具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
为简化描述,在下述各实施例的说明中,是将氮化镓高电子迁移率电子晶体管称之为GaNHEMT、将氮化镓高电子迁移率电子晶体管偏置电路称之为GaNHEMT偏置电路进行说明。
图1为本发明GaNHEMT偏置电路第一实施方式的结构示意图。
如图1所示,本实施方式的GaNHEMT偏置电路,可包括:第一接地电容组A11、第一变压器A12、第二变压器A13、漏压开关A14和栅压产生与控制电路A15,其中,第一接地电容组A11、第一变压器A12的输入端、漏压开关A14的第一输入端与外部电压输入端连接,第二变压器A13的输入端、栅压产生与控制电路A15的第一输入端与第一变压器A12的输出端连接,第二变压器A13的输出端与栅压产生与控制电路A15的第二输入端连接,漏压开关A14的输出端与GaNHEMT的漏极、栅压产生与控制电路A15的第三输入端连接,漏压开关A14的第二输入端与栅压产生与控制电路A15的第一输出端连接,栅压产生与控制电路A15的第二输出端、栅压产生与控制电路A15的第四输入端与GaNHEMT的栅极连接。
对于第一电容组A11,可包括一个或多个大容值电容(一般为100uF以上容值)、射频滤波电容,并联后与外部输入电压VEXT连接,其作用为一方面进行低频滤波,另一方面储能。利用电容电压不能突变的原理,在掉电、VEXT失效时,仍能够维持栅压产生与控制电路A15、漏压开关A14正常工作,确保电路仍能够提供正确的掉电时序功能。
在一个实施例中,该GaNHEMT偏置电路还可以包括:第三变压器A19,第三变压器A19连接于第一变压器A12的输出端与栅压产生与控制电路A15的第一输入端之间。作用可为:由于VEXT电压比较大,从器件选型容易性考虑,可以将第一变压器A12的输出电压进一步变压。
在一个实施例中,对于第一变压器A12,从功能原理讲,使用第一变压器A12把大电压的VEXT变化成小电压V1给第二变压器A13和第三变压器A19供电。由第二变压器A13产生负电压、第三变压器A19产生正电压给栅压产生与控制电路A15使用。
在一个实施例中,对于第二变压器A13,可采用开关电源方式实现,由于VEXT电压比较大,从器件选型容易性考虑使用了两级电压变化器:第一变压器A12和第二变压器A13。
进一步地,如图1所示,本实施例的GaNHEMT偏置电路还可以包括:第二接地电容组A16,第二接地电容组A16与第一变压器A12的输出端连接。第二接地电容组A16的设置可起到如下作用:首先,可作为第一变压器A12的输出滤波电容;其次,作为第二变压器A13的输入滤波电容;最后,储存电能,在掉电、外部输入电压VEXT失效时,第二接地电容组A16放电维持栅压产生与控制电路A15正常工作。
进一步地,所述GaNHEMT偏置电路,还可包括:栅极偏置滤波网络A18,栅极偏置滤波网络A18连接于栅压产生与控制电路A15的第二输出端与GaNHEMT的栅极之间。通过栅极偏置滤波网络A18的设置,可以实现对栅压产生于控制电路A15输出的电压进行滤波和存储,确保GaNHEMT的栅极的电压始终是稳定值。
更进一步地,所述的GaNHEMT偏置电路,还可包括:漏极偏置滤波网络A17,漏极偏置滤波网络A17连接于漏压开关A14的输出端与GaNHEMT的漏极之间。作用可为:当GaNHEMT的栅极电压被拉低至夹断电压以下之后,漏极偏置滤波网络A17对第一变压器A12供电而放电。漏极偏置滤波网络A17的设置,结合第一接地电容组A11、第二接地电容组A16,可在放电时使得栅压产生与控制电路A15正常工作,直至VEXT接近0V。
