CN115296623A - 一种具有温度补偿功能的大电流栅控电路及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有温度补偿功能的大电流栅控电路及其设计方法，属于微波领域，包括FET驱动器、分压电路、热敏电阻和运算放大器，微波组件的TTL发射控制信号经过FET驱动器后转换为输出信号输出，输出信号经过分压电路后在运算放大器的输入端形成稳定电压，经运算放大器构成的同相电路后输出给功放栅压进行供电；分压电路包括热敏电阻，随温度变化调节分压电路的阻值，确保在功放栅压端形成的电压随温度变化，可以调节放大器增益。本发明可使功放的栅压电平随温度变化进行动态调整，同时具有过大电流的负载能力，且满足对控制的快速时间响应。栅控电路的组成简单，实现难度和占用空间均较小，成本也易于控制，可在各类组件中广泛应用。

Description

一种具有温度补偿功能的大电流栅控电路及其设计方法

技术领域

本发明涉及微波技术领域，更为具体的，涉及一种具有温度补偿功能的大电流栅控电路及其设计方法。

背景技术

微波组件在应用中需要进行接收和发射的功能切换，切换时涉及到对放大器进行开关电控制。常规的放大器的开关电控制包括漏压控制和栅压控制，对于漏压控制，在大功率芯片的应用中，芯片的漏压电压较高，漏压控制不能提供快速的响应时间，不满足微波组件严格的时间要求，且漏压电压较高，控制电路实现难度较大。

传统的微波组件栅压控制电路是通过模拟开关来实现，稳压电路输出的负压电平和外部发送给组件的控制电平作为模拟开关的输入端，利用开关的快速切换功能实现输出端快速响应。虽然以模拟开关为核心的栅压控制电路在时间上满足使用要求，但由于开关的驱动电流较小，只有几毫安(mA)，无法应用于栅流较大或需要多路同时控制的微波组件中。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有温度补偿功能的大电流栅控电路及其设计方法，能够提供快速响应时间和满足较大负载电流的同时，对链路增益进行温度补偿。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

一种具有温度补偿功能的大电流栅控电路，包括：

FET驱动器、分压电路、热敏电阻和运算放大器，微波组件的TTL发射控制信号经过所述FET驱动器后转换为输出信号输出，输出信号经过所述分压电路后在运算放大器的输入端形成稳定电压，经运算放大器构成的同相电路后输出给功放栅压进行供电；

所述分压电路包括热敏电阻，随温度变化调节分压电路的阻值，确保在功放栅压端形成的电压随温度变化，起到调节放大器增益的作用。

进一步地，所述FET驱动器选用具有正压转负压功能的FET驱动器，用于提供将TTL发射控制信号转换为-5V/0V的控制信号的功能。

进一步地，所述分压电路在输入分别为0V和-5V时，对应的输出电压分别为功放工作栅压电平和功放截止栅压电平。

进一步地，所述热敏电阻作为分压电路的一部分，能够提供温度补偿功能。

进一步地，所述运算放大器提供一个正相放大电路，电压闭环增益为1，形成电压跟随器；利用运算放大器的电压虚短电流虚断性能提供电流放大能力，使输出电流可达几十毫安级别，从而能够为功放提供较大电流的栅压，增加控制信号的驱动能力。

进一步地，所述FET驱动器和运算放大器一起作为链路上的控制逻辑电路，起到响应时间快的技术效果，从而能够提供百纳秒级别的反应时间，用于确保栅控电路满足在组件中快速切换的应用。

进一步地，为实现所述分压电路在输入分别为0V和-5V时，对应的输出电压分别为功放工作栅压电平和功放截止栅压电平的功能，所述分压电路由串并联组合电路实现，具体包括多个电阻和热敏电阻Rs，其中多个电阻中电阻R₁的一端与FET驱动器的一端连接，另一端与电阻R₂的一端连接，R₂的另一端接地，电阻R₁的另一端还与电阻R₃的一端连接，电阻R₃的另一端分别与电阻R₄的一端、热敏电阻R_S的一端连接，电阻R₄的另一端、热敏电阻R_S的另一端与运算放大器的IN+端连接；电阻R₁₁的一端与-5V电平连接，另一端与电阻R₁₂的一端连接，R₁₂的另一端接地，电阻R₁₁的另一端与电阻R₅的一端连接，电阻R₅的另一端连接与运算放大器的IN+端连接；

