CN108933584B - 一种脉冲调制器及其驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种脉冲调制器及其驱动电路，驱动电路包括开启电控开关和截尾电控开关，开启电控开关和截尾电控开关串联设置，驱动电路中还设置有放电支路，放电支路连接开启电控开关的控制端，放电支路上串设有放电电控开关，放电电控开关的控制端连接截尾脉冲产生单元。当截尾脉冲产生单元输出驱动信号时，开启脉冲产生单元就停止输出驱动信号，放电电控开关在驱动信号的作用下导通，开启电控开关上的寄生电容就通过放电支路进行放电，就会使得维持开启电控开关导通的电平迅速变为低电平，进而使开启电控开关迅速截止，相较于传统的仅停止输出驱动信号，极大地降低了开启电控开关的截止所消耗的时间，实现开启电控开关的快速截止。

Description

一种脉冲调制器及其驱动电路

技术领域

本发明涉及一种脉冲调制器及其驱动电路。

背景技术

脉冲调制器是脉冲雷达发射机不可缺少的重要组成部分，可以产生脉冲宽度、重复频率可以调节的脉冲信号，用来控制行波管的工作。一般行波管的工作状态可以分为三种：脉冲、连续、截止。

由于雷达系统的稳定度、噪声和频谱特性等都直接与脉冲调制器的前、后沿时间、时间抖动、脉冲顶部波形、顶部降落和调制脉冲的脉冲稳定性有关，所以现代脉冲发射机对脉冲调制器波形提出了极为严格的要求。既要脉冲变压器的体积小，又要有高可靠性，各种性能指标也要达到最优。

脉冲调制器的功能框图如图1所示，能够输出截止信号、连续信号或者脉冲信号。行波管工作在截止状态时需要一个相对阴极为一定电压，比如-1200V的电压，连续时需要一个相对阴极为另一个电压，比如0V的电压，在脉冲工作状态下需要一个脉冲电压，比如-1200V到0V，而且需要脉冲宽度、脉冲频率均可调，同时上升下降沿在百纳秒级别。脉冲调制器的主要作用就是根据控制信号将输入的直流电压转化为相应的脉冲电压信号，进而控制行波管工作状态的切换。

现有的脉冲调制器存在一些缺点，电路复杂、切换速度不够快、体积大等缺点。并且，名称为《一种用于行波管发射机的宽脉冲调制器》的学术论文中公开了一种脉冲调制器的结构，包括两个控制开关，为开启电控开关和截尾电控开关，当开启电控开关导通时，行波管栅极电位迅速跃升，电控开关持续导通，当脉冲结束时，通过一个脉冲加到截尾电控开关，开启电控开关截止，截尾电控开关导通，行波管栅极的电位迅速降低，行波管停止发射电子束。但是，控制开启电控开关截止的方式只有不再为开启电控开关提供驱动脉冲，这种方式虽然也能够使开启电控开关截止，但是完全截止所消耗的时间较多，无法实现开启电控开关的快速截止。

发明内容

本发明的目的是提供一种脉冲调制器，用以解决现有脉冲调制器无法实现开启电控开关的快速截止的问题。本发明同时提供一种脉冲调制器中的驱动电路。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种脉冲调制器，包括驱动电路，所述驱动电路包括开启电控开关和截尾电控开关，所述开启电控开关的一端和截尾电控开关的一端连接，开启电控开关的控制端用于连接开启脉冲产生单元，截尾电控开关的控制端用于连接截尾脉冲产生单元，所述驱动电路中还设置有放电支路，所述放电支路连接所述开启电控开关的控制端，所述放电支路上串设有放电电控开关，所述放电电控开关的控制端用于连接所述截尾脉冲产生单元，受所述截尾脉冲产生单元的控制。

所述脉冲调制器还包括第一脉冲变压器和第二脉冲变压器，所述第一脉冲变压器的原边用于连接所述开启脉冲产生单元，所述第一脉冲变压器的副边通过单向二极管连接开启电控开关的控制端；所述第二脉冲变压器的原边用于连接截尾脉冲产生单元，所述第二脉冲变压器具有两个副边绕组，第一副边绕组连接所述截尾电控开关的控制端，第二副边绕组连接所述放电电控开关的控制端。

