Maxim用于工业超声设备的高压方案
max4940高压数字脉冲发生器
图1给出了max4940的基本功能图，其中包括4个通道的高压数字脉冲发生器(图中只画出了4个通道中的一个)。
s1和s2开关(分别连接vpp_和vnn_)具有200v耐压和2a驱动能力。
s3开关(数据资料中称为箝位开关)具有200v耐压和1a电流驱动能力。
数字脉冲发生器可以工作在双极性和单极性应用，支持下列应用：
[vpp, vnn] = [+100v, -100v]双极性脉冲
[vpp, vnn] = [0, -200v]单极性负脉冲应用
[vpp, vnn] = [+200v, 0]单极性正脉冲应用
inp_和inn_分别控制开关s1和s2。
inc_控制开关s3 (箝位)，但也受s1和s2制约。大多数应用中，inc_不需要驱动，可以始终将其保持高电平，而只驱动器inp_和inn_。此时，每次s1和s2关闭后，s3都会激活。
图1. max4940功能框图(4个通道的其中一路)
表1. max4940真值表
max4968高压模拟开关 图2给出了max4968功能图，具有16路独立的高压模拟开关。每个开关的内部状态可通过spi™接口编程。大多数超声应用中，高压模拟开关用于实现高压复用器。 sw1a、sw1b摆幅可达vnn至vnn+ 200v。 高压模拟开关可以支持双极性和单极性应用，输入/输出电压范围可以是下列情形之一： (sw_)范围 = [+100v, -100v]双极性 (sw_)范围 = [0, -200v]单极性负脉冲 (sw_)范围 = [+200v, 0]单极性正脉冲 根据输入信号的幅度和极性，vnn可以在0v至-200v范围变化。vnn可以和脉冲发生器(发射电路)共用负电源。 vpp采用低压供电(仅为10v)。 等效ron在整个输入范围保持平坦(大约20ω)，导通电容为16pf。
图2. max4968功能框图
支持应用 maxim的高压脉冲发生器和开关采用独特设计，可以工作在双极性和单极性应用(大多数工业超声波应用为单极)。maxim的解决方案可以很好的缩小整体尺寸并简化系统，特别是在单极性应用中。下面展示了双极性和单极性发射功能图和时序图。外部干扰抑制二极管可以在一些个案中省略。
双极性脉冲
图3. max4940典型的4通道双极性数字脉冲发生电路
图4. 使用max4940和max4968双极性应用，大大简化高压供电设计
注： 为方便起见，只有两个通道连接到max4968，配置为1:2高压mux。 只需要两个高压电源(vpp，vnn)。 max4940的裸焊盘(图4没有画出)必须连接到vnn。
图5. max4940和max4968在双极性、负脉冲应用中的脉冲、开关信号波形
注：clp_始终为高电平。每个通道只需要2个控制信号，提供3电平发射。
单极性正脉冲
图6. max4940在单极性正脉冲中的应用
图7. max4940和max4968在单极性中的应用，减少对高压电源的需求
注： 只需要一个高压电源。 注意，cgn_可以直接连接到cdn_，使每个通道省去一个电容。 max4940不再需要vee(vee接地)。 信号耦合电容耐压需大于200v。 max4940的裸焊盘(未显示)需要接地。
图8. max4940和max4968在单极性正脉冲应用中的信号时序图
单极性负脉冲
图9. max4940的单极性应用
图10. max4968和max4940在单极性负脉冲中的应用，减少高压电源需求
注： 只需一路高压。 max4940的裸焊盘(未表示)需要连接vnn。 单极性正脉冲(图6和图7)架构比单极性负脉冲架构略有优势(使用更少的外部元件且裸焊盘连接至gnd可以改善散热)。
图11. max4940和max4968在单极性负脉冲应用中的信号波形
倍压驱动的btl架构 工业应用中，往往需要驱动超过200v的变送器。无损检测、流量计或其他应用，使用的变送器可能需要超过200v的脉冲驱动。
max4940可以通过桥接(btl)驱动变送器，产生相当于两倍的激励信号峰峰值。需采用两个max4940通道驱动一路变送器。激励电压可高达400vp-p。
btl配置需要使用变送器的两个电极，对于各单元公共端连接到gnd的大规模变送器阵列并不适用。
图12给出了一个典型的btl应用框图，采用单极性配置(该例中是正脉冲)。变送器的负载连接在out1_和out2_之间。图13所示为一个典型的驱动波形，激励信号的幅度可以达到2 × vpp，即400vp-p。
图12. max4940的典型桥接负载(btl)配置
图13. btl架构的典型驱动波形
并联增大驱动电流 工业应用中，有时是需要大于2a的电流驱动能力。这种高驱动能力通常用于驱动高容性负载(nf量级)，或工作在高频(例如，30mhz至40mhz)环境。可以将max4940的通道并联，以增大电流驱动(2通道 = 4a，3通道 = 6a，并依此类推)。
