獨(dú)特的柵極驅(qū)動應(yīng)用支持高功率放大器快速開啟/關(guān)閉

Peter Delos Jarrett Liner

摘要：提出了一種獨(dú)特但簡單的柵極脈沖驅(qū)動電路，為快速開關(guān)HPA提供了另一種方法，同時消除了與漏極開關(guān)有關(guān)的電路。實(shí)測切換時間小于200 ns，相對于1μs的目標(biāo)還有一些裕量。其他特性包括：解決器件間差異的偏置編程能力，保護(hù)HPA免受柵極電壓增加影響的柵極箝位，以及用于優(yōu)化脈沖上升時間的過沖補(bǔ)償。

關(guān)鍵詞：柵極脈沖電路；HPA；漏記開關(guān)

0 引言

在脈沖雷達(dá)應(yīng)用中，從發(fā)射到接收操作的過渡期間需要快速開啟/關(guān)閉高功率放大器（HPA）。典型的轉(zhuǎn)換時間目標(biāo)可能小于1μs。傳統(tǒng)上，這是通過漏極控制來實(shí)現(xiàn)的。漏極控制需要在28 V至50V的電壓下切換大電流。已知開關(guān)功率技術(shù)可以勝任這一任務(wù)，但會涉及額外的物理尺寸和電路問題。在現(xiàn)代相控陣天線開發(fā)中，雖然要求盡可能低的SWaP（尺寸重量和功耗），但希望消除與HPA漏極開關(guān)相關(guān)的復(fù)雜問題。

1 典型漏極脈沖配置

通過漏極控制開關(guān)HPA的典型配置如圖1所示。一個串聯(lián)FET開啟輸入HPA的高電壓，控制電路需要將邏輯電平脈沖轉(zhuǎn)換為更高電壓以使串聯(lián)FET導(dǎo)通。

此配置的難點(diǎn)包括：

1）大電流的切換要求從大容量電容到HPA漏極引腳的路徑是一條低電感路徑：

2）關(guān)閉時，漏極電容保有電荷，需要額外的放電路徑。這是通過額外的FET Q2來實(shí)現(xiàn)的，對控制電路的約束隨之增加：Q1和Q2絕不能同時使能：

3）很多情況下，串聯(lián)FET是N溝道器件。這要求控制電路產(chǎn)生一個高于HPA漏極電壓的電壓才能開啟。 控制電路的設(shè)計方法已經(jīng)很普遍。然而，相控陣系統(tǒng)不斷期望集成封裝并降低SWaP，因此，希望消除上述難點(diǎn)。實(shí)際上，人們的愿望是完全消除漏極控制電路。

2 推薦柵極脈沖電路

柵極驅(qū)動電路的目標(biāo)是將邏輯電平信號轉(zhuǎn)換成合適的GaN HPA柵極控制信號。需要一個負(fù)電壓來設(shè)置適當(dāng)?shù)钠秒娏?，以及一個更大的負(fù)電壓來關(guān)閉器件。因此，電路應(yīng)接受正邏輯電平輸入并轉(zhuǎn)換為兩個負(fù)電壓之間的脈沖。電路還需要克服柵極電容影響，提供急速上升時間，過沖應(yīng)極小或沒有。

對柵極偏置設(shè)置的擔(dān)憂是，偏置電壓的小幅增加可能導(dǎo)致HPA電流的顯著增加。這就增加了一個目標(biāo)，即柵極控制電路應(yīng)非常穩(wěn)定，并有一個箝位器來防止受損。另一個問題是，設(shè)置所需漏極電流時，不同器件的最佳偏置電壓有差異。這種差異使得人們更希望有系統(tǒng)內(nèi)可編程柵極偏置特性。

