CN113785492B - 具有栅极电流重用的氮化镓激光二极管驱动场效晶体管 - Google Patents
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Abstract
一种用于光雷达应用的激光二极管驱动器，其具有包含两个增强模式GaN FET的输出级。输出级包括传统公共源极配置中的驱动器GaN FET，具有与激光二极管的阴极连接的漏极、及连接至接地的源极。驱动器GaN FET的栅极系通过源极跟随器配置中的第二、实质更小GaN FET的源极来驱动，而不是直接通过预驱动器来驱动。源极跟随器GaN FET的漏极连接至公共源极驱动器GaN FET的漏极，类似于双载子装置中使用的达灵顿(Darlington)连接。于源极跟随器GaN FET的栅极施加来自预驱动器的输入驱动信号。藉此，透过激光二极管从主电力供应器汲取接通驱动器GaN FET所需的电流，而不是从用于预驱动器的电力供应器汲取，使总体电流效率提升。
Description
技术领域
本发明一般涉及包括用于驱动氮化镓(GaN)场效晶体管(FET)的预驱动器的输出级，并且更具体地，涉及针对雷达应用而用作激光二极管驱动器的输出级。
背景技术
用于驱动激光二极管的典型输出级使用公共源极驱动FET来实现，其中驱动FET的漏极连接至激光二极管的阴极，并且驱动FET的源极连接至接地。驱动FET的栅极由预驱动器来驱动，该预驱动器具有足以克服栅极的大电容并接通驱动FET的脉冲电流能力。通过第一供应电压供电的预驱动器接收控制信号以接通驱动FET，并且从第一供应电压产生栅极电流以用于驱动该驱动FET的栅极端子。驱动FET接通，并且从大于第一供应电压的第二供应电压汲取通过驱动GaN FET的驱动电流。
图1示出了常规输出级的示意图，其包括预驱动器和GaN功率FET以供驱动激光二极管。电路100包括预驱动器120、GaN FET 130、以及激光二极管140。在本示例中，二极管140是负载，但其他实现方式中可包括其他负载。预驱动器120接收控制信号CTL 110，其指示要接通GaN FET 130并从供应电压VDD产生栅极电流IGM1。预驱动器120将IGM1施加至GaNFET 130的栅极端子，其接通并从比VDD更高的电压的供应电压VH通过二极管140汲取驱动电流IDRIVE。
从VDD汲取的栅极电流IGM1降低电路100的效率，并导致大返回电流IRTN。在预驱动器120与接地节点105之间的电气连接上的寄生阻抗以及介于驱动FET 130与接地节点105之间的电气连接上的寄生阻抗与IRTN组合使用会造成接地节点105上的电压降、接地弹跳、及振铃。响应于接地迹线，发生接地弹跳，其自诸如IRTN的大电流脉冲呈现电压涟波。如果接地弹跳变得足够大，则可能在预驱动器120中造成错误电压，使得预驱动器120不会响应于指示要接通驱动FET 130的CTL 110来产生适当栅极电流IGM1。
发明内容
本发明通过提供一种驱动器电路来应对如上述接地节点上功率消耗、接地弹跳及振铃增加的缺点，该驱动器电路包括公共源极配置中的第一GaN FET以及源极跟随器配置中的第二GaN FET。
更具体而言，如本文中所述，本发明包括用于负载(诸如激光二极管)的驱动器电路，该驱动器电路包括连接于公共源极配置中的第一GaN FET，其漏极连接至要(从第一供电电压)驱动的负载且其源极连接至接地。驱动器电路还包括连接在源极跟随器配置中的第二、实质更小的GaN FET，其漏极连接至负载且其源极连接至第一GaN FET的栅极端子。通过第二供应电压供电的预驱动器根据控制信号来驱动第二GaN FET，使得第一GaN FET的栅极驱动电流通过第一供应电压来提供，并且流经负载以及流经第二GaN FET，由此提升整个电路效率。
本文中所述的以上内容以及其他优选特征现将更特别地参考附图作说明并在权利要求中指出，其包括元件的实现方式以及组合的各种新颖细节。应了解的是，特定方法和设备仅以例示方式示出，而非作为对权利要求的限制。如本领域技术人员将理解，本文中教导的原理和特征可运用在各种及众多实施例中，而不会脱离权利要求的范围。