FET驱动器的另一端连接控制电平0V/+5V；

电阻R₁与电阻R₁₁阻值相同；

电阻R₂与电阻R₁₂阻值相同；

R1和R2的阻值比例根据功放截止的栅压电平确定，R3、R4和R5的阻值比例根据功放工作的栅压电平确定，由于分压电路增加了温度补偿功能，R4的阻值需要结合不同温度条件下热敏电阻的阻值来考虑确定。

进一步地，利用热敏电阻R_S与电阻R4并联来调整功放工作时的栅压电平，在对分压电路的阻值进行分配时，R1～R5的单位量级与R_S一致。

进一步地，所述分压电路中电阻R1～R5、电阻R₁₁、电阻R₁₂利用溅射技术印刷在同一块陶瓷上，通过薄膜电路实现。

一种具有温度补偿功能的大电流栅控电路的设计方法，基于如上所述的具有温度补偿功能的大电流栅控电路，还包括如下步骤：

选用的热敏电阻R_S的阻值范围在25～3000Ω之间，将R1～R5的阻值选择控制在百Ω量级；

选择功放栅压截止电平是-3.5V，R1和R2分别选择150Ω和350Ω，功放栅压的工作电平是-2.2V，根据下式计算其余电阻的阻值，其中V_in为功放栅压截止电平-3.5V，V_out为功放栅压工作电平-2.2V：

栅控电路在低温时提供更低的工作电压-2.6V，高温时提供更高的工作电压-1.9V，由输入输出电压的比值可知，上式中分子分母的比值应处于0.55～0.75之间；

设定R3和R5的阻值为100Ω，则R4与RS的并联值应满足在20～200Ω之间；代入常温条件下，R_S阻值为100Ω，低温条件下，R_S阻值为3000Ω，高温条件下，R_S阻值为25Ω的情况，可得出R4为200Ω时能够满足条件；确定各电阻阻值情况后不同温度条件下的栅压理论计算值如下表：

本发明的有益效果包括：

本发明提出的具有温度补偿功能的大电流栅控电路，能够使功放的栅压电平随着温度变化进行动态调整，同时具有过大电流的负载能力，且满足对控制的快速时间响应。栅控电路的组成简单，实现难度和占用空间均较小，成本也易于控制，可在各类组件中广泛应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中具有温度补偿功能的大电流栅控电路示意图；

图2为本发明实施例中分压电阻阻值分析示意图；

图3为本发明实施例中具有温度补偿功能的大电流栅控电路实物图；

图4为本发明实施例中应用栅压控制电路的某组件饱和输出功率示意图。

具体实施方式

本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。

本发明的发明人旨在解决背景中问题，总的发明构思如下：利用驱动器和运算放大器组成的栅压控制电路能够在提供快速时间响应的同时满足大电流应用。由于微波组件通常包含多级放大器，不同温度条件下的增益变化较大，除在射频链路中增加温补芯片外，还需要从栅压电平控制的角度考虑调节不同温度条件下功放芯片的增益。在具体实现过程中，还具有如下发明构思：

本发明实施例提出的具有温度补偿功能的大电流栅控电路，主要包括以下部分：FET驱动器、分压电路、热敏电阻和运算放大器。组件的TTL发射控制信号经过FET驱动器后转换为-5V/0V的信号输出。输出信号经过分压电路后在运算放大器的输入端形成稳定电压，经运算放大器构成的同相电路后输出给功放栅压进行供电，能够提供几十mA的输出电流。其中，为提供温度补偿功能，热敏电阻作为分压电路的一部分，可以随温度变化调节分压电路的阻值，确保在功放栅压端形成的电压随温度变化，起到调节放大器增益的作用。

在进一步的发明构思中，FET驱动器提供将TTL发射控制信号转换为-5V/0V的控制信号的功能。由于组件的控制信号通常为正压电平，而功放工作时栅压需要的是负压电平，故需要具有正压转负压功能的FET驱动器进行电平转换。

在进一步的发明构思中，分压电路需要满足输入分别为0V和-5V时，对应的输出电压分别为功放工作栅压电平和功放截止栅压电平。为实现此功能，分压电路由串并联组合电路实现，R1和R2的阻值比例根据功放截止的栅压电平确定，R3、R4和R5的阻值比例根据功放工作的栅压电平确定，由于分压电路增加了温度补偿功能，R4的阻值还需要结合不同温度条件下热敏电阻的阻值来考虑确定。

在进一步的发明构思中，热敏电阻R_S提供温度补偿功能，作为分压电路的一部分，与R4并联来调整功放工作时的栅压电平。对分压电路的阻值进行分配时，为保证电路的可实现性，R1～R5的单位量级应与R_S一致。