圖2所示電路達(dá)成了所述的全部目標(biāo)。運(yùn)算放大器Ul使用反相單負(fù)電源配置。利用一個精密DAC設(shè)置運(yùn)算放大器基準(zhǔn)電壓，以實(shí)現(xiàn)V+引腳上的增益。當(dāng)邏輯輸入為高電平時，運(yùn)算放大器箝位到負(fù)供電軌。當(dāng)輸入為低電平時，運(yùn)算放大器輸出接近一個小的負(fù)值，該值由電阻值和DAC設(shè)置決定。反相配置是故意選擇的，目的是當(dāng)邏輯輸入為低電平或接地時開啟HPA，因?yàn)檫壿嫷碗娖降碾妷翰町愋∮谶壿嫺唠娖?。采用軌到軌運(yùn)算放大器，它具有較大壓擺率和足夠的輸出電流驅(qū)動能力，適合該應(yīng)用。

元件值選擇如下：

1） Rl和R2設(shè)置運(yùn)放增益。

2） DAC設(shè)置連同R3和R4決定運(yùn)算放大器V+引腳的基準(zhǔn)電壓。C1和R3針對低通濾波器噪聲而選擇。

3） R5和R6用于實(shí)現(xiàn)重要的箝位功能。這是因?yàn)檫\(yùn)放的Vcc引腳以地為基準(zhǔn)，所以這是運(yùn)放輸出的最大值。R5和R6為-5V電源提供一個電阻分壓器。

4） R5的不利影響是由于柵極電容，它會減慢脈沖響應(yīng)。這要通過增加C3來補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)陡峭的脈沖。

5） C2的值較小，用以限制運(yùn)放輸出脈沖上升沿的過沖。

3 實(shí)測數(shù)據(jù)

用于驗(yàn)證電路的測試設(shè)置如圖3所示。對精密DAC、運(yùn)算放大器和HPA使用評估板。一個脈沖發(fā)生器用于模擬1.8 V邏輯信號。信號發(fā)生器連續(xù)工作，利用一個輸入帶寬高于RF頻率的RF采樣示波器測量HPA對RF信號的開啟/關(guān)閉。測試所用的元器件值參見表1。

實(shí)測開啟時間如圖4所示。時間標(biāo)度為每格500ns，RF信號的上升時間小于200 ns。對于測量從柵極脈沖開始到RF脈沖上升沿結(jié)束的時間的系統(tǒng)，可以看到開啟時間約為300 ns，這說明系統(tǒng)分配1 μs用于發(fā)射到接收轉(zhuǎn)換會有相當(dāng)可觀的裕量。

實(shí)測關(guān)閉時間如圖5所示。時間標(biāo)度同樣是每格500 ns，下降時間明顯快于上升時間，同樣遠(yuǎn)小于200ns，說明系統(tǒng)分配1 μs用于發(fā)射到接收轉(zhuǎn)換會有相當(dāng)可觀的裕量。

4 布局考慮

對一個代表性布局做了尺寸研究，如圖6所示。柵極脈沖電路的運(yùn)算放大器部分放置在通向HPA輸入的RF路徑附近。精密DAC未顯示出來，假定其放置在控制部分中，為多個發(fā)射通道提供輸入。布局研究表明，可將該電路添加到實(shí)際的低成本PWB實(shí)現(xiàn)方案中，發(fā)射RF電路所需的額外空間極小。

5 結(jié)論

本文提出了一種獨(dú)特的柵極脈沖電路，并進(jìn)行了HPA快速開/關(guān)評估。其特性包括：

1）轉(zhuǎn)換時間小于200 ns；

2）兼容任何邏輯輸入；

3）通過可編程偏置消除器件間差異：

4）提供箝位保護(hù)以設(shè)置最大柵極電壓；

5）上升時間/過沖補(bǔ)償；

6）尺寸支持高密度相控陣應(yīng)用。

先進(jìn)電子系統(tǒng)集成度不斷提高，要求縮小物理尺寸，因此可以想象，這種電路及其方法的其他變化，將開始在需要快速HPA轉(zhuǎn)換時間的相控陣應(yīng)用中激增。