附图说明
本公开的特征、目的及优点结合附图，将从下文所给出的详细说明而变得更加显而易见，在附图中，相似的参考字符遍及附图被相应地识别，并且其中：
图1示出了用于驱动激光二极管的常规电路的示意图。
图2A和图2B示出了根据本发明的第一实施例的具有栅极电流重用的本发明的驱动器电路的示意图。
图3示出了根据本发明的第二实施例的具有栅极电流重用的本发明的驱动器电路的示意图。
具体实施方式
在以下详细说明中，引用至某些实施例。这些实施例经充分详细说明而使得本领域技术人员能够加以实践。要理解的是，可利用其他实施例，并且可做出各种结构的、逻辑的、以及电气变更。以下详细说明中所公开的特征的组合对于实践最广义的教导并非必要，而是，仅为了说明本教导的特别代表性示例而被教导。
图2A和图2B示出了根据本发明的实施例的具有栅极电流重用的驱动器电路的示意图。电路200A及200B各自包括预驱动器电路220、公共源极配置的驱动FET晶体管230、激光二极管240、源极跟随器FET晶体管250、及负载260A/260B。在本示例中，激光二极管240是通过驱动晶体管230来驱动的负载，但其他实现方式中可包括其他负载。FET晶体管230及250优选为如所示的增强模式GaN FET，并且可被集成到单个半导体芯片里。驱动GaN FET230实质大于GaN FET 250，即，GaN FET250的栅极宽度远小于驱动GaN FET 230的栅极宽度，使得GaN FET 250的栅极电容远小于GaN FET 230的栅极电容。
预驱动器电路220接收指示要被接通的驱动GaN FET 230的控制信号CTL 210，并且被连接至供应电压VDD及接地节点205。预驱动器电路220的输出被连接至被配置为源极跟随器的GaN FET 250的栅极端子。GaN FET 250的栅极端子通过由预驱动器电路220所产生的栅极电流IGM2来驱动。GaN FET 250的漏极端子被连接至激光二极管240的阴极及驱动FET230的漏极端子，并且GaN FET 250的源极端子被连接至负载260A/260B及驱动GaN FET 230的栅极端子。负载可利用如图2A所示的电阻器260A、或如图2B所示的同步下拉开关260B来实现。
激光二极管240的阳极被连接至大于供应电压VDD的第二供应电压VH。驱动GaN FET230的漏极端子被连接至二极管240的阴极及GaN FET 250的漏极端子，并且驱动FET 230的源极端子被连接至接地节点205。驱动FET 230的栅极端子通过栅极电流IGM1来驱动，该栅极电流是通过GaN FET 250的漏极至源极电流。
响应于指示要接通驱动FET 230的CTL 210，预驱动器电路220从供应电压VDD产生驱动电流IGM2，并且将该电流施加至GaN FET 250的栅极端子。因为GaN FET 250的栅极电容远小于驱动FET 230的栅极电容，所以驱动电流IGM2远小于驱动电流IGM1，这使预驱动器220的电流消耗及通过VDD汲取的电流降低，并且提升系统效率。GaN FET 250接通，并且从更高供应电压VH通过二极管240汲取电流IDRIVE。通过GaN FET 250的漏极至源极电流是施加至驱动GaN FET 230的栅极端子的栅极电流IGM1。
栅极电流IGM1汲取自更高供应电压VH，其比更低供应电压VDD更能够供应向驱动GaNFET 230提供所需的大电流脉冲。另外，栅极电流IGM1通过激光二极管240汲取，对二极管驱动电流IDRIVE及光学输出功率作出贡献。驱动GaN FET 230接通并汲取漏极至源极电流IDRAIN，这使通过二极管240的驱动电流IDRIVE大幅增加。栅极电流IGM2小于施加至图1所示的驱动GaN FET 130的栅极端子的栅极电流IGM1，这减小返回电流IRTN及相关联的有害效应，诸如接地节点205上的振铃、接地弹跳、及电压降。负载260进一步减小接地节点205上来自返回电流IRTN的振铃、接地弹跳、及电压降。
