一種高速、高壓PIN開關(guān)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

汪 亮，高火濤，譚 瑩，張華君

(武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，武漢 430072)

0 引言

PIN二極管開關(guān)具有高速、高功率的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在通信對(duì)抗、通信等電子系統(tǒng)中，代替機(jī)械式開關(guān)，承擔(dān)不同通道之間的高速切換任務(wù)[1]。小信號(hào)PIN開關(guān)的切換速度可以做到納秒級(jí)，開關(guān)頻率也可以做得很高;大功率開關(guān)由于受到驅(qū)動(dòng)器的限制，開關(guān)的切換時(shí)間往往很慢，一般達(dá)20 μs～50 μs。國外 PIN 二極管開關(guān)的研制起步早，市場(chǎng)上成熟的產(chǎn)品較多。在大功率半導(dǎo)體開關(guān)領(lǐng)域，美國Comtech PST Corp的產(chǎn)品性能比較突出，產(chǎn)品的頻率范圍涵蓋高頻、射頻和微波，產(chǎn)品功率從15 W～4 000 W不等。高頻段方面，該公司提供了一款大功率PIN二極管開關(guān)HH20-021，它的使用頻率范圍是1.5 MHz～30 MHz，輸入功率達(dá)1000 W，切換速度達(dá)50μs，開關(guān)最大工作頻率可達(dá)2 kHz。國內(nèi)PIN二極管開關(guān)的研究起步晚，市場(chǎng)上成熟的產(chǎn)品少，對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)合，需要自行設(shè)計(jì)PIN二極管收發(fā)開關(guān)，PIN開關(guān)驅(qū)動(dòng)器是高頻大功率開關(guān)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。

本文所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器對(duì)應(yīng)的天線收發(fā)開關(guān)，應(yīng)用于高頻雷達(dá)領(lǐng)域[2]，天線的工作頻率為2 MHz～30 MHz。開關(guān)要求切換速度低于10 μs，工作頻率達(dá)2 kHz，承受功率達(dá)300 W。目前，在國內(nèi)外找不到符合要求的產(chǎn)品，需要重新設(shè)計(jì)合適的開關(guān)驅(qū)動(dòng)器。

1 驅(qū)動(dòng)器電路原理與分析

驅(qū)動(dòng)器的輸入端通常接入晶體管-晶體管邏輯(TTL)控制電平(邏輯1=+5 V;邏輯0=0 V)，輸出端電壓受輸入端控制，可實(shí)現(xiàn)兩種極性的直流電壓的切換。通過開關(guān)電路的功率到電壓的換算，在開關(guān)截止時(shí)，驅(qū)動(dòng)器需要輸出240 V的反向截止電壓，在開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，驅(qū)動(dòng)器需要輸出-12 V的正向?qū)妷?。根?jù)以上要求，可以采用三極管互補(bǔ)對(duì)稱電路[3]來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)器的電路原理圖如圖1所示，TP為TTL控制信號(hào)接入點(diǎn)，B1為驅(qū)動(dòng)器輸出點(diǎn)，7404在電路中起波形整形的作用，將不規(guī)則的輸入波形整形為方波，MC1488為電平轉(zhuǎn)換器，將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS232電平(邏輯1=-3 V～-15 V;邏輯0=+3 V～+15 V)，用來驅(qū)動(dòng)下一級(jí)的三極管。在電路中Q1、Q2、Q4為耐高壓的三極管，Q3為普通三極管。當(dāng)TP為高電平時(shí)，Q1導(dǎo)通，Q2飽和，Q3和Q4截止，B1輸出240 V截止電壓;當(dāng)TP為低電平時(shí)，Q1和Q2截止，Q3和Q4飽和，B1輸出-12 V導(dǎo)通電壓。