在进一步的发明构思中，运算放大器提供一个正相放大电路，电压闭环增益为1，形成电压跟随器。利用运算放大器的电压虚短电流虚断性能提供电流放大能力，输出电流可达几十毫安，能够为功放提供较大电流的栅压，增加控制信号的驱动能力。

在进一步的发明构思中，FET驱动器和运算放大器作为链路上的控制逻辑电路，具有响应时间快的特点，能够提供百纳秒别的反应时间，确保栅控电路满足在组件中快速切换的应用。

本发明实施例有益效果的进一步发明构思中，栅控电路中的FET驱动器提供正压转负压功能，并对控制信号起到一定的稳压作用。分压电路的设计是栅控电路的关键，合理地选用电阻阻值以保证在不同的输入控制电平条件下输出理想的目标电压。以运算放大器为核心的正相放大电路则能够提供较大的输出驱动电流，可实现栅流较大的功放栅压控制或者多路功放栅压控制，在大规模阵列应用中具有优势。热敏电阻是实现温度补偿功能的关键，通过加载热敏电阻，可以使栅控电路在低温时输出较低栅压，控制功放输出更小增益，而在高温时输出较高栅压，控制功放输出更大增益。

本发明实施例在具体实现过程中，采用以下技术方案：一种具有温度补偿功能的大电流栅控电路，如图1所示，包括FET驱动器、分压电路、热敏电阻和运算放大器。栅压控制电路依靠简单的逻辑器件和阻容器件，为功放提供大电流栅压控制电路，并实现低温降增益高温补增益的温度补偿功能。

FET驱动器采用现有的正压转负压驱动器，选择同相输出接到后端的分压电阻，控制电平为低时输出-5V，控制电平为高时输出0V。

分压电路采用薄膜电路片实现，如图2所示，R1～R5利用溅射技术印刷在同一块陶瓷上。由于选用的热敏电阻R_S的阻值范围在25～3000Ω之间，故R1～R5的阻值选择控制在百Ω量级左右。本实例中选择的功放栅压截止电平是-3.5V，故R1和R2分别选择150Ω和350Ω，功放栅压的工作电平是-2.2V，根据下式计算其余电阻的阻值，其中V_in为功放栅压截止电平-3.5V，V_out为功放栅压工作电平-2.2V：

为提供温度补偿功能，希望栅控电路在低温时提供更低的工作电压如-2.6V，高温时提供更高的工作电压如-1.9V，由输入输出电压的比值可知，上式中分子分母的比值应处于0.55～0.75之间。为满足此需求，可设定R3和R5的阻值为100Ω，则R4与RS的并联值应满足在20～200Ω之间。代入常温条件下，RS阻值为100Ω，低温条件下，RS阻值为3000Ω，高温条件下，RS阻值为25Ω的情况，可得出R4为200Ω时能够满足条件。确定各电阻阻值情况后不同温度条件下的栅压理论计算值见表1。针对不同的功放，工作/截止栅压电平不同的情况，采用相同的分析步骤即可得出分压电阻的阻值。

表1不同温度条件下栅控电路输出电压值

运算放大器构成的正相放大电路，采用IN+作为输入，输出端与IN-端口连接形成反馈回路，由于反馈电阻为0，故电压增益放大倍数为1，形成电压跟随器。运算放大器的输出电流可达50mA，利用运放的电流虚断能力，输出电流与输入电流不相关，故能提供电流放大功能。同时，输出端串联10欧姆电阻避免功放栅压异常时反向击穿运算放大器。

将此栅控电路应用在某组件中来同时控制4个通道的栅压电平，单个功放的栅电流约为4mA，总电流仍小于运放50％的降额标准，实现了多路功放同时控制。加载此栅控电路后，改善了发射输出功率随温度变化较大的情况，高低温的输出功率差值能够控制在2dBm左右，如图4所示。图3为本发明实施例的具有温度补偿功能的大电流栅控电路实物图。

实施例1

一种具有温度补偿功能的大电流栅控电路，包括：

FET驱动器、分压电路、热敏电阻和运算放大器，微波组件的TTL发射控制信号经过所述FET驱动器后转换为输出信号输出，输出信号经过所述分压电路后在运算放大器的输入端形成稳定电压，经运算放大器构成的同相电路后输出给功放栅压进行供电；所述分压电路包括热敏电阻，随温度变化调节分压电路的阻值，确保在功放栅压端形成的电压随温度变化，起到调节放大器增益的作用。

