CN104393859A - 一种电压切换电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电压切换电路，用于控制功率放大器中栅极负偏压器件的栅极电压的快速切换。包括前、后端滤波电路以及开关电路，所述开关电路仅包括两个用于电流调节的电阻、一个P沟道的开关管和一个N沟道的开关管、以及一个用于电压调节的电位器，结构简单、元器件数量较少；通过信号控制源控制两个开关管的导通或截止以及调节电位器的阻值，使输出电压在栅极负偏压器件的截止电压和最佳工作电压之间切换；相比于现有技术，本技术方案提供的电压切换电路对功率放大器的射频性能没有影响，可实现栅极负偏压器件的栅极电压的快速切换，能够很好地实现功率放大器的发射和静噪控制，具有电压切换速度快、时延短、可靠性高、成本低廉的优势。
Description
技术领域
本发明涉及功率放大器技术领域，特别涉及一种电压切换电路。
背景技术
在通信相关系统中，功率放大器是主要的耗能单元，因此在不发射功率时，应切断功率放大器射频放大链路的电源，使其处于静噪状态；而当需要发射功率时，又要能快速加电并输出功率，尤其是在某些特殊应用中，例如反恐和无线电管理等部门，需要对某些可疑的无线电信号进行侦查、跟踪或压制，以达到电磁控制的目的。如果对象是跳频信号，系统中的功率放大器就需要在发射和静噪之间进行快速切换，以满足侦查时的低噪环境要求。
上述特殊用途中的功率放大器具有工作频率宽、输出功率大、效率高等特点，目前主要采用GaAs FET(即GaAs Field Effect Transistor，砷化镓场效应管)、LDMOS(即Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor，横向扩散金属氧化物半导体)、GaN HEMTs(即GaN High Electron Mobility Transistor,氮化镓高电子迁移率晶体管)，其中LDMOS为栅极正偏压器件，主要应用于1000MHz以下的宽带功放中，频率更高后很难实现宽带功能；而GaAs FET以及GaN HEMTs为栅极负偏压器件，工作频率很宽，能达到4～5GHz，其中GaAs FET的输出功率较低，基本在几瓦到几十瓦量级，主要用于放大器的前级，而GaN功率管由于其宽禁带、高导热、高电子密度和电子饱和速度的特点，在整个射频微波频段内具备优异的性能，可输出百瓦以上的功率，并且效率高、击穿电压高、温度稳定性好，因此在宽带功率放大器中得到越来越广泛的应用。
根据功率管的不同，功率放大器的发射和静噪控制电路是不一样的，对于GaAs FET、GaN HEMTs等栅极负偏压器件，现有方法是保持栅极电压稳定在工作点不变，在功放管漏极串联大电流的开关管，通过控制开关管的开启和断开实现功放的发射和静噪功能。如图1所示，开关管V的源级S端与输入电压源Vd IN连接，漏极D端连接栅极负偏压功率管的漏极端Vd OUT，栅极G端与电阻R1'、R'2的连接端相连，所述电阻R1'的另一端接入输入电压源Vd IN，所述电阻R'2的另一端与开关K连接；其中开关管V为大功率P沟道MOS FET开关管。当开关K闭合时，所述开关管V的栅极电压低于源级电压，所述开关管V导通，功率管漏极加电；当开关K断开时，所述开关管V的栅极电压等于源级电压，所述开关管V截止，功率管漏极电压为0。
图1所示的栅极负偏压功率管的漏极的开关电路至少具有如下缺点：
当栅极负偏压功率管的输出功率很大时，所述功率管的漏极电流可能达到10A以上，此时所述开关管的栅极的寄生电容会达到几千皮法，在开关导通和截止时由于存在寄生电容的充放电效应，导致开关管的速度较低，开关延时达到几十微秒，从而在功率放大器的高速跳频应用中影响系统的侦查和压制时间，降低系统的效能。
发明内容
本发明提供了一种电压切换电路，用于控制功率放大器中栅极负偏压器件的栅极电压的快速切换，以解决现有电路在进行电压切换时存在较长时间延迟的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供了一种电压切换电路，用于控制功率放大器中栅极负偏压器件的栅极电压的快速切换；所述电压切换电路从供电电压Vin到输出电压Vout之间依次连接有：前端滤波电路、开关电路以及后端滤波电路，所述输出电压Vout用于连接栅极负偏压器件的栅极端。其中，