图3示出了根据本发明的第二实施例的具有栅极电流重用的驱动器电路的示意图。电路300类似于图2所示的电路200，但包括第三增强模式GaN FET，其被配置为代替负载260A或260B的二极管，其中GaN FET360及驱动GaN FET 330被布置为电流镜370。GaN FET330、350及360可整合到单个半导体芯片上。可将电流镜370的电流比表示为：
其中IDRAIN_330代表通过驱动FET 330的漏极至源极电流，IDRAIN_360代表通过GaN FET360的漏极至源极电流，W330代表驱动FET 330的栅极宽度，并且W360代表GaN FET 360的栅极宽度。
通过充分大的比率，通过激光二极管340的驱动电流IDRIVE仅一部分通过更小的GaNFET 350及360被分流至栅极驱动路径。使用第三GaN FET 360来实现电流镜370允许定义明确的电流比，并精确控制通过栅极驱动路径以及通过驱动GaN FET 330的电流。因为驱动GaN FET 330远大于栅极驱动路径中更小的GaN FET 350及360，所以驱动GaN FET 330更能够耐受大电流。因此，优选为将驱动电流IDRIVE通过驱动GaN FET330分流更大部分，并通过GaN FET 350及360分流更小部分。
以上说明与附图仅视为说明达到本文中所述特征与优点的特定实施例。可对特定程序条件做出修改及替代。因此，本发明的实施例并非视为受前述说明与附图所限制。
Claims (11)
1.一种用于负载的驱动器电路，所述负载具有连接至第一供应电压的第一端子和第二端子，所述驱动器电路包括：
第一FET，其连接于公共源极配置中，具有与所述负载的所述第二端子相连接的漏极、连接至接地的源极、以及用于接收栅极驱动电流的栅极；
第二FET，其连接于源极跟随器配置中，具有与所述负载的所述第二端子相连接的漏极、与所述第一FET的栅极相连接的源极、以及栅极；以及
预驱动器，其由第二供应电压供电，并且具有用于接收控制信号的输入以及与所述第二FET的栅极相连接的输出，使得所述预驱动器根据所述控制信号来驱动所述第二FET，以及所述第一FET的所述栅极驱动电流由所述第一供应电压来提供，并流经所述负载且流经所述第二FET。
2.如权利要求1所述的驱动器电路，其中所述负载包括激光二极管。
3.如权利要求1所述的驱动器电路，其中所述第一FET是第一GaN FET，所述第一GaNFET是增强模式GaN FET，并且所述第二FET是第二GaN FET，所述第二GaN FET是增强模式GaN FET。
4.如权利要求3所述的驱动器电路，其中所述预驱动器、所述第一GaN FET、以及所述第二GaN FET被整合到单个半导体芯片上。
5.如权利要求3所述的驱动器电路，其中所述第一GaN FET的栅极宽度实质大于所述第二GaN FET的栅极宽度。
6.如权利要求3所述的驱动器电路，还包括连接在所述第二GaN FET的源极端子与接地之间的第二负载。
7.如权利要求6所述的驱动器电路，其中所述第二负载包括电阻器。
8.如权利要求6所述的驱动器电路，其中所述第二负载包括同步下拉开关。
9.如权利要求6所述的驱动器电路，其中所述第二负载包括配置为二极管的第三GaNFET，并且具有与所述第一GaN FET的栅极相连接的栅极，在所述第三GaN FET与所述第一GaN FET之间形成电流镜。
10.如权利要求9所述的驱动器电路，其中所述电流镜具有电流镜比，所述电流镜比使得通过所述第三GaN FET的漏极至源极电流实质小于通过所述第一GaN FET的漏极至源极电流。
11.如权利要求9所述的驱动器电路，其中所述预驱动器电路、所述第一GaN FET、所述第二GaN FET、以及所述第三GaN FET被整合到单个半导体芯片上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |