独特的栅极驱动应用可实现高功率放大器的快速开/关

Peter Delos and Jarrett Liner

在脉冲雷达应用中，在从发射到接收操作的过渡过程中，需要快速打开/关闭高功率放大器（HPA）。典型的转换时间目标可以小于1 μs。从历史上看，这是通过排水控制来实现的。漏极控制需要在 28 V 至 50 V 的电压范围内切换大电流。这对于已知的开关电源技术是实用的，但涉及额外的物理尺寸和电路复杂性。在现代相控阵天线开发中，虽然要求尽可能低的SWaP，但希望消除与HPA漏极开关相关的并发症。

本文介绍一种独特而简单的栅极脉冲驱动电路，它为快速打开/关闭HPA提供了一种替代方法，并消除了漏极开关所涉及的电路。测得的开关时间小于200 ns，为1 μs物镜提供了裕量。其他特性包括偏置可编程性，以考虑器件间的变化，栅极钳位保护HPA免受意外栅极电压增加的影响，以及用于脉冲上升时间优化的过冲补偿。

典型漏极脉冲配置

HPA通过漏极控制开启/关闭的典型配置如图1所示。串联 FET 接通 HPA 的高压。需要控制电路将逻辑电平脉冲转换为更高的电压以接通串联FET。

此配置的复杂性包括：

大电流的开关需要从大容量存储电容到HPA漏极引脚的低电感路径。

关断时，漏极电容保持电荷，需要额外的放电路径。这是通过额外的FET Q2实现的，该FET Q1在控制电路上增加了一个约束，即Q2和Q<>永远不会同时使能。

在许多情况下，串联FET是N沟道器件。这要求控制电路产生高于HPA漏极电压的电压才能导通。

控制电路的设计方法是众所周知的，并且经过验证。然而，由于相控阵系统中对集成封装和降低SWaP的持续需求，人们希望消除这种复杂性。事实上，人们的愿望是完全消除漏极控制电路。

图1.传统的 HPA 脉冲排水配置。

建议的栅极脉冲电路

栅极驱动电路的目标是将逻辑电平信号转换为适当的GaN HPA栅极控制信号。需要负电压来设置适当的偏置电流，进一步的负电压会关闭器件。因此，电路应接受正逻辑电平输入，并转换为两个负电压之间的脉冲。该电路还需要克服栅极电容，具有急剧上升时间和最小或没有过冲。

栅极偏置设置的一个问题是，偏置电压的小幅增加会导致HPA电流显著增加。这增加了一个目标，即栅极控制电路应非常稳定，并具有防止损坏的钳位。另一个问题是器件之间最佳偏置电压的变化，以设置所需的漏极电流。这种变化增加了对系统内可编程栅极偏置功能的需求。

图2.建议的HPA栅极驱动电路。

图2所示电路实现了所有既定目标。运算放大器U1采用反相单负电源配置。精密DAC用于设置V+引脚增益的运算放大器基准。当逻辑输入为高电平时，运算放大器箝位至负电源轨。当输入为低电平时，运算放大器输出接近一个小的负值，由电阻值和DAC设置决定。反相配置被特意选择在逻辑输入为低电平或地电位时打开HPA，因为逻辑低电平的电压变化小于逻辑高电平。轨到轨运算放大器具有大压摆率和足够的输出电流驱动，适合该应用。

组件值的选择如下：

R1和R2设置运算放大器增益。

DAC设置以及R3和R4决定运算放大器V+引脚上的基准电压。选择C1和R3来获得低通滤波器噪声。

R5和R6构成重要的钳位特征。发生这种情况是因为 V抄送运算放大器上的引脚以地为基准，因此这是运算放大器输出端的最大值。R5和R6为–5 V电源提供电阻分压器。

R5的一个不良影响是它减慢了栅极电容引起的脉冲响应。这可以通过添加C3来补偿，以获得尖锐的脉冲。

选择C2作为小值，以限制运算放大器输出脉冲上升沿的任何过冲。

测量数据

用于验证电路的测试设置如图3所示。评估板用于精密DAC、运算放大器和HPA。脉冲发生器用于仿真1.8 V逻辑信号。信号发生器持续导通，输入带宽高于RF频率的RF采样示波器用于测量RF信号的HPA开启/关闭。

图3.测试设置。

测试中使用的组件值列于表1中。

 

元件	值或部件号
U1	LT1803
R1	1
R2	2.7
R3	1
R4	5
R5	2.2
R6	3
C1	0.47 微法
C2	10 pF
C3	180 pF
代数转换器	LTC2666
HPA	HMC1114

 

测得的导通时间如图4所示。时间标度为每格500 ns，RF信号的上升时间低于200 ns。对于测量从栅极脉冲开始到RF脉冲结束上升沿的时序的系统，可以看到导通时间约为300 ns，这表明系统为发射到接收转换分配1 μs的裕量很大。

图4.测得的 HPA 开启时间。

图5.测得的 HPA 关断时间。

测得的关断时间如图5所示。时间尺度再次为每格500 ns，下降时间明显快于上升时间，再次远低于200 ns，这表明系统为发射到接收转换分配1 μs的裕量很大。

布局注意事项

对代表性布局进行了尺寸研究，如图6所示。栅极脉冲电路的运算放大器部分放置在通向HPA输入的RF路径附近。精密DAC未显示，假定放置在控制部分，为多个发射通道提供输入。布局研究表明，该电路可以添加到实用的低成本PWB实现中，而发射RF电路所需的额外空间最小。

图6.物理大小分配。

总结

已经提出并评估了一种独特的栅极脉冲电路，用于快速打开/关闭HPA。

功能包括：

<200 ns 转换时间。

与任何逻辑输入兼容。

用于器件间变化的可编程偏置。

提供箝位保护以设置最大栅极电压。

上升时间/过冲补偿。

尺寸支持高密度相控阵应用。

随着要求减少物理占用空间的先进电子系统的持续集成，预计该电路及其方法的变化将开始在需要快速HPA转换时间的相控阵应用中激增。

审核编辑：郭婷