CN111478683A - 一种抑制功放电压过冲的电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制功放电压过冲的电路，包括脉冲工作模式功放、谐波抑制电路、电源滤波储能电路、过冲吸收电路，谐波抑制电路和过冲吸收电路分别连接在脉冲工作模式功放的漏极，电源滤波储能电路连接在谐波抑制电路的另一端。本发明设计了一种新型的加电电路结构，能够有效的抑制功放的漏极过冲尖峰电压，从而提升功放的可靠性。该电路结构对功放的输出匹配没有影响，能够有效的抑制二次谐波，提升功放的效率。本发明中的漏极加电电路能够有效提升功放的可靠性，适用于多个微波频段，各种功率量级的功放，具有很高的普适性。

Description

一种抑制功放电压过冲的电路

技术领域

本发明涉及一种抑制功放电压过冲的电路，属于微波功放技术领域。

背景技术

目前，脉冲调制类的功率放大器已经大量应用于相控阵雷达以及其他很多通信系统中。脉冲调制的类型有两种，一种是通过调制激励源来实现脉冲波形输出，另一种是通过外部晶体管一晶体管逻辑(TTL)信号控制功率放大器内部功率管工作状态(工作态和非工作态)的转换实现功率放大器输出功率的脉冲输出。

脉冲调制模式的功放在进行工作态和非工作态进行切换时，由于漏极加电线路上寄生电感的存在，在电流迅速下降时，会在功放的漏极产生上拉的电压过冲。电压值过高时，超过管芯工作电压的安全阈值，对功率管长期使用的可靠性会造成影响。电压叠加射频电压后，一旦超过管芯的击穿电压，则会导致管芯漏极击穿。功放在射频工作时，施加在管芯漏端的电压为射频电压，在正常工作状态时，射频电压约等于2*Vds-Vknee，其中Vknee是器件的膝点电压在5～10V左右，在射频过激励或失配工作状态时，射频电压会更高。如果存在过冲电压时，叠加上射频电压对功放造成损伤。当射频电压进入了管芯击穿曲线中的雪崩击穿区时，就会发生击穿烧毁该击穿效应为不可逆过程。

随着相控阵雷达的发展，目前脉冲调制类功放的应用需求越来越广泛，功放的功率量级越来越大，电压过冲的研究需求就变的非常迫切。整机雷达工作中功放管当电压过冲叠加上功放的射频电压时，很容易超过功放的漏极击穿电压，最终导致功放的漏源发生击穿，导致管芯烧毁。因此，在不影响功放微波性能的前提下，需要设计一种新型的加电电路，降低电压过冲，提升功放的长期可靠性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种抑制功放电压过冲的电路，能够在不影响功放微波指标的前提下，降低电压过冲，提升功放的长期可靠性。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种抑制功放电压过冲的电路，包括脉冲工作模式功放、谐波抑制电路、电源滤波储能电路、过冲吸收电路；

所述脉冲工作模式功放的栅极连接功放的输入电路，脉冲工作模式功放的源极接地，脉冲工作模式功放的漏极连接谐波抑制电路的一端，谐波抑制电路的另一端连接电源滤波储能电路的一端，电源滤波储能电路的一端还连接漏压正极，漏压负极接地，电源滤波储能电路的另一端接地，脉冲工作模式功放的漏极还连接过冲吸收电路，脉冲工作模式功放的漏极还经过RC防振荡电路后接地；

所述过冲吸收电路包括第一电感以及至少三个电容，第一电感的一端连接脉冲工作模式功放的漏极，过冲吸收电路中的所有电容并联后一端与第一电感的另一端相连，另一端接地，且过冲吸收电路中的所有电容的容值呈阶梯式排列。

作为本发明的一种优选方案，所述过冲吸收电路中的所有电容为多层陶瓷电容或钽电容。

作为本发明的一种优选方案，所述功放的输入电路包括第二电感、第一电容、第一电阻、电容模块，所述电容模块包括至少三个容值呈阶梯式排列的电容，电容模块中的所有电容并联，第一电容的一端连接脉冲工作模式功放的栅极，另一端经第一电阻后接地，第二电感的一端连接脉冲工作模式功放的栅极，另一端连接电容模块的一端，电容模块的一端还连接栅压正极，栅压负极接地，电容模块的另一端接地。

作为本发明的一种优选方案，所述谐波抑制电路为四分之一波长线或扼流电感。

作为本发明的一种优选方案，所述电源滤波储能电路包括至少三个容值呈阶梯式排列的电容，且电源滤波储能电路中的所有电容并联，并联后一端连接谐波抑制电路的另一端，并联后一端还连接漏压正极，并联后另一端接地。