圖1 驅(qū)動(dòng)器電路原理圖

在驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)中，三極管工作點(diǎn)非常重要，三極管是否工作在飽和區(qū)，可以通過基極電流Ib和集電極飽和電流Ic(sat)的關(guān)系來確定。硅管類的三極管發(fā)射結(jié)的導(dǎo)通電壓Vbe一般為0.6 V，當(dāng)圖1中Q2工作在飽和狀態(tài)時(shí)，設(shè)B1處接入的負(fù)載為Rc，那么Ic(sat)大小可由式(1)近似求得，Ib可由式(2)來計(jì)算。當(dāng)Ib和Ic(sat)滿足式(3)時(shí)，Q2工作在飽和區(qū)，式中β為三極管直流電流增益。實(shí)際應(yīng)用中，R3通常取10 K左右，由式(1)～式(3)可得R2的取值范圍，見式(4)，確定R2、R3的阻值后，Q2的工作點(diǎn)就可以確定了。

在電路實(shí)測(cè)過程中，本驅(qū)動(dòng)器存在兩大問題:第一，電路工作不穩(wěn)定，開關(guān)工作時(shí)帶有很明顯的電流沖擊聲，三極管Q2發(fā)熱嚴(yán)重很容易燒壞，另外驅(qū)動(dòng)器工作頻率很低，只有1 kHz左右;第二，輸出端的電平切換速度很慢，尤其反映在開關(guān)的截止時(shí)間上。要想克服以上問題，必須將電路加以改進(jìn)。

2 改進(jìn)型驅(qū)動(dòng)器電路

經(jīng)分析可知，問題一產(chǎn)生的原因是:當(dāng)TP下跳沿來臨，Q2由飽和狀態(tài)切換為截止，Q4由截止?fàn)顟B(tài)切換為飽和，因?yàn)镼2、Q4的工作電壓不對(duì)稱，它們切換狀態(tài)所需的時(shí)間不同，所以Q2在Q4飽和前還沒來得及截止，此時(shí)Q2內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生很大的電流沖擊，這種電流沖擊對(duì)電路是有害的，是造成電路不穩(wěn)定的主要原因。第二個(gè)問題產(chǎn)生的原因是:Q2由截止切換至飽和時(shí)，基極電流太小，Q2無法快速進(jìn)入飽和狀態(tài)，導(dǎo)致了驅(qū)動(dòng)器切換速度過慢。

電路的具體解決方案是:在驅(qū)動(dòng)電路前級(jí)加入延時(shí)電路，讓Q4的切換時(shí)刻滯后，這樣Q2內(nèi)部就不會(huì)有電流沖擊，從而解決電路穩(wěn)定的問題。要想調(diào)節(jié)Q2基極電流有兩種方法:方法一是調(diào)節(jié)三極管Q2基極和集電極的限流電阻，加快PN結(jié)充放電時(shí)間，縮短Q2進(jìn)入飽和所需的時(shí)間，從而改善驅(qū)動(dòng)切換速度;方法二是加入加速電容。圖2為改進(jìn)后的驅(qū)動(dòng)器電路原理圖。在實(shí)際測(cè)試中僅僅調(diào)節(jié)Q2基極和集電極的限流電阻，不能明顯改善驅(qū)動(dòng)器的切換速度，在R2上并聯(lián)一個(gè)加速電容[4]后，可以很好地改善驅(qū)動(dòng)器切換速度。

圖2 改進(jìn)后驅(qū)動(dòng)器電路原理圖

2.1 延時(shí)電路的原理

延時(shí)電路原理圖如圖2所示，電路通過RC電路實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的延時(shí)，利用二極管的單項(xiàng)導(dǎo)通特性來實(shí)現(xiàn)不同時(shí)段的延時(shí)[5]，電路中O、A、B三點(diǎn)的時(shí)延關(guān)系如圖3所示。當(dāng)O點(diǎn)上調(diào)沿來臨時(shí)，D2導(dǎo)通D1截止，此時(shí)D2和R8的并聯(lián)電阻非常小，D1與R7的并聯(lián)電阻接近R7，C2比C1的充電速度更快，B點(diǎn)比A點(diǎn)更快到達(dá)高電平。當(dāng)O點(diǎn)下降沿來臨時(shí)，D1導(dǎo)通D2截止，此時(shí)D1和R7的并聯(lián)電阻非常小，D2與R8的并聯(lián)電阻接近R8，C1比C2的充電速度更快，A點(diǎn)比B點(diǎn)更快到達(dá)高電平。