更进一步地,所述GaNHEMT偏置电路,还可包括:第一电阻Rg,第一电阻Rg连接于栅极偏置滤波网络A18与GaNHEMT的栅极之间。第一电阻Rg的设置,使得栅极偏置滤波网络A18通过高阻线连接到GaNHEMT的栅极,以进一步确保GaNHEMT的栅极的电压始终是稳定值。
图2为本发明GaNHEMT偏置电路第二实施方式的结构示意图。
如图2所示,本实施方式的GaNHEMT偏置电路,可包括:第一接地电容组A11、第一变压器A12、第二变压器A13、漏压开关A14和栅压产生与控制电路A15,其中,第一接地电容组A11、第一变压器A12的输入端、漏压开关A14的第一输入端与外部电压输入端连接,第二变压器A13的输入端、栅压产生与控制电路A15的第一输入端与第一变压器A12的输出端连接,第二变压器A13的输出端与栅压产生与控制电路A15的第二输入端连接,漏压开关A14的输出端与GaNHEMT的漏极、栅压产生与控制电路A15的第三输入端连接,漏压开关A14的第二输入端与栅压产生与控制电路A15的第一输出端连接,栅压产生与控制电路A15的第二输出端、栅压产生与控制电路A15的第四输入端与GaNHEMT的栅极连接。
对于第一接地电容组A11,为一接地电容组,另一端连接到外部电压输入端,同时由于第一变压器A12的输入端、漏压开关的第一输入端也与外部电压输入端连接,从而连接到GaNHEMT偏置电路中。
在一个实施例中,第一接地电容组A11可包括电容C3-电容C8,电容C3-电容C8可为大容值电容(一般为100uF以上容值)、射频滤波电容。大电容的作用为:进行低频滤波和储能。利用电容电压不能突变的原理,在掉电、VEXT失效时,仍能够维持GaNHEMT偏置电路正常工作,确保电路仍能够提供正确的掉电时序功能。
对于第一变压器A12,为输出电压可调的电压变化器,连接于第一接地电容组A11与第二变压器A13之间。
在一个实施例中,第一变压器A12可包括集成器U1、电阻R2、电阻R4和电容C10,其中,电容C10为接地电容,另一端连接于集成器U1的输入端VIN,电阻R2连接于集成器U1的输出端VOUT与集成器U1的调节端ADJ之间,电阻R4一端连接集成器U1的调节端ADJ,另一端接地。可通过调节电阻R2和电阻R4的值来调节输出电压值。
由于大功率GaNHEMT的漏极工作电压一般都是+28V或+48V,而栅压产生与控制电路A15的正工作电压值要求较低,一般+3V就能正常工作,所以第一变压器A12要求具有宽输入电压范围,在另外一个实施例中,第一变压器A12也可以使用两个+DC/+DC电压变化器串联实现。宽输入电压范围的第一变压器A12可以使在掉电、VEXT失效时,仍能通过第一接地电容组A11的电容放电正常工作,提供稳定的V1、V2维持栅压产生与控制电路正常工作,确保掉电时序正确。
对于第二变压器A13,可采用开关电源方式实现,第二变压器A13连接于第一变压器A12与栅压产生与控制电路A15之间。
在一个实施例中,第二变压器A13可包括开关电源芯片U2、电阻R1、电阻R3、电容C1、电容C2、电容C11、电感L1和二极管V1。开关电源芯片U2的VIN端连接第一变压器A12的输出端,BOOT端通过电容C1、电感L1接地,PH端连接在电感L1和电容C1之间,VSENSE端连接PH端,NC端、ENA端和GND端空接。电容C11连接在开关电源芯片U2的VIN端和第二变压器A13的输出端之间,二极管V1的正极连接第二变压器A13的输出端,二极管V1的负极连接开关电源芯片U2的PH端,电容C2的正极接地,负极接第二变压器A13的输出端,电阻R1为接地电阻,另一端连接开关电源芯片U2的VSENSE端,电阻R3连接于开关电源芯片U2的VSENSE端与第二变压器A13的输出端之间。