实施例2

在实施例1的基础上，所述FET驱动器选用具有正压转负压功能的FET驱动器，用于提供将TTL发射控制信号转换为-5V/0V的控制信号的功能。

实施例3

在实施例1的基础上，所述分压电路在输入分别为0V和-5V时，对应的输出电压分别为功放工作栅压电平和功放截止栅压电平。

实施例4

在实施例3的基础上，所述热敏电阻作为分压电路的一部分，能够提供温度补偿功能。

实施例5

在任一实施例1～实施例4的基础上，所述运算放大器提供一个正相放大电路，电压闭环增益为1，形成电压跟随器；利用运算放大器的电压虚短电流虚断性能提供电流放大能力，使输出电流可达几十毫安级别，从而能够为功放提供较大电流的栅压，增加控制信号的驱动能力。

实施例6

在实施例1的基础上，所述FET驱动器和运算放大器一起作为链路上的控制逻辑电路，起到响应时间快的技术效果，从而能够提供百纳秒级别的反应时间，用于确保栅控电路满足在组件中快速切换的应用。

实施例7

在实施例3或实施例4的基础上，为实现所述分压电路在输入分别为0V和-5V时，对应的输出电压分别为功放工作栅压电平和功放截止栅压电平的功能，所述分压电路由串并联组合电路实现，具体包括多个电阻和热敏电阻Rs，其中多个电阻中电阻R₁的一端与FET驱动器的一端连接，另一端与电阻R₂的一端连接，R₂的另一端接地，电阻R₁的另一端还与电阻R₃的一端连接，电阻R₃的另一端分别与电阻R₄的一端、热敏电阻R_S的一端连接，电阻R₄的另一端、热敏电阻R_S的另一端与运算放大器的IN+端连接；电阻R₁₁的一端与-5V电平连接，另一端与电阻R₁₂的一端连接，R₁₂的另一端接地，电阻R₁₁的另一端与电阻R₅的一端连接，电阻R₅的另一端连接与运算放大器的IN+端连接；

FET驱动器的另一端连接控制电平0V/+5V；

电阻R₁与电阻R₁₁阻值相同；

电阻R₂与电阻R₁₂阻值相同；

R1和R2的阻值比例根据功放截止的栅压电平确定，R3、R4和R5的阻值比例根据功放工作的栅压电平确定，由于分压电路增加了温度补偿功能，R4的阻值需要结合不同温度条件下热敏电阻的阻值来考虑确定。

实施例8

在实施例7的基础上，利用热敏电阻R_S与电阻R4并联来调整功放工作时的栅压电平，在对分压电路的阻值进行分配时，R1～R5的单位量级与R_S一致。

实施例9

在实施例8的基础上，所述分压电路中电阻R1～R5、电阻R₁₁、电阻R₁₂利用溅射技术印刷在同一块陶瓷上，通过薄膜电路实现。

实施例10

一种具有温度补偿功能的大电流栅控电路的设计方法，基于实施例7所述的具有温度补偿功能的大电流栅控电路，还包括如下步骤：

选用的热敏电阻R_S的阻值范围在25～3000Ω之间，将R1～R5的阻值选择控制在百Ω量级；

选择功放栅压截止电平是-3.5V，R1和R2分别选择150Ω和350Ω，功放栅压的工作电平是-2.2V，根据下式计算其余电阻的阻值，其中V_in为功放栅压截止电平-3.5V，V_out为功放栅压工作电平-2.2V：

栅控电路在低温时提供更低的工作电压-2.6V，高温时提供更高的工作电压-1.9V，由输入输出电压的比值可知，上式中分子分母的比值应处于0.55～0.75之间；

设定R3和R5的阻值为100Ω，则R4与RS的并联值应满足在20～200Ω之间；代入常温条件下，R_S阻值为100Ω，低温条件下，R_S阻值为3000Ω，高温条件下，R_S阻值为25Ω的情况，可得出R4为200Ω时能够满足条件；确定各电阻阻值情况后不同温度条件下的栅压理论计算值如下表：

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

除以上实例以外，本领域技术人员根据上述公开内容获得启示或利用相关领域的知识或技术进行改动获得其他实施例，各个实施例的特征可以互换或替换，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有温度补偿功能的大电流栅控电路，其特征在于，包括：

FET驱动器、分压电路、热敏电阻和运算放大器，微波组件的TTL发射控制信号经过所述FET驱动器后转换为输出信号输出，输出信号经过所述分压电路后在运算放大器的输入端形成稳定电压，经运算放大器构成的同相电路后输出给功放栅压进行供电；