圖3 O、A、B三點(diǎn)的時(shí)序關(guān)系圖

在O點(diǎn)波形上跳沿時(shí)，根據(jù)相關(guān)電路原理，A點(diǎn)電壓變化滿足式(5)。假設(shè)初始條件VA(0)=0，可解A點(diǎn)電壓的表達(dá)式見式(6)，式中R7與C1乘積為時(shí)間常數(shù)τ1，通過改變R7或者C1，可以達(dá)到調(diào)節(jié)O點(diǎn)上升沿時(shí)刻A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的延時(shí)。同理，當(dāng)O點(diǎn)由VH跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，A點(diǎn)波形基本無時(shí)延，而VB的電壓滿足式(7)，通過調(diào)節(jié)R8或者C2，可以調(diào)節(jié)O點(diǎn)下降沿時(shí)刻B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的延時(shí)τ2。加入延時(shí)電路后，消除了Q2在狀態(tài)切換時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生的電流沖擊，從而解決了電路的穩(wěn)定性問題。

2.2 加速電路

如圖4所示，驅(qū)動(dòng)器的輸出端波形在時(shí)間上往往滯后于輸入端的控制信號(hào)，這一現(xiàn)象稱作驅(qū)動(dòng)器的脈沖響應(yīng)[4]。圖中tPLH為截止時(shí)間，tPHL為導(dǎo)通時(shí)間，它們反映了驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)速度。td為線路延時(shí)時(shí)間，通常比較小。tr與tf分別為輸出波形的上升、下降時(shí)間，它們?nèi)Q于晶體管的特征頻率fT，還與晶體管工作點(diǎn)有關(guān)。ts為存儲(chǔ)時(shí)間，由三極管存儲(chǔ)效應(yīng)引起，與晶體管工作點(diǎn)有關(guān)。在晶體管共發(fā)射極應(yīng)用時(shí)，tr、tf、ts可由式(9)～式(11)來確定。

圖4 驅(qū)動(dòng)電路的脈沖響應(yīng)

式中:k1、k2、k3是與晶體管放大系數(shù)、截止頻率有關(guān)的常數(shù);IBF為晶體管基極電流;IBR為晶體管反向基極電流;ICS為集電極電流;hFE為晶體管共射級(jí)的電流放大系數(shù)。分析可知，tr與IBF成反比，tf與IBR成反比，ts與IBR成反比與IBF成正比。要想提高驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)速度，必須合理地增大晶體管的IBF和IBR，最直接的辦法就是減小基極限流電阻。但在實(shí)際測(cè)試中，減小基極限流電阻對(duì)響應(yīng)速度的改善不是很明顯，同時(shí)基極限流電阻太小，會(huì)使晶體管工作在過飽和狀態(tài)，增大靜態(tài)功耗。面對(duì)以上問題，可以通過加速電路[6]來克服。

為了加快負(fù)載端電壓的變化率，通常會(huì)在驅(qū)動(dòng)電路中的電阻兩端并聯(lián)一個(gè)電容，這個(gè)電容稱為加速電容。如圖2所示，在電阻R2兩端并入加速電容C3后，就構(gòu)成了一個(gè)局部加速電路。當(dāng)輸入由低電平跳變到高電平時(shí)，因?yàn)殡娙輧啥穗妷翰荒芴?，電容C3將電阻R2短路，此時(shí)Q2基極會(huì)產(chǎn)生很大的正向電流，使Q2快速進(jìn)入飽和狀態(tài)。Q2飽和時(shí)，給C3充電，當(dāng)Q2截止時(shí)，基極過量的電荷可以通過電容迅速釋放，減小存儲(chǔ)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)加速作用。在狀態(tài)切換的過程中，Q2基極電流的變化如圖5所示，其中IBDC為基極靜態(tài)電流。加速電容大小和晶體管的型號(hào)以及驅(qū)動(dòng)電路工作的頻率都有關(guān)系，對(duì)于一般的晶體管來說，容量約為數(shù)十皮法至數(shù)百皮法之間，具體的容量要通過實(shí)測(cè)電路的輸出波形來確定。