所述开关电路包括电阻R1、R2，电位器RP1，P沟道的开关管V1、N沟道的开关管V2；
所述开关管V1的源极端连接信号控制源T/R，所述信号控制源T/R用于控制所述开关管V1以及所述开关管V2的导通或截止；
所述开关管V1的漏极端连接所述开关管V2的栅极端，所述开关管V1的栅极端接地；
所述开关管V2的漏极端连接所述电位器RP1的一端，所述电位器RP1的另一端接地；所述电位器RP1用于调节所述输出电压Vout的电压；
所述电阻R1和R2的一端相连，其连接端连接所述前端滤波电路的输出端；
所述电阻R1的另一端与所述开关管V1的漏极端和所述开关管V2的栅极端的连接端相连；
所述电阻R2的另一端与所述开关管V2的源级端相连，其连接端连接所述后端滤波电路的输入端。
当所述电压切换电路在静噪状态下，所述信号控制源T/R输出低电平，所述开关管V1和所述开关管V2截止，所述输出电压Vout的电压等于所述供电电压Vin的电压，以输出所述栅极负偏压器件的截止电压；
当所述电压切换电路在发射状态下，所述信号控制源T/R输出高电平，所述开关管V1和所述开关管V2导通，调整所述电位器RP1的阻值以使所述输出电压Vout输出所述栅极负偏压器件的最佳工作电压。
优选的，所述供电电压Vin设置为-5V；所述信号控制源T/R输出的低电平为0V，输出的高电平为5V。
所述电阻R1的阻值为20KΩ、所述电阻R2的阻值为200Ω，所述电位器Rp1的最大阻值为500Ω。
需要说明的是，在所述信号控制源T/R输出高电平之前，需要调整所述电位器RP1的阻值为最大值。
优选的，所述开关管V1和所述开关管V2为MOS FET金属-氧化层半导体场效晶体管。
优选的，所述电阻R1、R2，电位器RP1，开关管V1和开关管V2全部为表贴封装形式。
优选的，所述前端滤波电路包括并联的第一电容和第二电容；
所述第一电容为钽电容，其正极端接地，负极端连接所述前端滤波电路的输入端；所述第二电容为多层陶瓷电容，其一端连接在所述前端滤波电路的输出端，另一端接地。
优选的，所述后端滤波电路包括并联的第三电容和第四电容，所述第三电容的容值大于所述第四电容的容值；
所述第三电容为多层陶瓷电容，其一端连接所述后端滤波电路的输入端，另一端接地；所述第四电容为多层陶瓷电容，其一端连接在所述后端滤波电路的输出端，另一端接地。
优选的，所述栅极负偏压器件包括GaAs功率管或GaN功率管。
本发明实施例的有益效果是：本发明实施例公开的电压切换电路，包括前、后端滤波电路以及开关电路，所述开关电路仅包括两个用于电流调节的电阻、一个P沟道的开关管和一个N沟道的开关管、以及一个用于电压调节的电位器，结构简单、元器件数量较少；通过信号控制源控制两个开关管的导通或截止以及调节电位器的阻值，使输出电压在栅极负偏压器件的截止电压和最佳工作电压之间切换；相比于现有技术，本发明实施例提供的电压切换电路对功率放大器的射频性能没有影响，可实现栅极负偏压器件的栅极电压的快速切换，能够很好地实现功率放大器的发射和静噪控制，具有电压切换速度快、时延短、可靠性高、成本低廉的优势。
附图说明
图1为一种切换栅极负偏压器件的漏极电压的开关电路原理图；
图2为本发明实施例提供的电压切换电路的框图；
图3为本发明一实施例提供的电压切换电路的原理图；
图4为本发明实施例提供的电压切换电路从静噪状态转为发射状态下的时延曲线示意图；
图5为本发明实施例提供的电压切换电路从发射状态转为静噪状态下的时延曲线示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
图2为本发明实施例提供的一种电压切换电路的框图，用于控制功率放大器中栅极负偏压器件的栅极电压的快速切换。电压切换电路从供电电压Vin到输出电压Vout之间依次连接有：前端滤波电路21、开关电路22以及后端滤波电路23，即前端滤波电路21的输入端连接供电电压Vin，后端滤波电路23的输出端连接输出电压Vout，输出电压Vout用于连接栅极负偏压器件的栅极端，开关电路22位于前端滤波电路21的输出端和后端滤波电路23的输入端之间；其中栅极负偏压器件包括GaAs功率管或GaN功率管。
