独特的栅极驱动应用支持高功率放大器快速开启/关闭

问：

能否在 200 ns 内开启或关闭 RF 源?

答：

在脉冲雷达应用中，从发射到接收操作的过渡期间需要快速开启/关闭高功率放大器 (HPA)。典型的转换时间目标可能小于 1 μs。传统上，这是通过漏极控制来实现的。漏极控制需要在 28 V 至 50 V 的电压下切换大电流。已知开关功率技术可以胜任这一任务，但会涉及额外的物理尺寸和电路问题。在现代相控阵天线开发中，虽然要求尽可能低的 SWaP (尺寸重量和功耗)，但希望消除与 HPA 漏极开关相关的复杂问题。

本文提出了一种独特但简单的栅极脉冲驱动电路，为快速开关 HPA 提供了另一种方法，同时消除了与漏极开关有关的电路。实测切换时间小于 200 ns，相对于 1 μs 的目标还有一些裕量。其他特性包括：解决器件间差异的偏置编程能力，保护 HPA 免受栅极电压增加影响的栅极箝位，以及用于优化脉冲上升时间的过冲补偿。

典型漏极脉冲配置

通过漏极控制开关HPA的典型配置如图1所示。一个串联 FET 开启输入HPA的高电压。控制电路需要将逻辑电平脉冲转换为更高电压以使串联 FET 导通。

此配置的难点包括：

►大电流的切换要求从大容量电容到 HPA 漏极引脚的路径是一条低电感路径。

►关闭时，漏极电容保有电荷，需要额外的放电路径。这是通过额外的 FET Q2 来实现的，对控制电路的约束随之增加：Q1 和 Q2 绝不能同时使能。

►很多情况下，串联 FET 是 N 沟道器件。这要求控制电路产生一个高于 HPA 漏极电压的电压才能开启。

控制电路的设计方法已是众所周知且行之有效。然而，相控阵系统不断期望集成封装并降低 SWaP，因此希望消除上述难点。实际上，人们的愿望是完全消除漏极控制电路。

图 1.传统 HPA 脉冲漏极配置。

推荐栅极脉冲电路

栅极驱动电路的目标是将逻辑电平信号转换成合适的 GaN HPA 栅极控制信号。需要一个负电压来设置适当的偏置电流，以及一个更大的负电压来关闭器件。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。电路还需要克服栅极电容影响，提供急速上升时间，过冲应极小或没有。

对栅极偏置设置的担忧是，偏置电压的小幅增加可能导致 HPA 电流的显著增加。这就增加了一个目标，即栅极控制电路应非常稳定，并有一个箝位器来防止受损。另一个问题是，设置所需漏极电流时，不同器件的最佳偏置电压有差异。这种差异使得人们更希望有系统内可编程栅极偏置特性。

图 2.推荐 HPA 栅极驱动电路。

图 2 所示电路达成了所述的全部目标。运算放大器 U1 使用反相单负电源配置。利用一个精密 DAC 设置运算放大器基准电压，以实现 V+ 引脚上的增益。当逻辑输入为高电平时，运算放大器箝位到负供电轨。当输入为低电平时，运算放大器输出接近一个小的负值，该值由电阻值和 DAC 设置决定。反相配置是故意选择的，目的是当逻辑输入为低电平或接地时开启 HPA，因为逻辑低电平的电压差异小于逻辑高电平。采用轨到轨运算放大器，它具有较大压摆率和足够的输出电流驱动能力，适合该应用。

元件值选择如下：

►R1 和 R2 设置运放增益。

►DAC 设置连同 R3 和 R4 决定运算放大器 V+ 引脚的基准电压。C1 和 R3 针对低通滤波器噪声而选择。

►R5 和 R6 用于实现重要的箝位功能。这是因为运放的 VCC 引脚以地为基准，所以这是运放输出的最大值。R5 和 R6 为 –5 V 电源提供一个电阻分压器。

►R5 的不利影响是由于栅极电容，它会减慢脉冲响应。这要通过增加 C3 来补偿，以实现陡峭的脉冲。

►C2 的值较小，用以限制运放输出脉冲上升沿的过冲。

图 3. 测试设置。

实测数据

用于验证电路的测试设置如图 3 所示。对精密 DAC、运算放大器和 HPA 使用评估板。一个脉冲发生器用于模拟 1.8 V 逻辑信号。信号发生器连续工作，利用一个输入带宽高于 RF 频率的 RF 采样示波器测量 HPA 对 RF 信号的开启/关闭。

测试所用的元器件值参见表 1。

表 1.所用元器件值

实测开启时间如图 4 所示。时间标度为每格 500 ns，RF 信号的上升时间小于 200 ns。对于测量从栅极脉冲开始到 RF 脉冲上升沿结束的时间的系统，可以看到开启时间约为 300 ns，这说明系统分配 1 μs 用于发射到接收转换会有相当可观的裕量。

图 4.实测 HPA 开启时间。

图 5.实测 HPA 关闭时间。

实测关闭时间如图 5 所示。时间标度同样是每格 500 ns，下降时间明显快于上升时间，同样远小于 200 ns，说明系统分配 1 μs 用于发射到接收转换会有相当可观的裕量。

布局考虑

对一个代表性布局做了尺寸研究，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 未显示出来，假定其放置在控制部分中，为多个发射通道提供输入。布局研究表明，可将该电路添加到实际的低成本PWB实现方案中，发射 RF 电路所需的额外空间极小。

图 6.物理尺寸分配。

结语

本文提出了一种独特的栅极脉冲电路，并进行了 HPA 快速开/关评估。

其特性包括：

►转换时间小于 200 ns。

►兼容任何逻辑输入。

►通过可编程偏置消除器件间差异。

►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。

先进电子系统集成度不断提高，要求缩小物理尺寸，因此可以想象，这种电路及其方法的其他变化，将开始在需要快速 HPA 转换时间的相控阵应用中激增。