作为本发明的一种优选方案，所述RC防振荡电路包括第二电容、第二电阻，所述第二电容的一端连接脉冲工作模式功放的漏极，另一端经第二电阻后接地。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明提出了一种能够抑制电压过冲的电路结构，该电路结构并未引入有源器件，电路简单可靠，在不影响功放微波性能的前提下，能够将电压过冲降低50％以上，对于脉冲调制类功放的可靠性提升具有重要的意义。

2、本发明用于给脉冲工作模式的功放漏极加电，能够抑制功放在快速关断时产生的电压尖峰，提升功放的可靠性。该电路结构设计简单，容易实现，且能够应用于各个微波频段，适用于各种类型的微波功放，具有很强的普适性。

附图说明

图1是本发明一种抑制功放电压过冲的电路的原理图。

图2是本发明一种抑制功放电压过冲的电路的版图。

图3是脉冲工作模式功放放大图。

图4是谐波抑制电路放大图。

图5是电源滤波储能电路放大图。

图6是过冲吸收电路放大图。

图7是常规加电电路版图。

图8是常规加电电路版图的电压过冲。

图9是本发明抑制过冲电路测试版图中的电压过冲。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，为电压过冲抑制电路的原理图，主要由四个部分组成，包括脉冲工作模式功放1，谐波抑制电路2，电源滤波储能电路3，过冲吸收电路4。

脉冲工作模式的功放包含了几种脉冲调制模式，功放的种类包含VDMOS、LDMOS、GaAs、GaN，功放的脉冲调制工作类型分为多种，栅极调制、漏极调制、输入信号源调制，该电路适用于各个频段的功放，且不限于功放的功率量级。

谐波抑制电路用来连接功放漏极和电源端口，可以过直流和低频信号，阻挡微波信号。谐波抑制电路由四分之一波长线或一段扼流电感组成，对应的频段为功放工作频段的中心频率。工作在频率较低的频段时，该电感可由平面绕线电感替代。可以有效滤除功放放大信号时产生的二次谐波，保障功放的放大能力，提升功放的效率。

电源滤波储能电路主要是由阶梯电容组成，不同容值的电容用来滤除不同频率的杂波，净化功放的加电信号。在功放工作在输入信号源调制和栅极调制两种模式时，此处要增加大容量电容用来储能，具体容值根据功率量级和脉冲宽度进行计算。功放工作在漏极调制模式时，此处不应添加储能电容，以免影响输出信号的上升沿和下降沿。高频工作模式下的功放，电容可以用扇形电容来替代。

电源滤波储能电路核心是由几款组合电容实现，不同容值的电容滤除不同频率的杂波。可以将谐波抑制电路未能滤除的微波信号引入到地，防止其进入电源管理电路，影响电源正常工作。同时该电容可以滤除电源管理电路在快速切换状态时产生的高频信号，防止其进入微波链路，影响功放正常工作。

过冲吸收电路是在功放漏极并联了一根加电线路，电路末端接滤波电容形成微波接地。在电流快速变化时为功放漏极电流提供了第二条泄放通道，让其快速下降，从而减小过冲电压。电感具体形式可以是平面加电线或平面绕线电感，电容可选用多层陶瓷电容或钽电容。

如图2所示，为功放实际测试时使用的电路版图，左侧为功放的输入电路微波信号经过隔直电容和一段50欧姆微带线，再经过输入匹配网络之后进入到功放。功放的栅极加载馈电网络，能够阻挡射频信号的泄露，同时给功放的栅极加载电压。功放将接收到的微波信号进行放大，然后从漏极经过50欧姆线和隔直电容之后输出。谐波抑制电路通常由四分之一波长线组成，能够阻挡微波链路和电源电路之间微波信号相互串扰。同时，特定的长度能够对功放工作频率对应的二次谐波形成吸收峰，抑制谐波，提升功放效率。加电端有电源滤波储能电路，该部分的阶梯电容能够滤除射频信号、电源电路中的高频杂波信号，净化微波链路，净化电源管理电路。

如图3、图4、图5、图6所示，分别为脉冲工作模式功放放大图、谐波抑制电路放大图、电源滤波储能电路放大图、过冲吸收电路放大图。

本发明的核心为过冲吸收电路，下面介绍过冲抑制的原理：

功放工作在脉冲模式下，功放的漏极会频繁的出现开启和关断，在功放关断的瞬间，功放漏极和源极之间通过的电流会迅速下降。在功放的漏极加电端放置着扼流电感，用来阻挡射频信号进入电源管理电路。功放的漏极存在寄生电感，电源加电端的滤波储能电容内部也含有寄生电感，三个电感串联叠加。电感的存在会阻挡电流的快速变化，在电流迅速变小时，会生成一个跟功放漏极加电电压方向相反的电感电压，相当于两个电压串联加载在功放的漏极，形成一个电压过冲。