所述第二副边绕组的一端连接所述放电电控开关的控制端，所述放电支路的另一端连接所述第二副边绕组的另一端。

所述开启电控开关和截尾电控开关的连接点与所述开启电控开关的控制端之间连有电阻。

所述脉冲调制器包括脉冲信号产生模块，所述脉冲信号产生模块为控制芯片，所述脉冲信号产生模块包括所述开启脉冲产生单元和截尾脉冲产生单元。

所述开启电控开关、截尾电控开关和放电电控开关均为MOS管。

所述截尾电控开关的控制端连有一个电容，用于避免开启电控开关和截尾电控开关同时导通。

一种驱动电路，包括开启电控开关和截尾电控开关，所述开启电控开关的一端和截尾电控开关的一端连接，开启电控开关的控制端用于连接开启脉冲产生单元，截尾电控开关的控制端用于连接截尾脉冲产生单元，所述驱动电路中还设置有放电支路，所述放电支路连接所述开启电控开关的控制端，所述放电支路上串设有放电电控开关，所述放电电控开关的控制端用于连接所述截尾脉冲产生单元，受所述截尾脉冲产生单元的控制。

所述驱动电路还包括单向二极管，原边用于连接开启脉冲产生单元的脉冲变压器的副边通过所述单向二极管连接所述开启电控开关的控制端。

所述截尾电控开关的控制端连有一个电容，用于避免开启电控开关和截尾电控开关同时导通。

本发明提供的脉冲调制器中的驱动电路中设置有一个放电支路，放电支路上的放电电控开关由截尾脉冲产生单元控制，因此，截尾电控开关和放电电控开关由同一个控制信号驱动控制，两者能够同时导通或者同时关断。当开启电控开关导通，截尾电控开关关断时，放电电控开关关断，放电支路处于断开状态，不能实现对开启电控开关的放电，当截尾脉冲产生单元输出驱动信号时，开启脉冲产生单元就停止输出驱动信号，放电电控开关在驱动信号的作用下导通，开启电控开关上的寄生电容就通过放电支路进行放电，就会使得维持开启电控开关导通的电平迅速变为低电平，进而使开启电控开关迅速截止，相较于传统的仅停止输出驱动信号的方式来截止开启电控开关，能够极大地降低了开启电控开关的截止所消耗的时间，实现开启电控开关的快速截止。

而且，只利用一条放电支路就可实现开启电控开关的快速截止，并没有大幅度增大电路的复杂度，降低了投入成本，提高了电路可靠性。

附图说明

图1是脉冲调制器的功能示意图；

图2是脉冲调制器的控制原理示意图；

图3是脉冲信号产生电路结构图；

图4是脉冲信号产生电路的输入输出信号波形图；

图5是电压控制器的电路结构图；

图6是驱动电路结构图。

具体实施方式

脉冲调制器实施例

如图2所示，脉冲调制器的基本组成包括脉冲信号产生电路、电压控制器、脉冲变压器和驱动电路。脉冲信号产生电路用来根据输入的控制信号产生相应的脉冲信号传递给电压控制器，利用电压控制器将脉冲信号产生电路送来的脉冲信号的驱动能力增强，然后通过脉冲变压器进行隔离传输，最后控制驱动电路，利用驱动电路驱动行波管。

驱动电路中设置有开启电控开关和截尾电控开关，开启电控开关和截尾电控开关均是电控型控制开关，本实施例中，开启电控开关为开启管，截尾电控开关为截尾管，并且，开启管和截止管均以MOS管为例。开启管和截尾管串联设置，并且，该驱动电路中还设置有放电支路，放电支路连接开启管的控制端，放电支路上串设有放电电控开关，本实施例中，放电电控开关为放电开关管，并且，放电开关管也以MOS管为例。另外，放电开关管与截尾管由同一个脉冲信号控制。

