問：

能否在 200 ns 內開啟或關閉 RF 源?

答：

在脈沖雷達應用中，從發(fā)射到接收操作的過渡期間需要快速開啟/關閉高功率放大器 (HPA)。典型的轉換時間目標可能小于 1 μs。傳統(tǒng)上，這是通過漏極控制來實現(xiàn)的。漏極控制需要在 28 V 至 50 V 的電壓下切換大電流。已知開關功率技術可以勝任這一任務，但會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 漏極開關相關的復雜問題。

本文提出了一種獨特但簡單的柵極脈沖驅動電路，為快速開關 HPA 提供了另一種方法，同時消除了與漏極開關有關的電路。實測切換時間小于 200 ns，相對于 1 μs 的目標還有一些裕量。其他特性包括：解決器件間差異的偏置編程能力，保護 HPA 免受柵極電壓增加影響的柵極箝位，以及用于優(yōu)化脈沖上升時間的過沖補償。

典型漏極脈沖配置

通過漏極控制開關HPA的典型配置如圖1所示。一個串聯(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換為更高電壓以使串聯(lián) FET 導通。

此配置的難點包括：

►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。

►關閉時，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 來實現(xiàn)的，對控制電路的約束隨之增加：Q1 和 Q2 絕不能同時使能。

►很多情況下，串聯(lián) FET 是 N 溝道器件。這要求控制電路產生一個高于 HPA 漏極電壓的電壓才能開啟。

控制電路的設計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。實際上，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。

推薦柵極脈沖電路

柵極驅動電路的目標是將邏輯電平信號轉換成合適的 GaN HPA 柵極控制信號。需要一個負電壓來設置適當?shù)钠�置電流，以及一個更大的負電壓來關閉器件。因此，電路應接受正邏輯電平輸入并轉換為兩個負電壓之間的脈沖。電路還需要克服柵極電容影響，提供急速上升時間，過沖應極小或沒有。

對柵極偏置設置的擔憂是，偏置電壓的小幅增加可能導致 HPA 電流的顯著增加。這就增加了一個目標，即柵極控制電路應非常穩(wěn)定，并有一個箝位器來防止受損。另一個問題是，設置所需漏極電流時，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)內可編程柵極偏置特性。

圖 2.推薦 HPA 柵極驅動電路。

圖 2 所示電路達成了所述的全部目標。運算放大器 U1 使用反相單負電源配置。利用一個精密 DAC 設置運算放大器基準電壓，以實現(xiàn) V+ 引腳上的增益。當邏輯輸入為高電平時，運算放大器箝位到負供電軌。當輸入為低電平時，運算放大器輸出接近一個小的負值，該值由電阻值和 DAC 設置決定。反相配置是故意選擇的，目的是當邏輯輸入為低電平或接地時開啟 HPA，因為邏輯低電平的電壓差異小于邏輯高電平。采用軌到軌運算放大器，它具有較大壓擺率和足夠的輸出電流驅動能力，適合該應用。

元件值選擇如下：

►R1 和 R2 設置運放增益。

►DAC 設置連同 R3 和 R4 決定運算放大器 V+ 引腳的基準電壓。C1 和 R3 針對低通濾波器噪聲而選擇。

►R5 和 R6 用于實現(xiàn)重要的箝位功能。這是因為運放的 VCC 引腳以地為基準，所以這是運放輸出的最大值。R5 和 R6 為 –5 V 電源提供一個電阻分壓器。

►R5 的不利影響是由于柵極電容，它會減慢脈沖響應。這要通過增加 C3 來補償，以實現(xiàn)陡峭的脈沖。

►C2 的值較小，用以限制運放輸出脈沖上升沿的過沖。

圖 3. 測試設置。

實測數(shù)據

用于驗證電路的測試設置如圖 3 所示。對精密 DAC、運算放大器和 HPA 使用評估板。一個脈沖發(fā)生器用于模擬 1.8 V 邏輯信號。信號發(fā)生器連續(xù)工作，利用一個輸入帶寬高于 RF 頻率的 RF 采樣示波器測量 HPA 對 RF 信號的開啟/關閉。

測試所用的元器件值參見表 1。

表 1.所用元器件值

實測開啟時間如圖 4 所示。時間標度為每格 500 ns，RF 信號的上升時間小于 200 ns。對于測量從柵極脈沖開始到 RF 脈沖上升沿結束的時間的系統(tǒng)，可以看到開啟時間約為 300 ns，這說明系統(tǒng)分配 1 μs 用于發(fā)射到接收轉換會有相當可觀的裕量。

圖 4.實測 HPA 開啟時間。

圖 5.實測 HPA 關閉時間。

實測關閉時間如圖 5 所示。時間標度同樣是每格 500 ns，下降時間明顯快于上升時間，同樣遠小于 200 ns，說明系統(tǒng)分配 1 μs 用于發(fā)射到接收轉換會有相當可觀的裕量。

布局考慮

對一個代表性布局做了尺寸研究，如圖 6 所示。柵極脈沖電路的運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，為多個發(fā)射通道提供輸入。布局研究表明，可將該電路添加到實際的低成本PWB實現(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。

結語

本文提出了一種獨特的柵極脈沖電路，并進行了 HPA 快速開/關評估。

其特性包括：

►轉換時間小于 200 ns。

►兼容任何邏輯輸入。

►通過可編程偏置消除器件間差異。

►提供箝位保護以設置最大柵極電壓。

►上升時間/過沖補償。

►尺寸支持高密度相控陣應用。

先進電子系統(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 轉換時間的相控陣應用中激增。