作者 Peter Delos ADI公司航空航天和防务部的技能主管 Jarrett Liner ADI公司航空航天和防务部RF体系运用工程师
摘要：提出了一种共同但简略的栅极脉冲驱动电路，为快速开关HPA供给了另一种办法，一起消除了与漏极开关有关的电路。实测切换时刻小于200 ns，相关于1 μs的方针还有一些裕量。其他特性包含：处理器材间差异的偏置编程才干，维护HPA免受栅极电压添加影响的栅极箝位，以及用于优化脉冲上升时刻的过冲补偿。
0 导言
在脉冲雷达运用中，从发射到接纳操作的过渡期间需求快速敞开/封闭高功率放大器(HPA)。典型的转化时刻方针或许小于1 μs。传统上，这是经过漏极操控来完成的。漏极操控需求在28 V至50 V的电压下切换大电流。已知开关功率技能能够担任这一使命，但会触及额定的物理尺度和电路问题。在现代相控阵天线开发中，尽管要求尽或许低的SWaP(尺度分量和功耗)，但期望消除与HPA漏极开关相关的复杂问题。
1 典型漏极脉冲装备
经过漏极操控开关HPA的典型装备如图1所示。一个串联FET敞开输入HPA的高电压，操控电路需求将逻辑电平脉冲转化为更高电压以使串联FET导通。
此装备的难点包含：
1)大电流的切换要求从大容量电容到HPA漏极引脚的途径是一条低电感途径;
2)封闭时，漏极电容保有电荷，需求额定的放电途径。这是经过额定的FET Q2来完成的，对操控电路的束缚随之添加：Q1和Q2绝不能一起使能;
3)许多情况下，串联FET是N沟道器材。这要求操控电路发生一个高于HPA漏极电压的电压才干敞开。
操控电路的规划办法现已很遍及。但是，相控阵体系不断期望集成封装并下降SWaP，因而，期望消除上述难点。实践上，人们的期望是彻底消除漏极操控电路。
2 引荐栅极脉冲电路
栅极驱动电路的方针是将逻辑电平信号转化成适宜的GaN HPA栅极操控信号。需求一个负电压来设置恰当的偏置电流，以及一个更大的负电压来封闭器材。因而，电路应承受正逻辑电平输入并转化为两个负电压之间的脉冲。电路还需求战胜栅极电容影响，供给急速上升时刻，过冲应极小或没有。
对栅极偏置设置的忧虑是，偏置电压的小幅添加或许导致HPA电流的显着添加。这就添加了一个方针，即栅极操控电路应十分安稳，并有一个箝位器来避免受损。另一个问题是，设置所需漏极电流时，不同器材的最佳偏置电压有差异。这种差异使得人们更期望有体系内可编程栅极偏置特性。
图2所示电路达成了所述的悉数方针。运算放大器U1运用反相单负电源装备。运用一个精细DAC设置运算放大器基准电压，以完成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，运算放大器输出挨近一个小的负值，该值由电阻值和DAC设置决议。反相装备是成心挑选的，意图是当逻辑输入为低电平或接地时敞开HPA，因为逻辑低电平的电压差异小于逻辑高电平。选用轨到轨运算放大器，它具有较大压摆率和满足的输出电流驱动才干，适合该运用。
元件值挑选如下：
1)R1和R2设置运放增益。
2)DAC设置连同R3和R4决议运算放大器V+引脚的基准电压。C1和R3针对低通滤波器噪声而挑选。
3)R5和R6用于完成重要的箝位功用。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电源供给一个电阻分压器。
4)R5的晦气影响是因为栅极%&&&&&%，它会减慢脉冲响应。这要经过添加C3来补偿，以完成峻峭的脉冲。
5)C2的值较小，用以约束运放输出脉冲上升沿的过冲。
3 实测数据
用于验证电路的测验设置如图3所示。对精细DAC、运算放大器和HPA运用评价板。一个脉冲发生器用于模仿1.8 V逻辑信号。信号发生器接连作业，运用一个输入带宽高于RF频率的RF采样示波器丈量HPA对RF信号的敞开/封闭。测验所用的元器材值参见表1。
实测敞开时刻如图4所示。时刻标度为每格500 ns，RF信号的上升时刻小于200 ns。关于丈量从栅极脉冲开端到RF脉冲上升沿完毕的时刻的体系，能够看到敞开时刻约为300 ns，这阐明体系分配1 μs用于发射到接纳转化会有相当可观的裕量。
实测封闭时刻如图5所示。时刻标度相同是每格500 ns，下降时刻显着快于上升时刻，相同远小于200 ns，阐明体系分配1 μs用于发射到接纳转化会有相当可观的裕量。
4 布局考虑
对一个代表性布局做了尺度研讨，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途径邻近。精细DAC未显示出来，假定其放置在操控部分中，为多个发射通道供给输入。布局研讨标明，可将该电路添加到实践的低成本PWB完成计划中，发射RF电路所需的额定空间极小。
5 定论
本文提出了一种共同的栅极脉冲电路，并进行了HPA快速开/关评价。其特性包含：
1)转化时刻小于200 ns;
2)兼容任何逻辑输入;
3)经过可编程偏置消除器材间差异;
4)供给箝位维护以设置最大栅极电压;
5)上升时刻/过冲补偿;
6)尺度支撑高密度相控阵运用。
先进电子体系集成度不断提高，要求缩小物理尺度，因而能够幻想，这种电路及其办法的其他改变，将开端在需求快速HPA转化时刻的相控阵运用中激增。
本文来源于《电子产品世界》2018年第3期第73页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
