CN116505888B - 一种GaN功率放大器的负压保护电路 - Google Patents

一种GaN功率放大器的负压保护电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种GaN功率放大器的负压保护电路，属于GaN功率放大器技术领域，GaN功率放大器的栅极连接线性稳压器的输出端，线性稳压器的输入端连接负电，GaN功率放大器的漏极连接第一开关管的源极，第一开关管的漏极连接第一电压；控制信号连接驱动器的输入端，驱动器的输出端连接第一开关管的栅极，驱动器的输入端连接第二开关管的漏极，第二开关管的源极接地，第二开关管的栅极连接正电，第二开关管的栅极连接第三开关管的第一端，第三开关管的第二端接地，第三开关管的第三端连接第一电阻的第一端，第一电阻的第二端连接负电。本发明一种GaN功率放大器的负压保护电路具有结构简单，易于实施，成本低的优点。

Description

一种GaN功率放大器的负压保护电路
技术领域
本发明涉及GaN功率放大器技术领域，且特别是有关于一种GaN功率放大器的负压保护电路。
背景技术
随着通信技术的不断更新换代，对信号处理能力的需求也越来越高，传统的横向扩散金属氧化物半导体(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor，简称LDMOS)管和砷化镓(Gallium Arsenide)已经无法满足新一代的通信技术要求了。
GaN材料作为第三代半导体的主要材料，与一、二代半导体材料相比，具有工作频段宽、工作电压高、单位面积功率密度高、热传导率高等特点，是未来通信技术的重要发展方向。
然而，GaN功率放大器属于耗尽型器件，其栅压和漏压对上电和掉电时序的要求极为苛刻，在上电时，GaN功率放大器需要栅压先于漏压上电；下电时，GaN功率放大器需要栅压后于漏压下电。如果GaN功率放大器的栅极和漏极出现上电和掉电时序差错或逻辑混乱，就会造成GaN功率放大器烧毁而无法工作。
为此，需要为GaN功率放大器提供负压保护功能来满足上下电时序，常用的方法是使用比较器对系统的控制信号进行控制，然而这种方法需要额外的芯片，增加了成本与控制难度。
发明内容
本发明旨在提供一种结构简单的GaN功率放大器的负压保护电路，保证GaN功率放大器的上电和下电时序。
为达到上述目的，本发明技术方案是：
一种GaN功率放大器的负压保护电路，包括线性稳压器、驱动器、第一开关管、第二开关管、第三开关管与第一电阻，GaN功率放大器的栅极连接所述线性稳压器的输出端，所述线性稳压器的输入端连接负电，所述GaN功率放大器的漏极连接所述第一开关管的源极，所述第一开关管的漏极连接第一电压；控制信号连接所述驱动器的输入端，所述驱动器的输出端连接所述第一开关管的栅极，所述驱动器的输入端连接所述第二开关管的漏极，所述第二开关管的源极接地，所述第二开关管的栅极连接正电，所述第二开关管的栅极连接所述第三开关管的第一端，所述第三开关管的第二端接地，所述第三开关管的第三端连接所述第一电阻的第一端，所述第一电阻的第二端连接所述负电。
上述一种GaN功率放大器的负压保护电路，还包括第四开关管与第五开关管，所述第四开关管的漏极连接所述第三开关管的第三端，所述第四开关管的源极连接所述第一电阻的第一端，所述第四开关管的栅极连接所述第五开关管的漏极，所述第五开关管的源极接地，所述第五开关管的栅极连接所述GaN功率放大器的栅极。
上述负电通过所述线性稳压器降为第二电压提供给所述GaN功率放大器的栅极。
本发明一具体实施例中，一种GaN功率放大器的负压保护电路还包括第二电阻与第三电阻，所述第二电阻与所述第三电阻串联在所述第二开关管的栅极与所述第三开关管的集电极之间。
本发明一具体实施例中，一种GaN功率放大器的负压保护电路还包括第四电阻，所述第四电阻的一端连接所述正电，所述第四电阻的另一端与所述第二电阻和所述第三电阻的串联中点连接。
本发明一具体实施例中，一种GaN功率放大器的负压保护电路还包括第五电阻，所述控制信号经过所述第五电阻连接所述第二开关管的漏极。
本发明一具体实施例中，一种GaN功率放大器的负压保护电路还包括第六电阻，所述第六电阻串联在所述负电与所述第一电阻之间。
本发明一具体实施例中，一种GaN功率放大器的负压保护电路还包括第七电阻与第一电容，所述第一电容的一端连接所述第一电阻与所述第六电阻的串联中点，所述第一电容的另一端接地，所述第七电阻并联在所述第一电容两端。
本发明一具体实施例中，上述第三开关管为NPN型三极管。
本发明一具体实施例中，上述第三开关管为N型MOSFET。
有益效果，本发明一种GaN功率放大器的负压保护电路，保证了上电时GaN功率放大器栅压先于漏压上电，下电时GaN功率放大器栅压后于漏压下电的上电和掉电时序，从而实现对了GaN功率放大器的保护；在线性稳压器发生故障导致栅压异常且负电并未异常时，本发明的负压保护电路可以切断功率放大器的漏极，保护功率放大器；此外，本发明的电路具有结构简单，易于实施，成本低的优点。
为让发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1为本发明一种GaN功率放大器的负压保护电路的示意图。
图2为图1一具体实施例的示意图。
图3为本发明一种GaN功率放大器的负压保护电路上电时的电压波形图。
图4为本发明一种GaN功率放大器的负压保护电路下电时的电压波形图。
图5为本发明一种GaN功率放大器的负压保护电路另一具体实施例的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明一种GaN功率放大器的负压保护电路的示意图。如图1所示，GaN功率放大器11的栅极连接线性稳压器12的输出端，所述线性稳压器12的输入端连接负电V1，GaN功率放大器11的漏极连接开关管Q1的源极，所述开关管Q1的漏极连接输入电压Vin，控制信号CTRL连接驱动器13的输入端，所述驱动器13的输出端连接所述开关管Q1的栅极。所述驱动器13的输入端还连接开关管Q2的漏极，所述开关管Q2的源极接地，所述开关管Q2的栅极连接正电V2。所述开关管Q2的栅极还连接开关管Q3的第一端，所述开关管Q3的第二端接地，所述开关管Q3的第三端连接电阻R1的第一端，所述电阻R1的第二端连接负电V1。
可选地，所述开关管Q3为一三极管，则所述开关管Q2的栅极连接所述开关管Q3的集电极，所述开关管Q3的基极接地，所述开关管Q3的发射极连接电阻R1的第一端，所述电阻R1的第二端连接负电V1。
可选地，所述开关管Q3为一MOSFET，则所述开关管Q2的栅极连接所述开关管Q3的漏极，所述开关管Q3的栅极接地，所述开关管Q3的源极连接电阻R1的第一端，所述电阻R1的第二端连接负电V1。
图2为图1一具体实施例的示意图。如图2所示，GaN功率放大器11的栅极连接线性稳压器12的输出端，所述线性稳压器12的输入端连接负电V1，GaN功率放大器11的漏极连接开关管Q1的源极，所述开关管Q1的漏极连接输入电压Vin，控制信号CTRL经过电阻R5连接驱动器13的输入端，所述驱动器13的输出端连接所述开关管Q1的栅极。所述驱动器13的输入端还连接开关管Q2的漏极，所述开关管Q2的源极接地，所述开关管Q2的栅极连接电阻R2的第一端，所述电阻R2的第二端连接电阻R3的第一端，所述电阻R3的第二端连接正电V2。所述电阻R2 的第二端还连接电阻R4的第一端，所述电阻R4的第二端连接开关管Q3的集电极，所述开关管Q3的基极接地，所述开关管Q3的发射极连接二极管D1的阳极，所述二极管D1的阴极连接电阻R1的第一端，所述电阻R1的第二端连接电阻R6的第一端，所述电阻R6的第二端连接负电V1。所述电阻R1的第二端还经过电容C1接地，电阻R7并联在所述电容C1两端。
更具体地，驱动器13响应于输入的控制信号CTRL给所述开关管Q1提供驱动信号，控制所述开关管Q1的开通与关断。当所述开关管Q1开通时，输入电压Vin通过所述开关管Q1为所述GaN功率放大器11的漏极提供漏压；当所述开关管Q1关断时，所述GaN功率放大器11的漏极无漏压。
更具体地，所述负电V1通过所述线性稳压器12降为电压V3提供给所述GaN功率放大器11的栅极。
更具体地，所述驱动器13为任一能实现驱动功能的芯片。
更具体地，所述第一开关管Q1为N型MOSFET。
更具体地，所述第二开关管Q2为N型MOSFET。
更具体地，所述第三开关管Q3为NPN型三极管。
更具体地，所述二极管D1的作用是防止电流倒灌。
下面继续结合图2介绍本发明一种GaN功率放大器的负压保护电路的工作原理。
上电时，负电V1经过线性稳压器12降为电压V3，给GaN功率放大器11的栅极供电，此时，所述电压V3的绝对值应高于GaN功率放大器11栅极驱动阈值电压的绝对值Vth。同时，负电V1使得开关管Q3导通，开关管Q2的栅极接地，开关管Q2的栅极-源极电压Vgs被拉低，使得开关管Q2关断，控制信号CTRL经过电阻R5提供给驱动器13的输入端，驱动器13响应于输入的控制信号CTRL给所述开关管Q1提供驱动信号，控制所述开关管Q1的开通与关断。当所述开关管Q1开通时，输入电压Vin通过所述开关管Q1为所述GaN功率放大器11的漏极提供漏压；当所述开关管Q1关断时，所述GaN功率放大器11的漏极无漏压。由此实现了上电时，GaN功率放大器11的栅极先于漏极上电。
下电时，负电V1的绝对值从电压V11下降到电压V12，此时，由于电阻R1、电阻R6以及二极管D1的存在，开关管Q3无法导通，开关管Q2的栅极-源极电压Vgs被正电V2经过电阻R3拉高，使得开关管Q2导通，驱动器13输入端的信号被强制拉低，驱动器13的输出端为低电平，使得开关管Q1关断，GaN功率放大器11的漏极下电。在此期间内，电压V12经过线性稳压器12输出的电压V3的绝对值仍然高于栅极驱动阈值电压的绝对值Vth，因此，GaN功率放大器11的栅压仍然存在。当负电V1的绝对值继续下降，使得线性稳压器12输出的电压V3的绝对值低于栅极驱动阈值电压的绝对值Vth，此时，GaN功率放大器11的栅极下电。由此实现了下电时，GaN功率放大器11的栅极后于漏极下电。
当GaN功率放大器11的栅极没有负电V1时，开关管Q3关断，开关管Q2的栅极-源极电压Vgs被正电V2经过电阻R3拉高，使得开关管Q2导通，驱动器13输入端的信号被强制拉低，驱动器13的输出端为低电平，使得开关管Q1关断，此时，无论控制信号CTRL为高电平或低电平，GaN功率放大器11的漏极没有供电。由此实现了在GaN功率放大器11的栅极没有负电时，漏极也没有供电，保证了GaN功率放大器的上电和下电时序，从而实现了对GaN功率放大器的保护。
图3为本发明一种GaN功率放大器的负压保护电路上电时的电压波形图。如图3所示，控制信号CTRL为高，负电V1上电后，栅压Vg建立完成后，漏压Vd才建立。
图4为本发明一种GaN功率放大器的负压保护电路下电时的电压波形图。如图4所示，控制信号CTRL为高，负电V1下电后，漏压Vd掉电后，栅压Vg才开始掉电。
