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

問(wèn)：

能否在 200 ns 內(nèi)開啟或關(guān)閉 RF 源?

答：

在脈沖雷達(dá)應(yīng)用中，從發(fā)射到接收操作的過(guò)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(shí)間目標(biāo)可能小于 1 μs。傳統(tǒng)上，這是通過(guò)漏極控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。漏極控制需要在 28 V 至 50 V 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(huì)涉及額外的物理尺寸和電路問(wèn)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(wèn)題。

本文提出了一種獨(dú)特但簡(jiǎn)單的柵極脈沖驅(qū)動(dòng)電路，為快速開關(guān) HPA 提供了另一種方法，同時(shí)消除了與漏極開關(guān)有關(guān)的電路。實(shí)測(cè)切換時(shí)間小于 200 ns，相對(duì)于 1 μs 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(shí)間的過(guò)沖補(bǔ)償。

典型漏極脈沖配置

通過(guò)漏極控制開關(guān)HPA的典型配置如圖1所示。一個(gè)串聯(lián) FET 開啟輸入HPA的高電壓?？刂齐娐沸枰獙⑦壿嬰娖矫}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：

►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。

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

►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(gè)高于 HPA 漏極電壓的電壓才能開啟。

控制電路的設(shè)計(jì)方法已是眾所周知且行之有效。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。

圖 1.傳統(tǒng) HPA 脈沖漏極配置。

推薦柵極脈沖電路

柵極驅(qū)動(dòng)電路的目標(biāo)是將邏輯電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成合適的 GaN HPA 柵極控制信號(hào)。需要一個(gè)負(fù)電壓來(lái)設(shè)置適當(dāng)?shù)钠秒娏?，以及一個(gè)更大的負(fù)電壓來(lái)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(gè)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(shí)間，過(guò)沖應(yīng)極小或沒(méi)有。

對(duì)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(gè)目標(biāo)，即柵極控制電路應(yīng)非常穩(wěn)定，并有一個(gè)箝位器來(lái)防止受損。另一個(gè)問(wèn)題是，設(shè)置所需漏極電流時(shí)，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?hào)艠O偏置特性。

圖 2.推薦 HPA 柵極驅(qū)動(dòng)電路。

圖 2 所示電路達(dá)成了所述的全部目標(biāo)。運(yùn)算放大器 U1 使用反相單負(fù)電源配置。利用一個(gè)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(shí)，運(yùn)算放大器箝位到負(fù)供電軌。當(dāng)輸入為低電平時(shí)，運(yùn)算放大器輸出接近一個(gè)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(shí)開啟 HPA，因?yàn)檫壿嫷碗娖降碾妷翰町愋∮谶壿嫺唠娖健２捎密壍杰夁\(yùn)算放大器，它具有較大壓擺率和足夠的輸出電流驅(qū)動(dòng)能力，適合該應(yīng)用。

元件值選擇如下：

►R1 和 R2 設(shè)置運(yùn)放增益。

►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(duì)低通濾波器噪聲而選擇。

►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 –5 V 電源提供一個(gè)電阻分壓器。

►R5 的不利影響是由于柵極電容，它會(huì)減慢脈沖響應(yīng)。這要通過(guò)增加 C3 來(lái)補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)陡峭的脈沖。

►C2 的值較小，用以限制運(yùn)放輸出脈沖上升沿的過(guò)沖。

圖 3. 測(cè)試設(shè)置。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

用于驗(yàn)證電路的測(cè)試設(shè)置如圖 3 所示。對(duì)精密 DAC、運(yùn)算放大器和 HPA 使用評(píng)估板。一個(gè)脈沖發(fā)生器用于模擬 1.8 V 邏輯信號(hào)。信號(hào)發(fā)生器連續(xù)工作，利用一個(gè)輸入帶寬高于 RF 頻率的 RF 采樣示波器測(cè)量 HPA 對(duì) RF 信號(hào)的開啟/關(guān)閉。

測(cè)試所用的元器件值參見(jiàn)表 1。

表 1.所用元器件值

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

圖 4.實(shí)測(cè) HPA 開啟時(shí)間。

圖 5.實(shí)測(cè) HPA 關(guān)閉時(shí)間。

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

布局考慮

對(duì)一個(gè)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(lái)，假定其放置在控制部分中，為多個(gè)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。

圖 6.物理尺寸分配。

結(jié)語(yǔ)

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(píng)估。

其特性包括：

►轉(zhuǎn)換時(shí)間小于 200 ns。

►兼容任何邏輯輸入。

►通過(guò)可編程偏置消除器件間差異。

►提供箝位保護(hù)以設(shè)置最大柵極電壓。

►上升時(shí)間/過(guò)沖補(bǔ)償。

►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(shí)間的相控陣應(yīng)用中激增。