圖5 Q2基極電流波形

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過加入延時(shí)電路，驅(qū)動(dòng)器可以穩(wěn)定地工作在2 kHz處。在沒有加入加速電容之前，驅(qū)動(dòng)器工作在1 kHz處的響應(yīng)速度如圖6所示，驅(qū)動(dòng)器的截止時(shí)間為 36 μs，導(dǎo)通時(shí)間為 6.8 μs，驅(qū)動(dòng)器的截止時(shí)間明顯過慢，根本就不能勝任高速PIN開關(guān)的要求。引入加速電路以后，驅(qū)動(dòng)器的截止時(shí)間明顯縮短，圖7為引入加速電路之后驅(qū)動(dòng)器的速度響應(yīng)實(shí)測(cè)結(jié)果。從圖中可以看出，驅(qū)動(dòng)器的截止速度為5.6 μs，導(dǎo)通時(shí)間為8 μs，可以很好地滿足大功率短波天線收發(fā)開關(guān)的高速要求。

圖6 未加入加速電容時(shí)開關(guān)的響應(yīng)速度

圖7 加入加速電容時(shí)開關(guān)的響應(yīng)速度

4 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)證明:加入延時(shí)電路及加速電路，可以很好地解決短波天線收發(fā)開關(guān)面臨的工作不穩(wěn)定、開關(guān)反應(yīng)速度慢等問題。在設(shè)計(jì)開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路中，要合理地選擇三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)，防止三極管工作在過飽和點(diǎn)，增加電路的靜態(tài)功耗。另外，選擇特征頻率較高的晶體管，可以提高驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)速度。本文介紹的開關(guān)驅(qū)動(dòng)器，具有較高的直流截止電壓(240 V)和快速的開關(guān)響應(yīng)速度(截止時(shí)間為5.6 μs，導(dǎo)通時(shí)間為8 μs)，可以很好地滿足大功率、高速要求的天線收發(fā)開關(guān)。

[1]顧衛(wèi)東，徐 健.高速、高壓、高頻PIN管開關(guān)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)[J].通信對(duì)抗，2005(4):45-48.Gu Weidong，Xu Jian.A design of high speed，high voltage，high frequency PIN switch driver[J].Communication Countermeasures，2005(4):45-48.

[2]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分[M].5版.北京:高等教育出版社，2006.Kang Huaguang.Electronic technology foundation for analog parts[M].5th ed.Beijing:Higher Education Press，2006.

[3]官清雄，占蠟民.一種高壓大電流PIN管開關(guān)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)[J].電訊技術(shù)，2011，51(2):102-106.Guan Qingxiong，Zhan Lamin.Design of high-voltage and high-current PIN switch driver[J].Telecommunication Engineering，2011，51(2):102-106.

[4]陳愛華，陳永任.一種PIN開關(guān)高速驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)，2006，36(4):492-494，497.Chen Aihua，Chen Yongren.Design of a high-speed driver for PIN switches[J].Microelectronics，2006，36(4):492-494，497.

[5]葉紅松，李 洋，楊 陽.一種大電流高速PIN驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微電子學(xué)，2009，39(1):81-84.Ye Hongsong，Li Yang，Yang Yang.Design and implementation of a high-current and high-speed PIN switch driver[J].Microelectronics，2009，39(1):81-84.

[6]顧穎言.PIN管控制電路功率容量的確定[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2005，27(3):60-64.Gu Yingyan.Establishing the power capability for p-i-n diode control circuits[J].Modern Radar，2005，27(3):60-64.

[7]張曉發(fā)，王 超，袁乃昌，等.UHF寬帶線性功率放大器設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2006，28(10):79-81，84.Zhang Xiaofa，Wang Chao，Yuan Naichang，et al.Design of UHF broadband linear power amplifier[J].Modern Radar，2006，28(10):79-81，84.

[8]吳世才，楊子杰，石振華.高頻地波雷達(dá)寬帶收發(fā)開關(guān)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào):理學(xué)版，2001，47(5):554-559.Wu Shicai，Yang Zijie，Shi Zhenhua. Wide-band T/R switch for HF ground wave radar[J].Journal of Wuhan University:Natural Science Edition，2001，47(5):554-559.

[9]譙 劼.大功率高隔離PIN二極管收發(fā)開關(guān)電路設(shè)計(jì)與軟件仿真研究[D].成都:電子科技大學(xué)，2011.Qiao Jie.The design and simulation of high-power and highisolation PIN T/R switch circuits[D].Chengdu:University of Electronic Science and Technology of China，2011.