一種獨(dú)特但簡(jiǎn)單的柵極脈沖驅(qū)動(dòng)電路

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(shí)間目標(biāo)可能小于1 s。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。

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 s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)間的過沖補(bǔ)償。

通過漏極控制開關(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。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：

●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。這是通過額外的FET Q2來實(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。

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)電壓來設(shè)置適當(dāng)?shù)钠?a href="http://www.ttokpm.com/tags/電流/" target="_blank">電流，以及一個(gè)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(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，過沖應(yīng)極小或沒有。

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)箝位器來防止受損。另一個(gè)問題是，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?。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(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)。這要通過增加C3來補(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沖。

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。

圖3. 測(cè)試設(shè)置。

測(cè)試所用的元器件值參見表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，這說明系統(tǒng)分配1s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，說明系統(tǒng)分配1 s用于發(fā)射到接收轉(zhuǎn)換會(huì)有相當(dāng)可觀的裕量。

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，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。

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。

作者

Peter Delos

Peter Delos 是ADI公司航空航天和防務(wù)部的技術(shù)主管。他于1990年獲得美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位(BSEE)，并于2004年獲得美國(guó)新澤西理工學(xué)院電氣工程碩士學(xué)位(MSEE)。1990年至1997年，他為美國(guó)海軍核電站計(jì)劃工作。工作內(nèi)容包括：完成海軍核電站學(xué)校官員計(jì)劃，擔(dān)任海軍潛艇基地教師，領(lǐng)導(dǎo)康涅狄格州格羅頓的海狼級(jí)潛艇的現(xiàn)場(chǎng)電氣工程師。

1997年，他接受了洛克希德馬丁公司在新澤西州穆爾斯頓的一個(gè)職位，開始了一段碩果累累的職業(yè)歷程，為多個(gè)雷達(dá)和電子戰(zhàn)計(jì)劃開發(fā)接收機(jī)/激勵(lì)器和頻率合成器。這段經(jīng)驗(yàn)包括架構(gòu)定義、詳細(xì)設(shè)計(jì)、快速原型開發(fā)、制造、現(xiàn)場(chǎng)安裝和協(xié)調(diào)多個(gè)工程專業(yè)。他的工作引領(lǐng)了相控陣接收器/激勵(lì)器從集中式架構(gòu)到陣列上數(shù)字波束合成系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。

Jarrett Liner

Jarrett Liner是ADI公司航空航天與防務(wù)部門(位于美國(guó)北卡羅來納州格林斯博羅)的RF系統(tǒng)應(yīng)用工程師，他在射頻系統(tǒng)和器件設(shè)計(jì)方面有著豐富的經(jīng)驗(yàn)。

此前，他是防務(wù)和航空航天領(lǐng)域碳化硅襯底氮化鎵放大器應(yīng)用工程師。其先前的經(jīng)歷還包括從事13年的RF IC WLAN功率放大器和前端模塊的設(shè)計(jì)與測(cè)試工作。他曾作為電子技師在美國(guó)海軍服役6年。Jarrett于2004年獲得美國(guó)北卡羅來納州農(nóng)業(yè)技術(shù)州立大學(xué)(位于北卡羅來納州格林斯博羅)電氣工程學(xué)士學(xué)位。

當(dāng)Jarrett不在實(shí)驗(yàn)室仿真電路或測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，他可能在山地上騎自行車、在健身房教授自行車課程、跑步或者在庭院與他的四個(gè)孩子追逐嬉戲。