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。
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典型漏极脉冲配置
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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。
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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。
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图6.物理大小分配。
总结
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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。
超级锂电池或将是新能源革命的里程碑，充电比加油还快
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