以下对脉冲调制器的各组成部分进行详细说明。

脉冲信号产生电路根据输入的控制信号，本实施例以TTL电平信号为例，输出相应的控制脉冲串。脉冲信号产生电路可以是具体的电路结构，也可以是CPLD、FPGA、单片机等控制芯片，其作用是将输入的调制信号转换为所需的脉冲信号，本实施例中，脉冲信号产生电路直接利用控制芯片产生依次由电压控制器和脉冲变压器传输的脉冲信号。利用控制芯片可以更方便的控制调制器的各种工作状态和进一步的调制控制。

图3给出了一种基于CPLD的脉冲信号产生电路。

CPLD的输入为外界的调制信号mod ctrl，输出两路脉冲信号，一路是mod on，另一路是mod off，如图4所示。因此，脉冲信号产生电路可以理解为包括两个单元，分别是开启脉冲产生单元和截尾脉冲产生单元，开启脉冲产生单元用于输出脉冲信号mod on，截尾脉冲产生单元用于输出脉冲信号mod off，脉冲信号mod on最终用于控制开启管，脉冲信号mod off最终用于控制截尾管和放电开关管。所以，开启脉冲产生单元和截尾脉冲产生单元可以是同一个器件，也可以是两个独立的硬件器件，用于产生相应的驱动信号。

其中mod on检测的是mod ctrl的上升沿，脉冲1宽度为2us，脉冲2是增加的一个脉冲，用来弥补脉冲1宽度的不足。之所以这样处理是由于传递这样的脉冲串可以使得脉冲变压器的体积比较小，而如果脉冲1宽度与mod ctrl相同，则会使得脉冲变压器的体积过大。而且在后续的电路中可以利用MOS管的寄生电容使得给MOS管施加mod on的驱动信号就可以使MOS管按照mod ctrl的波形导通关断。mod off检测的是mod ctrl的下降沿，宽度为2us。

电压控制器的作用是增强脉冲信号的驱动能力，本实施例中，电压控制器的型号选择为CYDK-32，其脉冲电流非常大，所以能很好的保证上升沿。如图5所示，变压控制器N1输入mod on信号，输出连接后文中的脉冲变压器T1的原边，变压控制器N2输入mod off信号，输出连接后文中的脉冲变压器T2的原边。而且电压控制器的输入信号兼容TTL和CMOS信号。当然，作为其他的实施例，电压控制器还可以不设置。

脉冲变压器有两个作用，一是用来进行电气隔离，二是用来传递脉冲信号。当脉冲变压器传递的信号脉冲宽度越大时，脉冲变压器的体积就需要做的越大，圈数也越多。由于在后续设计时利用了MOS管的寄生参数，使得脉冲变压器传递一系列的窄脉冲就可以满足控制MOS管的要求，所以脉冲变压器的体积可以做的比较小。比如：脉冲变压器采用R12.5的铁氧体磁环，初级18圈，次级18圈。

脉冲变压器输出的脉冲信号驱动驱动电路中的MOS管，驱动电路如图6所示。

如图6所示，MOS管Q1为开启管，MOS管Q3为截尾管，MOS管Q2为放电开关管。MOS管Q1和Q3串联设置，MOS管Q1的漏极连接高压输入V+，MOS管Q3的源极连接高压输入V-，MOS管Q1和Q3的连接点为经调制后的输出VG。

脉冲变压器有两个，分别是脉冲变压器T1和T2。脉冲信号mod on经过电压控制器后输入到脉冲变压器T1的原边T1-1、T1-2，脉冲信号mod off经过电压控制器后输入到脉冲变压器T2的原边T2-1、T2-2。脉冲变压器T1具有一个副边，该副边的两端分别为T1-3和T1-4，T1-3端通过单向二极管D3和电阻R4连接MOS管Q1的控制端，即栅极。脉冲变压器T2具有两个副边，第一个副边的两端分别是T2-3和T2-4，第二个副边的两端分别是T2-5和T2-6，T2-3端通过电阻R13连接MOS管Q3的栅极，T2-5端通过电阻R10连接MOS管Q2的栅极。MOS管Q1的栅极与源极之间连接有电阻R6，本实施例中，电阻R6的阻值较大(约2M)。放电支路的一端连接MOS管Q1的栅极，另一端连接T2-6端，放电支路上串设有电阻R5，本实施例中，电阻R5的阻值很小(约2Ω)，所以，作为其他的实施例，由于线路本身就存在着一定的阻值，因此，如果线路本身电阻与电阻R5的阻值较为接近，电阻R5就无需设置。