当图1或图2中线性稳压器12发生故障导致GaN功率放大器11的栅压Vg异常，如果此时负电V1并未异常，GaN功率放大器11的漏压Vd不会断开，可能导致GaN功率放大器11的损坏。为解决这个问题，图5示出了本发明一种GaN功率放大器的负压保护电路另一具体实施例。如图5所示，GaN功率放大器11的栅极连接线性稳压器12的输出端，所述线性稳压器12的输入端连接负电V1，GaN功率放大器11的漏极连接开关管Q1的源极，所述开关管Q1的漏极连接输入电压Vin，控制信号CTRL经过电阻R5连接驱动器13的输入端，所述驱动器13的输出端连接所述开关管Q1的栅极。所述驱动器13的输入端还连接开关管Q2的漏极，所述开关管Q2的源极接地，所述开关管Q2的栅极连接电阻R2的第一端，所述电阻R2的第二端连接电阻R3的第一端，所述电阻R3的第二端连接正电V2。所述电阻R2 的第二端还连接电阻R4的第一端，所述电阻R4的第二端连接开关管Q3的漏极，所述开关管Q3的栅极经过电阻R8接地，所述开关管Q3的源极连接开关管Q4的漏极，所述开关管Q4的源极连接电阻R1的第一端，所述电阻R1的第二端连接电阻R6的第一端，所述电阻R6的第二端连接负电V1。所述电阻R1的第二端还经过电容C1接地，电阻R7并联在所述电容C1两端。所述开关管Q4的栅极连接开关管Q5的漏极，所述开关管Q5的源极接地，电阻R9的第一端连接所述开关管Q4的源极，所述电阻R9的第二端连接所述开关管Q5的漏极，所述开关管Q5的栅极经过电阻R10连接GaN功率放大器11的栅压Vg，电阻R11的第一端连接所述开关管Q5的栅极，所述电阻R11的第二端接地。
更具体地，驱动器13响应于输入的控制信号CTRL给所述开关管Q1提供驱动信号，控制所述开关管Q1的开通与关断。当所述开关管Q1开通时，输入电压Vin通过所述开关管Q1为所述GaN功率放大器11的漏极提供漏压；当所述开关管Q1关断时，所述GaN功率放大器11的漏极无漏压。
更具体地，所述负电V1通过所述线性稳压器12降为电压V3提供给所述GaN功率放大器11的栅极。
更具体地，所述驱动器13为任一能实现驱动功能的芯片。
更具体地，所述第一开关管Q1为N型MOSFET。
更具体地，所述第二开关管Q2为N型MOSFET。
更具体地，所述第三开关管Q3为N型MOSFET。
更具体地，所述第四开关管Q4为N型MOSFET。
更具体地，所述第五开关管Q5为P型MOSFET。
下面继续结合图5介绍其工作原理。
上电时，负电V1经过线性稳压器12降为电压V3，给GaN功率放大器11的栅极供电，栅压Vg建立，此时，所述电压V3的绝对值应高于GaN功率放大器11栅极驱动阈值电压的绝对值Vth。同时，栅压Vg使得开关管Q5导通，开关管Q4的栅极接地GND，开关管Q4的栅极-源极电压Vgs被拉高，开关管Q4导通，使得开关管Q3的栅极-源极电压Vgs被拉高，开关管Q3导通，开关管Q2的栅极接地，开关管Q2的栅极-源极电压Vgs被拉低，使得开关管Q2关断，控制信号CTRL经过电阻R5提供给驱动器13的输入端，驱动器13响应于输入的控制信号CTRL给所述开关管Q1提供驱动信号，控制所述开关管Q1的开通与关断。当所述开关管Q1开通时，输入电压Vin通过所述开关管Q1为所述GaN功率放大器11的漏极提供漏压；当所述开关管Q1关断时，所述GaN功率放大器11的漏极无漏压。由此实现了上电时，GaN功率放大器11的栅极先于漏极上电。
下电时，负电V1的绝对值从电压V11下降到电压V12，此时，开关管Q4、开关管Q3无法导通，开关管Q2的栅极-源极电压Vgs被正电V2经过电阻R3拉高，使得开关管Q2导通，驱动器13输入端的信号被强制拉低，驱动器13的输出端为低电平，使得开关管Q1关断，GaN功率放大器11的漏极下电。在此期间内，电压V12经过线性稳压器12输出的电压V3的绝对值仍然高于栅极驱动阈值电压的绝对值Vth，因此，GaN功率放大器11的栅压仍然存在。当负电V1的绝对值继续下降，使得线性稳压器12输出的电压V3的绝对值低于栅极驱动阈值电压的绝对值Vth，此时，GaN功率放大器11的栅极下电。由此实现了下电时，GaN功率放大器11的栅极后于漏极下电。
