述电路包括在所述环形芯体上的一个绕组。所述绕组包括输入和输出。所述电路还包括在所述环形芯体上的另一个绕组。所述另一个绕组包括输入和输出。所述电路还包括电容器，所述电容器电耦接至所述一个绕组的输入，并与所述一个绕组并联。所述电路还包括另一个电容器，所述另一个电容器电耦接至所述另一个绕组的输入，并与所述另一个绕组并联。所述两个绕组的两个输出被配置为电耦接至容性负载。
在另一方面，提供了RF发生器电路的实施方式，所述RF发生器电路包括电源、被配置为输出信号的有源设备、包括一对缠绕在环形芯体上的绕组的双电感器以及电容器。所述电容器与所述双电感器的绕组中的一者电耦接。所述电源和所述有源设备与所述电容器和所述双电感器的绕组中的一者电耦接。所述双电感器被配置为提供所述有源设备的信号的电压升压(voltage step up)。
本发明的另一个实施方式涉及一种生成信号的方法。所述方法包括：提供驱动信号给有源设备。所述方法还包括提供电源。所述方法还包括提供电路，所述电路包括双线环形双电感器和与电容器，所述电容器与所述双线环形双电感器的绕组中的至少一者并联电耦接。所述有源设备和所述电源电耦接至所述电路。所述方法还包括驱动容性负载，所述容性负载电耦接至所述电路，并与所述双线环形双电感器串联。
提供发明内容是为了以简要的形式介绍概念的选择，在下面的具体实施方式中将进一步描述。发明内容并不旨在识别所要求保护的主题的关键特征或者必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。
附图说明
具体实施方式是参考附图进行描述的。在图中，参考编号最左边的一个或多个数字标识该参考编号第一次出现所在的附图，在图中和描述中，不同实例中相同参考编号的使用可以指示相似或相同的项(item)。
图1是根据这里公开的实施方式的自谐振双电感器的示意图；
图2是根据这里公开的实施方式的在串联谐振电路中的自谐振双电感器的示意图；
图3是根据这里公开的实施方式的RF发生器电路的实施方式的示意图，该RF发生器电路包括具有自谐振双电感器的串联谐振电路的实施方式；
图4是根据这里公开的实施方式的RF发生器电路的另一实施方式的示意图，该RF发生器电路包括具有自谐振双电感器的串联谐振电路的实施方式；以及
图5是根据这里公开的实施方式的RF发生器电路的另一实施方式的示意图，该RF发生器电路包括具有自谐振双电感器的串联谐振电路的实施方式。
具体实施方式
在转向附图之前，在一个实施方式中，提供了使用有源器件驱动串联谐振电路的RF发生器，该串联谐振电路包括自谐振双电感器。在一个实施方式中，RF发生器以至少一兆赫(MHz)的频率，在比RF发生器的电源电压高的电压产生两个反相输出。这样的输出可以用于驱动容性负载。首先描述自谐振双电感器的实施方式。
提供了用图1中的双线环形双电感器110示出的自谐振双电感器。双线环形双电感器110包括一般的环形形状的芯体112。在一个实施方式中，芯体112是低磁导率磁芯(如，由铁粉、铁素体或其他合适的材料形成)。具体地，例如，在一个实施方式中，芯体112由T 80-6铁粉形成。
芯体112被一对绕组114和116缠绕。绕组114和116是绝缘导体。在一个实施方式中，使导体绝缘的材料具有低RF损耗和高击穿电压特性，诸如，例如聚四氟乙烯(PTFE)或其他合适的材料。绕组114和116被耦接。绕组114提供输入118和输出120。同样地，绕组116提供输入122和输出124。双线环形双电感器110的实施方式提供低辐射磁场，且在一些实施方式中，大小小于气隙电感器的大小。另外，在一些实施方式中，双线绕组配置提供绕组和简单结构之间的紧密耦接。在一个实施方式中，芯体112不是分离芯体(即，不具有气隙)。
这样的双线环形双电感器110可以被用在各种电路中。图2示出了包括自谐振双电感器(诸如所述双线环形双电感器210)的串联谐振电路248。电路248的一个输入203与电容器240和双线环形双电感器210的绕组214的输入218电耦接。电容器240还电耦接至地。电路248的另一个输入205与另一个电容器242和双线环形双电感器210的绕组216的输入222电耦接。电容器242还电耦接至地。绕组214的输出220电耦接至电容器244。电容器244还电耦接至地。绕组216的输出224电耦接至电容器246。电容器246还电耦接至地。
