CN207529257U - GaN-HEMT功放管栅极漏极加电时序保护偏置电路 - Google Patents
GaN-HEMT功放管栅极漏极加电时序保护偏置电路 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种GaN‑HEMT功放管栅极漏极加电时序保护偏置电路，包括栅极漏极加电时序保护模块、栅极正负压转换模块、电压调节模块和电压跟随器；栅极正负压转换模块通过负压稳压芯片将输入正电压转换为负电压，并通过RC电路进行滤波；负压稳压芯片的REG管脚为栅极提供提供TTL高电平信号，REG管脚的输出信号通过NPN三极管、N沟道MOSFET和P沟道MOSFET对漏压加电进行控制；当栅极电源负压输出不正常时，REG给出高电平，P沟道MOSFET关断，漏极不上电；栅极电源负压输出正常时，REG管脚给出低电平，P沟道MOSFET导通，漏极上电。本实用新型具有技术简单，结构简洁，易于单芯片集成和占用面积小的优势；显著提高了相关应用中微波、毫米放大器件的保护能力，应用领域广泛。
Description
技术领域
本实用新型涉及加电时序保护偏置电路，尤其涉及一种GaN-HEMT功放管栅极漏极加电时序保护偏置电路。
背景技术
随着数据通信、无线通信以及航空航天系统的快速发展,射频功率放大器在相控阵雷达、点对点无线通信和电子对抗系统等领域的重要性不断提高。高功率、高效率、低成本和小型化的功率放大器成为目前的研究趋势。
以GaN为代表的第三代半导体材料以宽禁带、高电子迁移率、高击穿电场、高热导率、稳定的化学性和强抗辐射能力等特点,逐渐取代GaAs等第二代半导体材料。由 GaN制成的高电子迁移率晶体管(GaNHEMT)功率器件，具有工作频段高、功率密度高、耐高压耐高温等优点，目前已经成为研制固态功率放大器的理想器件。但由于GaN HEMT功放管购买价格较高，在大规模使用GaN HEMT功放管的过程中，电路设计或使用不当易发生元器件损坏情况，使用栅极、漏极加电时序保护偏置电路模块，可极大减小功放管损坏几率。
实用新型内容
实用新型目的：未解决现有技术存在的不足，本实用新型的目的是提供一种用于保护元器件不受损坏的GaN-HEMT功放管栅极漏极加电时序保护偏置电路，使得在使用功率放大过程中栅极电压(Vgs)短路、短路等非正常情况下，自动关断漏极电压(Vds)，保护元器件不受损坏。
技术方案：本实用新型所述的GaN-HEMT功放管栅极漏极加电时序保护偏置电路，包括栅极漏极加电时序保护模块、栅极正负压转换模块、用于调节栅极正负压转换模块的输出电压的电压调节模块以及用于给功放管提供稳定栅压的电压跟随器；所述栅极正负压转换模块通过一负压稳压芯片将栅极漏极加电时序保护模块的输入正电压转换为负电压，并通过RC电路进行滤波；所述负压稳压芯片的REG管脚为栅极提供信号，该REG管脚的输出信号通过一NPN三极管、一N沟道MOSFET和一P沟道 MOSFET对漏压加电进行控制；当栅极电源负压输出不正常时，REG给出高电平，P沟道MOSFET关断，漏极不上电；栅极电源负压输出正常时，REG管脚给出低电平，P沟道MOSFET导通，漏极上电。
优选的，所述负压稳压芯片采用LTC1261CS8-4；所述电压调节模块采用运放LM7321MF；所述P沟道MOSFET采用IRFR5305，其导通电阻为0.060-0.070Ω；所述N沟道MOSFET为TN2404K；所述NPN三极管为MBT3904。
所述电压调节模块使用贴片电位器和分压电阻对栅极正负压转换模块的输出电压进行调节；其中，分压电阻R8和R10对电压进行粗调，贴片电位器R13对电压进行细调。
所述电压调节模块包括一用于进行负压输出指示的发光二极管D1。
工作原理：本实用新型通过负压稳压芯片产生一个稳定负电，并通过分压电路，分压至所需栅极电压，再利用运放构成射随器，最终提供给功放管；同时通过稳压芯片 REG管脚给出栅极加入高低电平信号，输出信号通过NPN三极管、N沟道、P沟道对漏压加电进行控制，最终达到栅极电源负压输出不正常时，主动关断功放管漏极电压，得以保护GaN HEMT功放管的目的。