所述分压电路包括热敏电阻，随温度变化调节分压电路的阻值，确保在功放栅压端形成的电压随温度变化，起到调节放大器增益的作用。

2.根据权利要求1所述的具有温度补偿功能的大电流栅控电路，其特征在于，所述FET驱动器选用具有正压转负压功能的FET驱动器，用于提供将TTL发射控制信号转换为-5V/0V的控制信号的功能。

3.根据权利要求1所述的具有温度补偿功能的大电流栅控电路，其特征在于，所述分压电路在输入分别为0V和-5V时，对应的输出电压分别为功放工作栅压电平和功放截止栅压电平。

4.根据权利要求3所述的具有温度补偿功能的大电流栅控电路，其特征在于，所述热敏电阻作为分压电路的一部分，能够提供温度补偿功能。

5.根据权利要求1～4任一所述的具有温度补偿功能的大电流栅控电路，其特征在于，所述运算放大器提供一个正相放大电路，电压闭环增益为1，形成电压跟随器；利用运算放大器的电压虚短电流虚断性能提供电流放大能力，使输出电流可达几十毫安级别，从而能够为功放提供较大电流的栅压，增加控制信号的驱动能力。

6.根据权利要求1所述的具有温度补偿功能的大电流栅控电路，其特征在于，所述FET驱动器和运算放大器一起作为链路上的控制逻辑电路，起到响应时间快的技术效果，从而能够提供百纳秒级别的反应时间，用于确保栅控电路满足在组件中快速切换的应用。

7.根据权利要求3或4任一所述的具有温度补偿功能的大电流栅控电路，其特征在于，为实现所述分压电路在输入分别为0V和-5V时，对应的输出电压分别为功放工作栅压电平和功放截止栅压电平的功能，所述分压电路由串并联组合电路实现，具体包括多个电阻和热敏电阻Rs，其中多个电阻中电阻R₁的一端与FET驱动器的一端连接，另一端与电阻R₂的一端连接，R₂的另一端接地，电阻R₁的另一端还与电阻R₃的一端连接，电阻R₃的另一端分别与电阻R₄的一端、热敏电阻R_S的一端连接，电阻R₄的另一端、热敏电阻R_S的另一端与运算放大器的IN+端连接；电阻R₁₁的一端与-5V电平连接，另一端与电阻R₁₂的一端连接，R₁₂的另一端接地，电阻R₁₁的另一端与电阻R₅的一端连接，电阻R₅的另一端连接与运算放大器的IN+端连接；

FET驱动器的另一端连接控制电平0V/+5V；

电阻R₁与电阻R₁₁阻值相同；

电阻R₂与电阻R₁₂阻值相同；

R1和R2的阻值比例根据功放截止的栅压电平确定，R3、R4和R5的阻值比例根据功放工作的栅压电平确定，由于分压电路增加了温度补偿功能，R4的阻值需要结合不同温度条件下热敏电阻的阻值来考虑确定。

8.根据权利要求7所述的具有温度补偿功能的大电流栅控电路，其特征在于，利用热敏电阻R_S与电阻R4并联来调整功放工作时的栅压电平，在对分压电路的阻值进行分配时，R1～R5的单位量级与R_S一致。

9.根据权利要求8所述的具有温度补偿功能的大电流栅控电路，其特征在于，所述分压电路中电阻R1～R5、电阻R₁₁、电阻R₁₂利用溅射技术印刷在同一块陶瓷上，通过薄膜电路实现。

10.一种具有温度补偿功能的大电流栅控电路的设计方法，其特征在于，基于权利要求7所述的具有温度补偿功能的大电流栅控电路，还包括如下步骤：

选用的热敏电阻R_S的阻值范围在25～3000Ω之间，将R1～R5的阻值选择控制在百Ω量级；

选择功放栅压截止电平是-3.5V，R1和R2分别选择150Ω和350Ω，功放栅压的工作电平是-2.2V，根据下式计算其余电阻的阻值，其中V_in为功放栅压截止电平-3.5V，V_out为功放栅压工作电平-2.2V：

栅控电路在低温时提供更低的工作电压-2.6V，高温时提供更高的工作电压-1.9V，由输入输出电压的比值可知，上式中分子分母的比值应处于0.55～0.75之间；

设定R3和R5的阻值为100Ω，则R4与RS的并联值应满足在20～200Ω之间；代入常温条件下，R_S阻值为100Ω，低温条件下，R_S阻值为3000Ω，高温条件下，R_S阻值为25Ω的情况，可得出R4为200Ω时能够满足条件；确定各电阻阻值情况后不同温度条件下的栅压理论计算值如下表：

Images