彼此具有相移的两个输入可以被应用到串联谐振电路248的输入203和205。双线环形双电感器210的电感被耦接，且双线环形双电感器210是产生两个反相输出的自谐振双电感器。如图1和图2所示，双线环形电感器310被配置以使流经绕组214和216的电流处于相反方向。双线环形双电感器210的绕组间电容提供串联谐振。
图3是RF发生器电路325包括自谐振双电感器(如示出的双线环形双电感器310)的实施方式的示意图。提供了如在图3中示出的低电压DC电源326的电源。DC电源326与变压器328电耦接。变压器328具有两个输出330和332。变压器328在输出330和332产生两个彼此异相的输出。
提供了如示出的晶体管334的有源设备。虽然晶体管334是如图3中示出的NMOS场效应晶体管，但在其他实施方式中，其他合适的晶体管(如，PMOS FET型、JFET型、BJT型等)被使用。另外，可以使用任何其他合适的有源设备。晶体管334在输入336接收驱动信号。晶体管334的源极电耦接至地。
晶体管334的输出338和变压器328的第一个输出330与双线环形双电感器310的绕组314的输入318电耦接，并电耦接至所述第一电容器340，其中输出338是在示出的实施方式中的晶体管334的漏极。第一电容器340与绕组314并联电耦接，且还电耦接至地。
变压器328的第二输出332与第二电容器342和双线环形电感器310的绕组316的输入322电耦接。第二电容器342与绕组316并联电耦接，且还电耦接至地。
双线环形双电感器310的电感是紧密耦接的。双线环形双电感器310是产生两个反相输出的自谐振双电感器。如图3所示，双线环形电感器310被配置以使流经绕组314和316的电流处于相反方向。输出320和324可以被用于驱动容性负载，容性负载(伴随双电感器中的任何杂散电容)如图3中示出的电容器344和346。
图3的电路被驱动，以使双线环形双电感器310与负载电容谐振，负载电容(伴随双电感器中的任何杂散电容)如图3示出的电容344和346。串联谐振电路348以其谐振频率被驱动来提供电压升压，以使输出320和324的电压高于输入318和322。采用高频信号和与负载电容344和346谐振的双线环形电感器310，低功率可以被用于在高电压输出320和324产生高频的较高电压。因此，阻抗匹配串联谐振电路348被提供用于低功率、高频电压升压。双线环形双电感器310被配置，以使绕组间电容提供串联谐振和大的电压升压。
在一个实施方式中，提供了带有T 80-6铁粉芯体的双线环形双电感器。该芯体具有20毫米外径，且有6毫米厚。芯体采用两个绕组缠绕，每个绕组35匝。当芯体在30V电源电压下，以8MHz被驱动时，实现了3kV峰-峰值的差分输出。
电压升压依赖于阻抗匹配串联谐振电路348的品质因子(“Q”)。串联谐振电路348的品质因子和谐振频率均可以基于多个不同因子(如温度、元件设计等)变化。例如通过使用反馈设备考虑到网络348的输出电压的调节和稳定。
在一个实施方式中，提供了反馈设备，如示出的缠绕至双线环形双电感器310的小型反馈绕组350(如1匝)。反馈绕组350与有源设备334的输入336电耦接。因此，随着有源设备持续以其谐振频率驱动串联谐振电路348，RF发生器电路325将自激振荡。这为有效的RF发生器电路325提供支持。
图4是包括自谐振双电感器(如示出的双线环形双电感器410)的RF发生器电路425的另一个实施方式的示意图。提供了如在图4中示出的低电压DC电源426的电源。DC电源426通过带有输出454的电感器452电馈送。
还提供了如图4示出的晶体管434的有源设备。晶体管434在其输入436接收驱动信号。晶体管434的源极电耦接至地。晶体管434的输出438(在示出的实施方式中NMOS场效应晶体管的漏极)被串联电耦接至二极管456。
二极管456和电感器452的输出454电耦接至双线环形双电感器410的绕组414的输入418，且电耦接至第一电容器440。第一电容器440并联电耦接至绕组414，且还电耦接至地。双线环形双电感器410的绕组416的输入422电耦接至地。
输出420和424被配置为与容性负载串联耦接，并驱动该容性负载。容性负载(伴随双线环形双电感器410的杂散电容)被简要地表示为负载电容器444和446，负载电容器444和446分别耦接至输出420和输出424。
图4的电路被驱动，以使双线环形电感器410与负载电容444和446(伴随双线环形双电感器410的杂散电容)产生谐振。采用高频信号和与负载电容444和446谐振的双线环形电感器410，低压电源被用于在双线环形双电感器410的输出420和424产生高频的较高电压。因此，阻抗匹配串联谐振电路448提供低功率、高频电压升压。双线环形电感器410被配置，以使绕组间电容提供串联谐振和大的电压升压。
在一个实施方式中，提供了反馈设备，如示出的缠绕至双线环形双电感器410的小型反馈绕组450(例如1匝)。反馈绕组450与有源设备434电耦接。因此，RF发生器电路425将自激振荡，且可以以谐振频率被驱动。这为有效的RF发生器电路425提供支持。
在一个实施方式中，二极管456防止NMOS场效应晶体管的寄生体二极管(parasitic body diode)钳位(clamping)和限制驱动包括双线环形双电感器410的串联谐振电路448的初始电压摆动。另外，二极管456允许施加到串联谐振电路448的电压摆动向负值(swing negative)，给串联谐振电路448更大的输出。
图5示出了RF发生器电路525的另一个实施方式，RF发生器电路525包括如示出的双线环形双电感器510的自谐振双电感器。提供了如在图5中示出的低电压DC电源526的电源。DC电源526与变压器558电耦接。变压器558包括两个输出560和562。
还提供了如在图5中示出的晶体管534和564的两个有源设备。晶体管534在其输入536接收驱动信号。晶体管534的源极电耦接至地。晶体管534的输出538和变压器560的输出560电耦接至第一电容器540和双线环形双电感器510的绕组514的输入518。第一电容器540与绕组514并联电耦接，且还电耦接至地。
晶体管564也在其输入566接收驱动信号。晶体管564的源极电耦接至地。晶体管564的输出568和变压器558的输出562电耦接至第二电容器542和双线环形双电感器510的绕组516的输入522。第二电容器542与绕组516并联电耦接，且还电耦接至地。
绕组514和516的输出520和524被配置为与容性负载串联耦接，并驱动该容性负载。容性负载(伴随双线环形双电感器510的杂散电容)被简要地表示为负载电容544和546，负载电容544和546分别耦接至输出420和输出424。
图5的电路被驱动，以使双线环形双电感器510与负载电容544和546(伴随双线环形双电感器510中的任何杂散电容)谐振。采用高频信号和与负载电容544和546谐振的双线环形电感器510，低压电源被用于在双线环形双电感器510的输出520和524产生高频的较高电压。因此，阻抗匹配串联谐振电路548提供低功率、高频电压升压。双线环形电感器510被配置，以使绕组间电容提供串联谐振和大的电压升压。
一些应用可能需要高频、高压波形，诸如通过上述RF发生器电路的实施方式产生的那些波形。例如，诸如在美国专利申请公开No.2011/0300638中描述的那些离子调节器(ion modifier)可以利用高频波形，该美国专利申请已转让给本申请的受让人，并且全部引入本文作为参考。如本文描述的RF发生器电路的实施方式可以被用于提供高频波形给这类离子调节器。此外，产生高频波形的RF发生器电路的实施方式可以用于各种其他应用。
本文公开的包括串联谐振电路的RF发生器的实施方式可以以高频(例如，至少几MHz)提供高输出电压，其中该串联谐振电路包括双线环形双电感器。双线环形双电感器虽然具有小的尺寸和低辐射磁场，但可以提供所需的谐振频率。此外，双线环形双电感器的绕组之间的杂散电容可以提供自谐振。另外，在一个实施方式中，双线环形双电感器不需要气隙，提供紧密耦合，并且是简单的结构。环形芯体可以包括不需要是圆形的任何环形，例如，可以是正方形、椭圆形、矩形或任何其他闭合形状。在一个实施方式中，环形芯体包含环形线圈(toroid)的形状。
尽管每个实施方式中的有源设备被示出为NMOS场效应晶体管，但在其他实施方式中，任何其他合适的晶体管(诸如，PMOS FET型、JFET型、BJT型等)被使用。另外，任何其他合适的有源设备(诸如电压控制的阻抗)可以被使用。
公开的对应于上述实施方式的反馈设备和二极管可以在本文公开的任何实施方式中协同使用。
虽然自谐振双电感器被示出为双线环形双电感器，但在其他实施方式中，其他合适类型的自谐振双电感器被使用。
在实施方式中，提供了一种提供射频信号的RF电路，该电路包括：双电感器，包括：包括输入和输出的一个绕组和包括输入和输出的另一个绕组；其中，一个绕组和另一个绕组被布置以在该一个绕组和另一个绕组之间提供用于确定射频信号的频率所选择的寄生电容；以及，其中绕组的输出被配置为电耦接至容性负载。一个绕组和所述另一个绕组能够在空间上被布置，以使所选择的寄生电容和双电感器的电感提供具有RF谐振频率的谐振电路。例如，通过双电感器的电感和所选择的寄生电容提供的谐振频率可以是至少0.5MHz，或者至少1MHz，或者至少3MHz。在一些可能性下，通过双电感器的电感和所选择的寄生电容提供的谐振频率可以小于15MHz，或者小于50MHz。绕组的空间布置可以包括选择绕组的长度以及绕组间的间隔和/或在绕组上的任何涂层的介电常数。在实施方式中，RF电路还包括容性负载且所选择的寄生电容、容性负载和双电感器的电感协作以提供具有RF谐振频率的谐振电路。容性负载可以包括离子迁移(mobility)光谱仪的离子调节器。
双电感器可以包括其上缠绕有绕组的铁素体或铁粉芯体。芯体可以被布置在闭环形状中，诸如环形线圈。在一些实施方式中，也可以不使用芯体或者使用非磁性芯体。
附图显示了在图2中的电容器244、246，在图3中的电容器344、346，在图4中的电容器444、446。这些电容器是双电感器的绕组之间的分布式电容的表达和耦接在绕组的输出之间的负载的任何电容。它们并不旨在指示实际的电容器。因此，可以理解的是，在附图中的表示仅是示例性的，且多数的电容实际上在绕组的输出之间，而不是在每个输出和地之间。在一些可能性下，电容器可以在图2中的244、246指示的位置、图3中344、346指示的位置、图4中444、446指示的位置被加入，以协调电路。
在实施方式中，提供了一种用于离子迁移光谱仪的离子调节电路，该离子调节电路包括：离子调节器，用于使在离子迁移光谱仪的漂移管中的离子受制于射频电场；以及双电感器，包括：包括输入和输出的一个绕组和包括输入和输出的另一个绕组；其中，一个绕组和另一个绕组被布置以在该一个绕组和另一个绕组之间提供寄生电容，且绕组的输出被耦接至离子调节器，其中双电感器的寄生电容基于双电感器的电感和离子调节器的电容被选择，以提供具有RF谐振频率的谐振电路。在实施方式中，谐振频率是至少3MHz，且在该实施方式的一些示例中，谐振频率小于15MHz。该谐振电路可以包括本文描述的任何电路的特征。
离子调节器可以包括第一电极和第二电极，其中电极被配置为跨越漂移管布置，用于使在漂移管中的离子受制于电极间的射频电场。
在实施方式中，一个绕组和另一个绕组被布置，以使在该一个绕组中的交流电流在另一个绕组中引起反相的交流电流。
在描述本发明的上下文(特别是权利要求的内容)中，使用的术语“一”、“一个”、“所述”和类似的指代将被解释为包括单数和复数，除非本文另有指示或者上下文明显矛盾。术语“包含”、“具有”、“包括”和“含有”将被解释为开放式术语(即，意思是“包括，但不限于”)，除非另有标注。本文中数值的范围的详述仅旨在充当个别涉及每个落入范围内的单独数值的简写(shorthand)方法，除非本文另有指示，且每个单独数值并入说明书中，如同其在本文中个别列举的。本文描述的所有方法能够以任何合适的顺序执行，除非本文另有指示或者上下文明显矛盾。本文提供的任何或所有示例的使用，或者示例性语言(如，“诸如”)仅旨在更好地阐明本发明，且并不构成本发明的限制范围，除非另有要求。说明书中的任何语言不应被解释为指示任何未要求保护的元素作为本发明的实践的要素。
虽然参考了放大器和放大元件，但并不旨在将放大器或放大元件限制为单个元件。相反，可以设想，在一些实施方式中的这些术语可以包含包括多个元件、集成电路、或者任何适于放大的其它布置的电路。术语“杂散电容”和“寄生电容”在本文可互换使用，其涉及与彼此接近的排列电荷载流导体相关联的固有电容。
在本文中描述了本发明的优选实施方式，包括发明人已知的用于实施本发明的最佳模式。根据阅读前面的描述，这些优选实施方式的变型对本领域的普通技术人员来说可以是显而易见的。发明人期望本领域技术人员采用这些适当的变型，并且发明人希望本发明以不同于本文的特定描述被实施。因此，本发明包括适用法律允许的所附权利要求描述的主题的所有修改和等同。此外，在所有可能的变化中，本发明包含上述元素的任何组合，除非本文另有指示或上下文明显矛盾。
虽然本发明已经以特定语言描述了结构特征和/或方法行为，但是应该理解的是，所附权利要求定义的本发明不必限于所描述的结构特征或行为。相反，结构特征和行为被公开作为实施所要求保护的发明的示例性形式。

Claims (11)

1.一种用于提供射频信号的RF电路，所述RF电路包含：
双电感器，包括一个绕组和另一个绕组，所述一个绕组包括输入和输出，所述另一个绕组包括输入和输出；
其中所述一个绕组和所述另一个绕组被布置以在所述一个绕组和所述另一绕组之间提供寄生电容；
其中所述一个绕组和所述另一个绕组在空间上被布置，以使所选择的寄生电容和所述双电感器的电感提供具有RF谐振频率的谐振电路；以及
其中所述一个绕组的所述输出和所述另一个绕组的所述输出被配置为电耦接至容性负载。
2.根据权利要求1所述的RF电路，该RF电路还包含所述容性负载，且其中所选择的寄生电容、所述容性负载和所述双电感器的所述电感提供具有RF谐振频率的谐振电路。
3.根据权利要求1或2所述的RF电路，其中所述双电感器包含铁素体或铁粉芯体。
4.根据权利要求3所述的RF电路，其中所述芯体是闭环形状，且所述一个绕组和所述另一个绕组缠绕在所述芯体上。
5.根据权利要求1、2和4中任一项所述的RF电路，其中所述一个绕组和所述另一个绕组被布置，以使在所述一个绕组中的交流电流在所述另一个绕组中引起反相的交流电流。
6.根据权利要求2所述的RF电路，其中所述容性负载包含离子迁移光谱仪的离子调节器。
7.一种用于提供射频信号的RF电路，该RF电路包含：
双电感器，包括环形芯体、在所述环形芯体上的一个绕组和在所述环形芯体上的另一个绕组，所述一个绕组包括输入和输出，所述另一个绕组包括输入和输出；
一个电容器，电耦接至所述一个绕组的输入，并与所述一个绕组并联；
另一个电容器，电耦接至所述另一个绕组的输入，并与所述另一个绕组并联；
其中所述一个绕组的所述输出和所述另一个绕组的所述输出被配置为电耦接至容性负载，
其中所述双电感器被配置为提供从电路输入至所述两个绕组的所述两个输出的电压升压；以及
其中所述双电感器被配置为使电流以相反方向流过所述双电感器的所述两个绕组。
8.根据权利要求7所述的RF电路，该电路还包括：
容性负载，与所述双电感器的所述两个绕组的所述两个输出电耦接；
其中所述电路和所述容性负载形成谐振电路。
9.根据权利要求7或8所述的RF电路，其中所述环形芯体不包括气隙。
10.根据权利要求7或8所述的RF电路，该电路与提供信号的有源设备耦接；
其中所述电路在所述两个绕组的所述两个输出提供升高的电压的信号。
11.根据权利要求7或8所述的RF电路，其中所述一个电容器和所述另一个电容器包含所述容性负载和所述双电感器的杂散电容。
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