对于漏压开关A14,在一个实施例中,漏压开关A14可包括,P沟道场效应晶体管K2和二极管D1,P沟道场效应晶体管K2的栅极与栅压产生与控制电路A15的第一输出端连接,源极与栅压产生与控制电路A15的第三输入端连接,漏极与第一变压器A12的输入端连接,二极管D1的正极与P沟道场效应晶体管K2的源极连接,负极与P沟道场效应晶体管K2的漏极连接。
进一步地,漏压开关A14还可包括电阻R6和电阻R9,其中,电阻R6连接于P沟道场效应晶体管K2的栅极和漏极之间,电阻R9连接于栅压产生与控制电路A15与P沟道场效应晶体管K2的栅极之间,电阻R6和电阻R9可起到保护电路的作用。
经过第一接地电容组A11的电压VEXT1一路通过漏压开关A14供给GaNHEMT漏极,另一路通过第一变压器A12产生栅压产生与控制电路A15用的工作电压V1。V1通过第二变压器A13产生负电压提供栅压产生与控制电路A15需要使用的负工作电压V2。
进一步地,GaNHEMT偏置电路,还可包括:第二接地电容组A16,连接于第一变压器A12和第二变压器A13之间。
在一个实施例中,第二接地电容组A16可包括电容C9、电容C12和电感L2,电容C9的正极连接第二变压器A13的输入端,负极接地,电容C12为接地电容,连接于集成器U1的输出端和调节端之间,电感L2连接于电容C9正极与第一变压器A12的输出端之间。第二接地电容组A16的作用可为:作为第一变压器A12的输出滤波电容;作为第二变压器A13的输入滤波电容;储能,在掉电、VEXT失效时,第二接地电容组A16放电维持栅压产生与控制电路正常工作。
进一步地,GaNHEMT偏置电路,还可包括:第三变压器A19,连接于第一变压器A12的输出端与栅压产生与控制电路A15的第一输入端之间。从器件选型容易性考虑,将第一变压器A12的电压进一步变压。
在一个实施例中,第三变压器A19可包括集成器U3、电容C13、C14和C15。集成器U3的输入端Vin与第一变压器A12的输出端连接,EN端连接输入端Vin,BP端通过电容C15接地,GND端接地,输出端Vout为第三变压器A19的输出端,电容C13为接地电容,另一端连接集成器U3的输入端Vin,电容C14为接地电容,另一端连接集成器U3的输出端Vout。
更进一步地,GaNHEMT偏置电路,还可包括:漏极偏置滤波网络A17,连接于漏压开关A14的输出端与GaNHEMT的漏极之间。所起作用为:结合第一接地电容组A11、第二接地电容组A16放电,放电电能供给下可使得栅压产生与控制电路A15正常工作,直至VEXT接近0V。
在一个实施例中,漏极偏置滤波网络A17可包括电容C18、C19、C20和C21,电容C18-电容C21为接地电容,并联连接于漏压开关A14的输出端与GaNHEMT的漏极之间。
更进一步地,GaNHEMT偏置电路,还可包括:栅极偏置滤波网络A18,栅极偏置滤波网络A18连接于栅压产生与控制电路A15的第二输出端与GaNHEMT的栅极之间。
优选地,栅极偏置滤波网络A18可包括电容C22、C23和C24,电容C22-电容C24为接地电容,并联连接于栅压产生与控制电路A15的第二输出端与GaNHEMT的栅极之间。
更进一步地,GaNHEMT偏置电路,还可包括:第一电阻Rg,连接于栅极偏置滤波网络A18与GaNHEMT的栅极之间。
在一个实施例中,对于栅压产生与控制电路A15,可包括:比较器U4A,比较器U4A的电源负极连接第二变压器A13输出端,电源正极连接第三变压器A19输出端,负极输入端与栅极偏置滤波网络A18连接,正极输入端接地,输出端连接漏压开关A14的第二输入端。当栅极电压为负电压且低于所述比较器预设门限值时,比较器U4A输出高电平,导致漏压开关A14开启,GaNHEMT漏压偏置连接上。