经过理论分析，得知电压过冲大小主要由两个因素决定：加电端到功放的漏极之间寄生电感的大小和功放漏源工作电流变化速度的快慢。工作电流变化速度的快慢主要就是表现为工作电流的大小和功放信号的关断速度的大小。功放的输出功率决定了工作电流的大小，脉功放信号的关断速度的大小则会影响整机微波信号的底噪和响应速度。由此可知，为了保证功放的电性能指标不受影响，一般不能通过改变功放漏源工作电流变化速度的快慢来改变过冲电压。所以本发明从寄生电感的角度出发，通过设计新的功放漏极电路加电结构来减小寄生电感，从而减小电压过冲。

通过仿真得出结论，加宽四分之一波长加电线，可以减小加电线引入的电感，从而降低功放漏极的过冲电压。如果去掉四分之一波长线，加电线路中的电感只剩下功放漏极的寄生电感和滤波电容的寄生电感，电压过冲将会大幅下降。四分之一波长线作为扼流电感放置在电源加电端和功放漏极之间，具有很多不可替代的作用：其一，阻挡微波信号进入电源管理电路，以免影响电源工作；其二，阻挡电源管理电路快速开启关断时产生的高频振荡信号进入微波链路，避免影响微波性能；其三，能够将功放工作时放大的二次谐波进行滤除，提升功放的谐波抑制度，提升整体性能。由此可见，四分之一波长加电线的作用无法替代。

通过增加四分之一波长线的线宽可以减小寄生电感的电感量，这个电感的值可以简单的等效为半圈方形螺旋电感，根据电感量的计算公式可以得出，当加电线宽度增加到一定程度后，电感量下降速度变得非常缓慢。当线宽宽度过宽时，将其接入功放的漏极，会带来很大的寄生电容，一定程度上会影响功放的输出匹配，进而影响功放的微波性能。所以加宽四分之一波长线线宽的方法对于消除电压过冲来说，只能起到一定作用。

本发明设计了一款四分之一波长线的并联结构，这样可以直接将寄生的电感量减半，并且对功放的微波性能不产生影响。增加了一根四分之一波长线，末尾端接滤波电容，形成微波接地。在功放快速关断时，漏极电流迅速下降，此线为功放漏极电流提供了第二条泄放通道，让其快速下降，从而减小瞬间的电感电压，进而减小了功放漏极的电压过冲。

如图7所示，为常规加电的电路版图，在图7所示的电路版图和本发明所述的电路结构中分别测试同一款功放，测试条件保持一致，额定电压为48V时，过冲电压(real_Pout[0])分别为86.2V和60.2V，分别如图8和图9所示，由此可见此方法对电压过冲的抑制效果非常明显。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种抑制功放电压过冲的电路，其特征在于，包括脉冲工作模式功放、谐波抑制电路、电源滤波储能电路、过冲吸收电路；

所述脉冲工作模式功放的栅极连接功放的输入电路，脉冲工作模式功放的源极接地，脉冲工作模式功放的漏极连接谐波抑制电路的一端，谐波抑制电路的另一端连接电源滤波储能电路的一端，电源滤波储能电路的一端还连接漏压正极，漏压负极接地，电源滤波储能电路的另一端接地，脉冲工作模式功放的漏极还连接过冲吸收电路，脉冲工作模式功放的漏极还经过RC防振荡电路后接地；

所述过冲吸收电路包括第一电感以及至少三个电容，第一电感的一端连接脉冲工作模式功放的漏极，过冲吸收电路中的所有电容并联后一端与第一电感的另一端相连，另一端接地，且过冲吸收电路中的所有电容的容值呈阶梯式排列。

2.根据权利要求1所述抑制功放电压过冲的电路，其特征在于，所述过冲吸收电路中的所有电容为多层陶瓷电容或钽电容。

3.根据权利要求1所述抑制功放电压过冲的电路，其特征在于，所述功放的输入电路包括第二电感、第一电容、第一电阻、电容模块，所述电容模块包括至少三个容值呈阶梯式排列的电容，电容模块中的所有电容并联，第一电容的一端连接脉冲工作模式功放的栅极，另一端经第一电阻后接地，第二电感的一端连接脉冲工作模式功放的栅极，另一端连接电容模块的一端，电容模块的一端还连接栅压正极，栅压负极接地，电容模块的另一端接地。

4.根据权利要求1所述抑制功放电压过冲的电路，其特征在于，所述谐波抑制电路为四分之一波长线或扼流电感。

5.根据权利要求1所述抑制功放电压过冲的电路，其特征在于，所述电源滤波储能电路包括至少三个容值呈阶梯式排列的电容，且电源滤波储能电路中的所有电容并联，并联后一端连接谐波抑制电路的另一端，并联后一端还连接漏压正极，并联后另一端接地。

6.根据权利要求1所述抑制功放电压过冲的电路，其特征在于，所述RC防振荡电路包括第二电容、第二电阻，所述第二电容的一端连接脉冲工作模式功放的漏极，另一端经第二电阻后接地。

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