有益效果
与传统的从功放管电路拓扑、工艺封装出发进行改进，以提高元器件保护能力的方案相比，本实用新型具有如下优势：1、结构简洁，成本低，易于单芯片集成、占用面积小；2、极大地提高产品稳定度，提高了相关应用中对GaN HEMT功放管保护能力； 3、可广泛适用于微波、毫米波放大器件和各类电路等应用。
附图说明
图1本实用新型的电路原理图；
图2为负压稳压芯片LTC1261CS8-4的+5V输入、-4V输出的工作原理图；
图3为运放LM7321在Vs＝±5V，Vout from V-状态下射随功能图；
图4为N沟道MOSFET TN2404K的Vds/Vgs输出电压、动态电流关系图；图4(a)为输出特性曲线，图4(b)为转移特性曲线；
图5为P沟道MOSFET IRFR5305开通、关断时间示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本实用新型的技术方案作进一步详细说明。
工作频率1-2G宽带10W功率放大器件，由2级CREE公司CGH40006P型典型值 6W GaNHEMT功放管通过电桥合成方式，最终产生10W连续波功率放大器；本实例中，GaN-HEMT功放管栅极漏极加电时序保护偏置电路模块，将起着关键作用,能对功放管进行负电保护同时提高功放管的工作稳定度。
如图1所示为本实用新型的电路原理图，电路中网络标号+5V接入系统+5V电源，VD_IN接入系统漏极供电电源，VG接入功放栅极，VD接入功放漏极。本实用新型的GaN-HEMT功放管栅极漏极加电时序保护偏置电路，包括栅极漏极加电时序保护模块1、栅极正负压转换模块2、用于调节栅极正负压转换模块2的输出电压的电压调节模块3以及用于给功放管提供稳定栅压的电压跟随器4；
其中，栅极正负压转换部分：稳压芯片采用LTC1261CS8-4，把输入的+5V电压转换为-4V电压，并通过C3、R7、C4进行滤波，使-4V电源纹波小于2mV，保证了栅极供电的纯净；
电压调节部分：使用电位器和分压电阻对输出电压进行调节，R8、R10对分压进行粗调，贴片电位器R13对电压进行细调；发光二极管D1进行负压输出指示；
电压跟随器：由于GaN功放管饱和时栅极电流变化较大，利用运放LM7321MF 构成射随器，保证整个栅压供电电路很小的输出阻抗(小于1欧)，防止由于电流变化造成电压波动，从而给功放管提供稳定的栅压；
栅极漏极加电时序保护电路部分：由于GaN HEMT为耗尽型器件，使用时应先加栅极负电再加漏极正电，此部分电路可以有效的防止加电时序错误对GaN功放管造成损坏。负压稳压芯片LTC1261CS8-4通过REG给出栅极加电信号，该REG管脚输出信号又通过NPN三极管MBT3904、N沟道MOSFET TN2404K、P沟道MOSFET IRFR5305对漏压加电进行控制。
电路结构及器件制备：
本实施例，板材选用ROGERS-4350系列陶瓷板材，介电常数3.48，板厚0.508mm，镀涂采用镀金方式。功放管选取GaN HEMT CGH40006P(Vgs＝-2.7V,Vds＝+28V)，负压稳压芯片选用LTC1261CS8-4：将稳压至+5V电压转换为-4V电压，并通过电容电阻进行滤波，使-4V电源纹波小于2mV，保证了栅极供电的纯净；后经过分压电阻将-4V 电压分压至功放管所需-2.7V栅极电压；电压跟随器LM7321MF将分压后的-2.7V电压提供给功放管栅级；图2为负压稳压芯片LTC1261CS8-4的+5V输入、-4V输出的工作原理图；图3为运放LM7321在Vs＝±5V，Vout from V-状态下射随功能图。