进一步的,栅压产生与控制电路A15还可包括,电阻R5、电阻R7、电阻R8、电阻R10和电容C16,其中,电阻R5连接于第二变压器A13的输出端与比较器U4A的正极输入端,电阻R7连接于比较器U4A的负极输入端与第一电阻Rg之间,电阻R8连接于比较器U4A的输出端与漏压开关A14的第二输入端之间,电阻R10为接地电阻,另一端连接比较器U4A的正极输入端,电容C16为接地电容,另一端连接漏压开关A14的第二输入端,以实现电压保护和滤波。
进一步地,栅压产生与控制电路A15还可包括:连接于漏压开关A14和比较器U4A之间的第一N沟道场效应晶体管K1,其中,第一N沟道场效应晶体管K1的漏极连接漏压开关A14的第二输入端,源极接地,栅极通过电阻R8连接比较器U4A的输出端,通过电容C16接地。比较器U4A输出的高电平,导致第一N沟道场效应晶体管K1导通,从而使得漏压开关A14开启。
进一步地,栅压产生与控制电路A15还可包括:第二N沟道场效应晶体管K3,第二N沟道场效应晶体管K3的栅极连接漏压开关A14的输出端,漏极接地,源极连接栅极偏置滤波网络A18。
更进一步地,栅压产生与控制电路A15还可包括:第一电容C17和第二电阻R11和第三电阻R12,第一电容C17连接于第二N沟道场效应晶体管K3的栅极和漏极之间,第二电阻R11连接于第二N沟道场效应晶体管K3的栅极和漏压开关A14的输出端之间,第三电阻R12连接于第二N沟道场效应晶体管K3的栅极和漏极之间。
当漏压开关A14开启连通时,漏极电压VDD通过R11对电容C17充电。选取合适的R11、C17取值,使RC充电时间长于漏压VDD的稳定时间,确保在VDD稳定后,VGS才升高自动提升至需要的栅压值。
当第一电容C17充电完成后,第二电阻R11、第三电阻R12组成的分压电路使第二N沟道场效应晶体管K3导通,VDD_FB拉低至0V。
更进一步地,栅压产生与控制电路A15还可包括:第四电阻R14、第五电阻R13、第六电阻R15和电阻RW1,第四电阻R14连接于第二N沟道场效应晶体管K3的源极与栅极偏置滤波网络A18之间,第五电阻R13连接于第二N沟道场效应晶体管K3的源极和第三变压器A19输出端之间,第六电阻R15和电阻RW1串联连接于第三变压器A19输出端和栅极偏置滤波网络A18之间。
更进一步地,栅压产生与控制电路A15还可包括:连接于第四电阻R14、第六电阻R15与栅极偏置滤波网络A18之间的放大器U4B,放大器U4B的负极输入端与第四电阻R14、第六电阻R15连接,正极输入端接地,输出端与栅极偏置滤波网络A18连接。由图2可见,U4B组成的反向放大器反馈电阻是通过高阻线直接连接到GaNHEMT栅极上,栅极电阻Rg可以看成为运算放大器U4B的一部分,VGS看做是U4B输出电压外移,从而流经R18、Rg的电流不会影响VGS,保证了不同输入功率、不同温度下VGS电压始终是稳定的预设值。
更进一步地,栅压产生与控制电路A15还可包括,电阻R18,连接于U4B输出端和GaNHEMT的栅极之间。
更进一步地,栅压产生与控制电路A15还可包括:第十电阻R22,电阻R22为U4B组成的反向放大器反馈的电阻,是通过高阻线直接连接在放大器U4B的负极输入端与GaNHEMT栅极之间。
刚加电时,由于漏极开关不导通,漏极栅压没连接上,第二N沟道场效应晶体管K3不导通。此时的栅压为:
而,VDD_FB=R14/(R13+R14)×V1_1≠0(2)
选取合适的第四电阻R14、第五电阻R13电阻值,使VGS低于GaNHEMT夹断电压。
当C17充电完成后,第二N沟道场效应晶体管K3导通,VDD_FB拉低至0V。VGS自动提升至预设的栅压值:
掉电后VDD变小,第二N沟道场效应晶体管K3关断。VDD_FB重新变为式(2)取值。VGS被拉低至夹断电压以下。
栅压产生与控制电路在漏极偏置滤波网络A17、第一接地电容组A11、电第二接地电容组A16放电电能供给下正常工作,直至VDD接近0V。