开关电路22包括用于电流调节的电阻R1、R2，用于电压调节的电位器RP1，P沟道的开关管V1、N沟道的开关管V2；
开关管V1的源极S端连接信号控制源T/R，信号控制源T/R用于控制开关管V1以及开关管V2的导通或截止；
开关管V1的漏极D端连接开关管V2的栅极G端，开关管V1的栅极G端接地；
开关管V2的漏极D端连接电位器RP1的一端，电位器RP1的另一端接地；电位器RP1用于调节所述输出电压Vout的电压；
电阻R1和R2的一端相连，其连接端连接前端滤波电路21的输出端；
电阻R1的另一端与开关管V1的漏极D端和开关管V2的栅极G端的连接端相连；
电阻R2的另一端与开关管V2的源级S端相连，其连接端连接后端滤波电路23的输入端。
优选的，所述开关管V1以及开关管V2为MOS FET金属-氧化层半导体场效晶体管，其成本低廉、尺寸小，整合度高的优势可以更有效的提高所述电压切换电路的效能。
在实际应用中，所述电阻R1、R2为带封装的电阻，封装形式包括金属膜封装、片式封装、表贴封装；所述电位器RP1为带封装的电位器，封装形式包括玻璃釉封装、表贴封装；所述开关管V1和开关管V2的封装形式包括贴片封装和表贴封装；制作本电路的板材为Rogers4350B或NX9255板材，各个元器件之间用敷铜线连接；其中电阻R1、R2优选0402、0603、0805表贴封装形式，电位器RP1优选3224表贴封装形式。
所述信号控制源T/R，用于控制所述开关管V1以及所述开关管V2的导通或截止，具体地：
在静噪状态下，信号控制源T/R输出低电平，开关管V1和开关管V2截止，输出电压Vout的电压等于供电电压Vin的电压；
在发射状态下，信号控制源T/R输出高电平，开关管V1和开关管V2导通，调整所述电位器RP1的阻值以使所述输出电压Vout输出所述栅极负偏压器件的最佳工作电压。
在一实施例中，电阻R1的阻值为20KΩ、R2为200Ω，所述电位器RP1的最大阻值为500Ω。这样在开关管V1和V2导通时，电阻R1能够有效控制开关管V1的漏极电流，电阻R2通过与电位器RP1的分压，能够有效控制电压切换电路的输出电流和输出电压Vout。
在另一实施例中，如图3所示，前端滤波电路21包括并联的第一电容C1以及第二电容C2，用于对供电电压Vin进行滤波。后端滤波电路23包括并联的第三电容C3和第四电容C4，其中第三电容C3的容值大于第四电容C4的容值，以便更好的对射频电路进行滤波。
其中，第一电容C1为钽电容，其正极端接地，负极端连接前端滤波电路21的输入端；由于钽电容体积小、电容量大，因此既能优化所述电压切换电路的使用空间又能有效滤除供电电压Vin的纹波电压；第二电容C2为多层陶瓷电容，其一端连接在所述前端滤波电路21的输出端，另一端接地。
第三电容C3为多层陶瓷电容，其一端连接所述后端滤波电路23的输入端，另一端接地；第四电容C4为多层陶瓷电容，其一端连接后端滤波电路23的输出端，另一端接地。
在一具体实施例中，输出电压Vout连接GaN氮化镓功率管的栅极端，GaN功率管的截止电压Vg在-4V左右，供电电压Vin的值比GaN功率的截止电压Vg低1～2V，设为-5V，以确保GaN功率管的完全截止；信号控制源T/R输出的低电平为0V，输出的高电平为5V。
在静噪状态下，信号控制源T/R输出低电平0V，开关管V1截止，此时测试点电压Vp＝Vin＝-5V，因此开关管V2截止，Vout＝Vin＝-5V，所述GaN功率管处于截止状态；
在发射状态下，信号控制源T/R输出高电平5V，开关管V1导通，此时测试点电压Vp＝5V，因而开关管V2导通，Vout为Vin通过电阻R2和电位器RP1的分压，通过调节电位器RP1的阻值调节输出电压Vout的电压，使所述GaN功率管处于最佳工作点；
通过控制信号控制源T/R输出的高低电平信号，使输出电压Vout在-5V(完全截止电压)和最佳工作点电压之间快速切换。
需要说明的是，在信号控制源T/R输出高电平之前，调整电位器RP1的阻值为最大值，避免因GaN功率管的工作电流过大而损坏。
图4与图5分别为本发明实施例提供的电压切换电路从静噪状态转为发射状态和从发射状态转为静噪状态下的时延曲线示意图，从图中可以看出，当电压切换电路从静噪状态转为发射状态时，即信号控制源T/R从0V切换到5V过程中，输出电压Vout从截止电压-5V上升至最佳工作点电压的时延约为0.5微秒；