负压稳压芯片LTC1261CS8-4通过12脚REG给出栅极加电信号(负压输出不正常时，该管脚为高电平，负压输出正常时该管脚为低电平)，该管脚输出信号通过NPN 三极管MBT3904、N沟道MOSFET TN2404K、P沟道MOSFET IRFR5305对漏压 (+28V)加电进行控制，栅极电源负压输出不正常时，REG给出高电平，IRFR5305 关断，漏极不上电。栅极电源负压输出正常时，REG给出低电平，IRFR5305导通，漏极上电。从而有效的保护功放管。IRFR5305极小的导通电阻，导通电阻为0.065欧，也保证了漏压在此MOSFET上较小的压降；通常，该导通电阻的取值为0.060-0.070Ω，即可满足设计要求；图4(a)-4(b)为N沟道MOSFET TN2404K的Vds/Vgs输出电压、动态电流关系图，其中，图4(a)为输出特性曲线，图4(b)为转移特性曲线；图5为P沟道MOSFET IRFR5305开通、关断时间示意图，其中，脉冲宽度≤1us，占空因数≤0.1％。
试验结果：
将提供给稳压芯片LTC1261CS8-4的+5V电压切断，导致稳压芯片LTC1261CS8-4 输出并稳压的-2.7V栅极电压关断，同时测量功放管漏极+28V是否仍然供电，使用万用表测试漏极电压，发现漏极电压随着栅极负电的关断同时关断。试验结果表明功放管栅极、漏极加电时序保护偏置电路模块试验成功；本实用新型模块还可嵌入至各式板材电路，通用性强，成本低。
本实用新型可广泛运用于各类放大器件中，例如功率放大集成芯片因其体积小，也广泛用于此类产品中。此设计电路也可根据小结构的需求，设计成小模块，低功耗保护电路板，嵌入至各类放大器件中，其长宽可做到20mm*15mm，为小结构设计要求的器件提供了成熟，稳定的保护模块。
本实用新型提出的电路结构为各类放大芯片，放大管栅极漏极电压时序提供了关键保护作用。实施例表明其作用效果良好，采用本实用新型可提高器件保护功能具有积极意义。
Claims (9)
1.一种GaN-HEMT功放管栅极漏极加电时序保护偏置电路，其特征在于：包括栅极漏极加电时序保护模块(1)、栅极正负压转换模块(2)、用于调节栅极正负压转换模块(2)的输出电压的电压调节模块(3)以及用于给功放管提供稳定栅压的电压跟随器(4)；所述栅极正负压转换模块(2)通过一负压稳压芯片将栅极漏极加电时序保护模块(1)的输入正电压转换为负电压，并通过RC电路进行滤波；所述负压稳压芯片的REG管脚为栅极提供TTL高电平信号，该REG管脚的输出信号通过一NPN三极管、一N沟道MOSFET和一P沟道MOSFET对漏压加电进行控制；当栅极电源负压输出不正常时，REG给出高电平，P沟道MOSFET关断，漏极不上电；栅极电源负压输出正常时，REG管脚给出低电平，P沟道MOSFET导通，漏极上电。
2.根据权利要求1所述的栅极漏极加电时序保护偏置电路，其特征在于：所述负压稳压芯片采用LTC1261CS8-4。
3.根据权利要求1所述的栅极漏极加电时序保护偏置电路，其特征在于：所述电压调节模块(3)采用运放LM7321MF。
4.根据权利要求1所述的栅极漏极加电时序保护偏置电路，其特征在于：所述电压调节模块(3)使用贴片电位器和分压电阻对栅极正负压转换模块(2)的输出电压进行调节；其中，分压电阻R8和R10对电压进行粗调，贴片电位器R13对电压进行细调。
5.根据权利要求1所述的栅极漏极加电时序保护偏置电路，其特征在于：所述电压调节模块(3)包括一用于进行负压输出指示的发光二极管D1。
6.根据权利要求1所述的栅极漏极加电时序保护偏置电路，其特征在于：所述NPN三极管为MBT3904。
7.根据权利要求1所述的栅极漏极加电时序保护偏置电路，其特征在于：所述N沟道MOSFET为TN2404K。
8.根据权利要求1所述的栅极漏极加电时序保护偏置电路，其特征在于：所述P沟道MOSFET为IRFR5305。
9.根据权利要求8所述的栅极漏极加电时序保护偏置电路，其特征在于：所述IRFR5305的导通电阻为0.060-0.070Ω。
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