mod on经过脉冲变压器T1隔离后，通过R4驱动MOS管Q1，由于电阻R6的阻值比较大，更重要的是，MOS管栅源之间存在寄生电容，所以在mod on的脉冲串下，MOS管Q1的栅极会一直是高电平，即可以使MOS管Q1保持导通。这样脉冲调制器的输入V+便可以通过电阻R1、R7和VG相连，这可以控制栅控行波管工作。

T2-3、T2-4和T2-5、T2-6处的信号相同，都是mod off经过脉冲变压器T2后的输出。当mod off的脉冲加在MOS管Q2上时，MOS管Q1上的寄生电容便和电阻R5和MOS管Q2形成一个放电回路进行放电，R5的阻值很小，这会使得维持MOS管Q1导通的电平迅速变为低电平，使得MOS管Q1迅速截止。同时mod off的脉冲也会作用在MOS管Q3上，使得MOS管Q3导通，然后VG则会和V-同等电位，实现迅速截尾，通过电阻R8将负偏电源送给行波管栅极，这时便可以使栅控行波管截止。另外，单向二极管D3的作用是：防止MOS管Q1的寄生电容反向向变压器T1的副边放电。

另外，由于变压器T2的两个副边绕组同时输出控制信号，那么，为了保证在将MOS管Q1中寄生电容的电量放完以使MOS管Q1截止之后，MOS管Q3再导通，即为了使MOS管Q1截止之后，MOS管Q3才导通，MOS管Q3的栅极连接有电容C8，这样的话，变压器T2的输出信号给MOS管Q3时，需要先为MOS管Q3的寄生电容和电容C8充电，那么MOS管Q3的导通时间就会有一定的延时，由于MOS管Q2没有连接电容，那么能够保证MOS管Q2先于MOS管Q3导通，进而实现MOS管Q1截止之后MOS管Q3才导通，避免出现MOS管Q1还没有截止而MOS管Q3已导通的情况。当然，为了避免电容充电时间过长，电容C8的容值通常很小。另外，作为其他的实施例，在对MOS管Q2和Q3选型时，可以刻意使MOS管Q2的寄生电容的容值小于MOS管Q3的寄生电容的容值，这样的话，即便同时给这两个MOS管导通信号，MOS管Q2也会先于MOS管Q3导通，那么，就无需设置电容C8。

另外，MPM的不同要求会有不同的电压要求，要据此选择不同的MOS管。可以选择IXYS公司的产品，比如IXTH02N250，耐压可以达到1200V，其结电容一般在几百皮法。

所以，该脉冲调制器具有以下好处：

1、利用MOS管的寄生电容使得MOS管可以在高频窄脉冲下也能一直处于一种导通状态，进而提高了驱动脉冲MOS管时传输脉冲的频率并降低了传输脉冲的宽度，减小了脉冲变压器的体积。

2、现有技术中虽然也有利用脉冲变压器传递窄脉冲的，但是它们传递过来之后又通过整形电路整形为和mod ctrl相同的波形，然后再来驱动开启管和截尾管。但是本实施例中，通过两个MOS管同时利用MOS管的寄生参数，实现了不用复杂的整形电路便可以使MOS管Q1按照mod ctrl的波形开启关断。这样做的好处是，减少电路复杂性、提高可靠性(整形电路元器件复杂不好精准的控制其整形后的波形)。同时使得前面电路可以利用数字芯片直接产生所需脉冲信号，而不需要在设计脉冲前沿形成电路和脉冲后沿形成电路。这样可以更方便的控制调制器的各种工作状态和进一步的调制控制。

3、通过利用MOS管Q1的寄生参数再加上一个MOS管Q2泄放MOS管Q1栅源电压的方式，使得只给MOS管Q1传递窄脉冲串便可使其一直导通而且要其截止时只需给MOS管Q2一个导通脉冲便可实现MOS管Q1的迅速截止，这样利用两个MOS管实现一个开启管的功能是创新之处，使MOS管Q1能够快速截止。

