如何设计一种电路让在200 ns内开启或关闭RF源？

shuszhao

能否在200 ns内开启或关闭RF源？

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 s。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 s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。

                               
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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。

                               
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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。


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。

                               
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图3. 测试设置。
测试所用的元器件值参见表1。
表1. 所用元器件值

                               
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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1s用于发射到接收转换会有相当可观的裕量。

                               
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图4. 实测HPA开启时间。

                               
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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 s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。

                               
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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。