当电压切换电路从发射状态转为静噪状态时，即信号控制源T/R从5V切换到0V过程中，输出电压Vout从最佳工作点电压下降为截止电压-5V的时延约为1微秒，远低于现有技术中所需要的几十微秒的开关时延。
综上所述，本发明实施例公开的电压切换电路，包括前、后端滤波电路以及开关电路，所述开关电路仅包括两个用于电流调节的电阻、一个P沟道的开关管和一个N沟道的开关管、以及一个用于电压调节的电位器，结构简单、元器件数量较少；通过信号控制源控制两个开关管的导通或截止以及调节电位器的阻值，使输出电压在栅极负偏压器件的截止电压和最佳工作电压之间切换；相比于现有技术，本发明实施例提供的电压切换电路对功率放大器的射频性能没有影响，可实现栅极负偏压器件的栅极电压的快速切换，能够很好地实现功率放大器的发射和静噪控制，具有电压切换速度快、时延短、可靠性高、成本低廉的优势。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种电压切换电路，用于控制功率放大器中栅极负偏压器件的栅极电压的快速切换；其特征在于，从供电电压Vin到输出电压Vout之间依次连接有：前端滤波电路、开关电路以及后端滤波电路，所述输出电压Vout用于连接栅极负偏压器件的栅极端；其中，
所述开关电路包括电阻R1、R2，电位器RP1，P沟道的开关管V1、N沟道的开关管V2；
所述开关管V1的源极端连接信号控制源T/R，所述信号控制源T/R用于控制所述开关管V1以及所述开关管V2的导通或截止；
所述开关管V1的漏极端连接所述开关管V2的栅极端，所述开关管V1的栅极端接地；
所述开关管V2的漏极端连接所述电位器RP1的一端，所述电位器RP1的另一端接地；所述电位器RP1用于调节所述输出电压Vout的电压；
所述电阻R1和R2的一端相连，其连接端连接所述前端滤波电路的输出端；
所述电阻R1的另一端与所述开关管V1的漏极端和所述开关管V2的栅极端的连接端相连；
所述电阻R2的另一端与所述开关管V2的源级端相连，其连接端连接所述后端滤波电路的输入端。
2.根据权利要求1所述的电压切换电路，其特征在于，
在静噪状态下，所述信号控制源T/R输出低电平，所述开关管V1和所述开关管V2截止，所述输出电压Vout的电压等于所述供电电压Vin的电压，以输出所述栅极负偏压器件的截止电压；
在发射状态下，所述信号控制源T/R输出高电平，所述开关管V1和所述开关管V2导通，调整所述电位器RP1的阻值以使所述输出电压Vout输出所述栅极负偏压器件的最佳工作电压。
3.根据权利要求2所述的电压切换电路，其特征在于，所述供电电压Vin设置为-5V；所述信号控制源T/R输出的低电平为0V，输出的高电平为5V。
4.根据权利要求2所述的电压切换电路，其特征在于，在所述信号控制源T/R输出高电平之前，调整所述电位器RP1的阻值为最大值。
5.根据权利要求1所述的电压切换电路，其特征在于，所述开关管V1和所述开关管V2为MOS FET金属-氧化层半导体场效应晶体管。
6.根据权利要求3所述的电压切换电路，其特征在于，所述电阻R1的阻值为20KΩ、所述电阻R2的阻值为200Ω，所述电位器RP1的最大阻值为500Ω。
7.根据权利要求1-6任一项所述的电压切换电路，其特征在于，所述电阻R1、R2，电位器RP1，开关管V1和开关管V2全部为表贴封装形式。
8.根据权利要求7所述的电压切换电路，其特征在于，所述前端滤波电路包括并联的第一电容和第二电容；
所述第一电容为钽电容，其正极端接地，负极端连接所述前端滤波电路的输入端；
所述第二电容为多层陶瓷电容，其一端连接在所述前端滤波电路的输出端，另一端接地。
9.根据权利要求8所述的电压切换电路，其特征在于，所述后端滤波电路包括并联的第三电容和第四电容，所述第三电容的容值大于所述第四电容的容值；
所述第三电容为多层陶瓷电容，其一端连接所述后端滤波电路的输入端，另一端接地；
所述第四电容为多层陶瓷电容，其一端连接在所述后端滤波电路的输出端，另一端接地。
10.根据权利要求9所述的电压切换电路，其特征在于，所述栅极负偏压器件包括GaAs功率管或GaN功率管。
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