当GaN功率放大器11的栅极没有负电V1时，没有栅压Vg，开关管Q5关断，开关管Q4的栅极-源极电压Vgs被拉低，开关管Q4关断，开关管Q3的栅极-源极电压Vgs被拉低，开关管Q3关断，开关管Q2的栅极-源极电压Vgs被正电V2经过电阻R3拉高，使得开关管Q2导通，驱动器13输入端的信号被强制拉低，驱动器13的输出端为低电平，使得开关管Q1关断，此时，无论控制信号CTRL为高电平或低电平，GaN功率放大器11的漏极没有供电。由此实现了在GaN功率放大器11的栅极没有负电时，漏极也没有供电，保证了GaN功率放大器的上电和下电时序，从而实现了对GaN功率放大器的保护。
当GaN功率放大器11的栅极有负电V1输入，但由于线性稳压器12发生故障使得没有栅压Vg时，开关管Q5关断，开关管Q4的栅极-源极电压Vgs被拉低，开关管Q4关断，开关管Q3的栅极-源极电压Vgs被拉低，开关管Q3关断，开关管Q2的栅极-源极电压Vgs被正电V2经过电阻R3拉高，使得开关管Q2导通，驱动器13输入端的信号被强制拉低，驱动器13的输出端为低电平，使得开关管Q1关断，此时，无论控制信号CTRL为高电平或低电平，GaN功率放大器11的漏极没有供电。由此实现了在线性稳压器12发生故障导致GaN功率放大器11的栅压Vg异常，且负电V1并未异常时，本发明的负压保护电路可以切断功率放大器的漏极，保护功率放大器。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (9)

1.一种GaN功率放大器的负压保护电路，其特征在于，包括线性稳压器、驱动器、第一开关管、第二开关管、第三开关管与第一电阻，GaN功率放大器的栅极连接所述线性稳压器的输出端，所述线性稳压器的输入端连接负电，所述GaN功率放大器的漏极连接所述第一开关管的源极，所述第一开关管的漏极连接第一电压；控制信号连接所述驱动器的输入端，所述驱动器的输出端连接所述第一开关管的栅极，所述驱动器的输入端连接所述第二开关管的漏极，所述第二开关管的源极接地，所述第二开关管的栅极连接正电，所述第二开关管的栅极连接所述第三开关管的第一端，所述第三开关管的第二端接地，所述第三开关管的第三端连接所述第一电阻的第一端，所述第一电阻的第二端连接所述负电，还包括第四开关管与第五开关管，所述第四开关管的漏极连接所述第三开关管的第三端，所述第四开关管的源极连接所述第一电阻的第一端，所述第四开关管的栅极连接所述第五开关管的漏极，所述第五开关管的源极接地，所述第五开关管的栅极连接所述GaN功率放大器的栅极。
2.如权利要求1所述一种GaN功率放大器的负压保护电路，其特征在于，所述负电通过所述线性稳压器降为第二电压提供给所述GaN功率放大器的栅极。
3.如权利要求2所述一种GaN功率放大器的负压保护电路，其特征在于，还包括第二电阻与第三电阻，所述第二电阻与所述第三电阻串联在所述第二开关管的栅极与所述第三开关管的第一端之间。
4.如权利要求3所述一种GaN功率放大器的负压保护电路，其特征在于，还包括第四电阻，所述第四电阻的一端连接所述正电，所述第四电阻的另一端与所述第二电阻和所述第三电阻的串联中点连接。
5.如权利要求4所述一种GaN功率放大器的负压保护电路，其特征在于，还包括第五电阻，所述控制信号经过所述第五电阻连接所述第二开关管的漏极。
6.如权利要求5所述一种GaN功率放大器的负压保护电路，其特征在于，还包括第六电阻，所述第六电阻串联在所述负电与所述第一电阻之间。
7.如权利要求6所述一种GaN功率放大器的负压保护电路，其特征在于，还包括第七电阻与第一电容，所述第一电容的一端连接所述第一电阻与所述第六电阻的串联中点，所述第一电容的另一端接地，所述第七电阻并联在所述第一电容两端。
8.如权利要求1所述一种GaN功率放大器的负压保护电路，其特征在于，所述第三开关管为NPN型三极管。
9.如权利要求1所述一种GaN功率放大器的负压保护电路，其特征在于，所述第三开关管为N型MOSFET。
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