4、在MOS管Q3处设置了一电容，避免MOS管Q1和MOS管Q3同时导通。

驱动电路实施例

该驱动电路属于脉冲调制器的一个重要组成部分，由于其电路结构在上述脉冲调制器实施例中以给出了详细地描述，本实施例就不再具体说明。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述脉冲调制器中的驱动电路的硬件结构，本发明并不局限于上述实施例中给出的驱动电路的具体结构，只要能够满足放电功能，对上述驱动电路的任意变形也在本发明的保护范围内。并且，脉冲调制器中的其他组成部分并不限定于上述实施例，其还可以是背景技术引用的对比文件中的相关结构。

Claims (10)

1.一种脉冲调制器，包括驱动电路，所述驱动电路包括开启电控开关和截尾电控开关，所述开启电控开关的一端和截尾电控开关的一端连接，开启电控开关的控制端用于连接开启脉冲产生单元，截尾电控开关的控制端用于连接截尾脉冲产生单元，其特征在于，所述驱动电路中还设置有放电支路，所述放电支路连接所述开启电控开关的控制端，所述放电支路上串设有放电电控开关，所述放电电控开关的控制端用于连接所述截尾脉冲产生单元，所述截尾脉冲产生单元用于产生一个控制信号，所述控制信号用于驱动控制截尾电控开关和放电电控开关同时导通或同时关断。

2.根据权利要求1所述的脉冲调制器，其特征在于，所述脉冲调制器还包括第一脉冲变压器和第二脉冲变压器，所述第一脉冲变压器的原边用于连接所述开启脉冲产生单元，所述第一脉冲变压器的副边通过单向二极管连接开启电控开关的控制端；所述第二脉冲变压器的原边用于连接截尾脉冲产生单元，所述第二脉冲变压器具有两个副边绕组，第一副边绕组连接所述截尾电控开关的控制端，第二副边绕组连接所述放电电控开关的控制端。

3.根据权利要求2所述的脉冲调制器，其特征在于，所述第二副边绕组的一端连接所述放电电控开关的控制端，所述放电支路的另一端连接所述第二副边绕组的另一端。

4.根据权利要求2所述的脉冲调制器，其特征在于，所述开启电控开关和截尾电控开关的连接点与所述开启电控开关的控制端之间连有电阻。

5.根据权利要求1所述的脉冲调制器，其特征在于，所述脉冲调制器包括脉冲信号产生模块，所述脉冲信号产生模块为控制芯片，所述脉冲信号产生模块包括所述开启脉冲产生单元和截尾脉冲产生单元。

6.根据权利要求1所述的脉冲调制器，其特征在于，所述开启电控开关、截尾电控开关和放电电控开关均为MOS管。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的脉冲调制器，其特征在于，所述截尾电控开关的控制端连有一个电容，用于避免开启电控开关和截尾电控开关同时导通。

8.一种驱动电路，包括开启电控开关和截尾电控开关，所述开启电控开关的一端和截尾电控开关的一端连接，开启电控开关的控制端用于连接开启脉冲产生单元，截尾电控开关的控制端用于连接截尾脉冲产生单元，其特征在于，所述驱动电路中还设置有放电支路，所述放电支路连接所述开启电控开关的控制端，所述放电支路上串设有放电电控开关，所述放电电控开关的控制端用于连接所述截尾脉冲产生单元，所述截尾脉冲产生单元用于产生一个控制信号，所述控制信号用于驱动控制截尾电控开关和放电电控开关同时导通或同时关断。

9.根据权利要求8所述的驱动电路，其特征在于，所述驱动电路还包括单向二极管，原边用于连接开启脉冲产生单元的脉冲变压器的副边通过所述单向二极管连接所述开启电控开关的控制端。

10.根据权利要求8或9所述的驱动电路，其特征在于，所述截尾电控开关的控制端连有一个电容，用于避免开启电控开关和截尾电控开关同时导通。

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