更进一步地,栅压产生与控制电路A15还可包括:温度补偿电路,温度补偿电路的输入端与第三变压器A19的输出端连接,输出端与放大器U4B的负极输入端连接。通过温度补偿电路,可以实现GaNHEMT栅压的温度补偿,使得GaNHEMT能够在不同温度条件下均稳定工作。
在一个实施例中,所述温度补偿电路可包括:NPN三极管K4、第七电阻R17、第八电阻R19和第九电阻R21,NPN三极管K4的集电极与第三变压器A19的输出端、第七电阻R17连接,第七电阻R17的另一端与放大器U4B的负极输入端连接,基极通过第八电阻R19连接NPN三极管K4的集电极,通过所述第九电阻R21连接发射极并接地。由于NPN三极管发射极正向导通电压具有负的温度系数,而电路中的VGS具有正的温度系数,与GaNHEMT栅压温补系数方向要求一致,从而通过选取合适的R17的值可以获得任意的温补系数值,实现GaNHEMT栅压的温度补偿,保持栅极静态电流稳定。
更进一步地,所述温度补偿电路可包括:电阻R16,连接于第三变压器A19与NPN三极管K4的集电极之间,起到保护电路的作用。
NPN三极管K4发射结正向导通电压具有负的温度系数,由(1)式可知,电路中的VGS具有正的温度系数,与GaNHEMT栅压温补系数方向要求一致。选取合适的R17值可以获得任意的温补系数值。
第一电阻Rg可以看成为运算放大器U4B的一部分,VGS看做是U4B输出电压外移,从而流经电阻R18、第一电阻Rg的电流不会影响VGS,保证了不同输入功率、不同温度下VGS电压始终是稳定的预设值。
图3为本发明GaNHEMT偏置电路第三实施方式的实测上电时序图。
本实施例中,依据实测上电时序图,可知满足GaNHEMT的上电时序要求。
图3说明:a)横轴为时间,单位ms,20ms/div
b)纵轴为电压,单位V。图中栅压线:1V/div,左边横线部分为0V,中间横线部分为-2.5V,右边横线部分为-1.34V;图中漏压线,20V/div,左边横线部分为0V,右边横线部分为+48V。
图4为本发明GaNHEMT偏置电路第四实施方式的实测掉电时序图。
本实施例中,依据实测掉电时序图,可知满足GaNHEMT的掉电时序要求。
图4说明:a)横轴为时间,单位ms,500ms/div
b)纵轴为电压,单位V。图中栅压线:1V/div,左边横线部分为-1.34V,中间横线部分为-2.5V,右边最高处为0V;图中漏压线,40V/div,左边横线部分为+48V,右边横线部分为0V。
图5为本发明GaNHEMT偏置电路第五实施方式的栅压随输入功率变化图。
本实施例中,是一款200W饱和功率、15dB增益GaNHEMT在常温25℃时的栅压随着RF输入功率变化图,随着输入功率的增加,GaNHEMT栅极电压并没有发生较大的变化,输出稳定的栅极电压。
图6为本发明GaNHEMT偏置电路第六实施方式的栅压随基板温度变化图。
本实施例中,随着基板温度的升高,GaNHEMT栅极电压并没有发生较大的变化,输出稳定的栅极电压。
通过本发明实施例,栅压产生与控制电路满足了GaNHEMT上、掉电时序要求,实现了GaNHEMT电路的自动上、掉电功能,避免了GaNHEMT被大电流烧毁,进而保障了使用GaNHEMT的无线通信设备正常工作。进一步地,满足在不同的输入功率、相同温度条件下,栅极电压保持稳定;同时,实现在不同的温度下,栅极电压可调,以保证静态工作点稳定,实现栅极静态电流保持稳定。所以,GaNHEMT偏置电路使GaNHEMT电路不仅可实现自动满足上、掉电时序要求,而且还能满足在不同的输入功率、不同温度条件下,GaNHEMT均能够保持稳定工作。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。