如图14所示，把2个通道并联驱动一个负载单元，可提供4a的单极性脉冲驱动。该图采用的是max4940，也可以对max4968进行类似配置。相关方案通用适用于双极性和单极性负脉冲应用。将通道并联，可降低输出电阻并增大驱动能力。
图14. 4a单极性正脉冲发生器
max4940也可以采用btl配置，并联通道用来驱动一个负载单元，具有400vp-p、4a驱动能力(图15)。
图15. max4940的btl结构，提供4a电流驱动
高频或低频应用 上面讨论的应用电路覆盖大多数情况，不过，还要特别考虑高、低频应用。对于低频信号( 20mhz)，往往在无损检测中用于改善轴向分辨率或发送pwm调制信号。下面讨论了这两种类型的应用。
低频( 20mhz) max4940驱动电路可以工作在高频(产生短脉冲)，如40mhz。然而，实际情况限制了电流驱动能力。
在一阶近似中，负载可以认为是纯电容(cload)。根据最大压摆率，可以得到脉冲发生器输出的峰值电流(ipeak)。公式为： slew_rate = (δv/δt)max = ipeak/ctot ctot是总负载电容，包括传感器电容、电缆电容和ic寄生电容。
现在假设工作在单极性正脉冲模式(图6)，并试图发送一个200v的单极性脉冲。例如，ctot= 400pf，则摆率限制在： (δv/δt)max = ipeak/ctot= 2a/300pf = 6.66v/ns 由此，上升和下降时间大约是： trise= tfall≈ 200v/(6.66v/ns) = 30ns 幅度为200v的最小脉冲宽度大约为60ns。
当然，双极性和单极性负脉冲也可以按同样方式计算。
按照上面介绍的方法，可以增加电路的电流驱动能力(ipeak)，并联更多通道(注意：ic寄生电容也会相应增大)，据此提高工作频率。举例来说，如图14所示的4a脉冲发生器，可以在理论上(忽略ic寄生电容)获得trise= tfall= 15ns的200v输出摆幅。 ipeak= 4a，ctot= 300pf，摆幅 = 200v最小脉冲宽度 = 30ns 其它工作模式，如双极性和单极性负脉冲，也可以采用类似途径。
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图1. max4940功能框图(4个通道的其中一路)
表1. max4940真值表
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图2. max4968功能框图
支持应用 maxim的高压脉冲发生器和开关采用独特设计，可以工作在双极性和单极性应用(大多数工业超声波应用为单极)。maxim的解决方案可以很好的缩小整体尺寸并简化系统，特别是在单极性应用中。下面展示了双极性和单极性发射功能图和时序图。外部干扰抑制二极管可以在一些个案中省略。
双极性脉冲
图3. max4940典型的4通道双极性数字脉冲发生电路
图4. 使用max4940和max4968双极性应用，大大简化高压供电设计
注： 为方便起见，只有两个通道连接到max4968，配置为1:2高压mux。 只需要两个高压电源(vpp，vnn)。 max4940的裸焊盘(图4没有画出)必须连接到vnn。
图5. max4940和max4968在双极性、负脉冲应用中的脉冲、开关信号波形
注：clp_始终为高电平。每个通道只需要2个控制信号，提供3电平发射。
单极性正脉冲
图6. max4940在单极性正脉冲中的应用
图7. max4940和max4968在单极性中的应用，减少对高压电源的需求
注： 只需要一个高压电源。 注意，cgn_可以直接连接到cdn_，使每个通道省去一个电容。 max4940不再需要vee(vee接地)。 信号耦合电容耐压需大于200v。 max4940的裸焊盘(未显示)需要接地。
图8. max4940和max4968在单极性正脉冲应用中的信号时序图
单极性负脉冲
图9. max4940的单极性应用
图10. max4968和max4940在单极性负脉冲中的应用，减少高压电源需求
注： 只需一路高压。 max4940的裸焊盘(未表示)需要连接vnn。 单极性正脉冲(图6和图7)架构比单极性负脉冲架构略有优势(使用更少的外部元件且裸焊盘连接至gnd可以改善散热)。
图11. max4940和max4968在单极性负脉冲应用中的信号波形
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图14. 4a单极性正脉冲发生器
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