CN213661573U - 功率放大器的栅极电压切换电路及驱动电路 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种功率放大器的栅极电压切换电路及驱动电路。该栅极电压切换电路包括比较器、正电压生成单元、基准电压生成单元、控制信号生成单元以及分压单元，其中正电压生成单元的输出端连接至比较器的电源端，基准电压生成单元的输出端连接至比较器的反相输入端，控制信号生成单元的输出端连接至比较器的正相输入端，比较器的接地端连接至一负电压，分压单元的一端连接至比较器的接地端且另一端接地，并且比较器的输出端在分压单元的两端之间连接至分压单元，从而控制信号生成单元所输出的控制信号能够切换于分压单元的两端之间的一位置输出的用于连接至功率放大器的栅极电压。本申请提供的方案能够使功率放大器稳定地处于正常使用状态。

Description

功率放大器的栅极电压切换电路及驱动电路

技术领域

本申请涉及通信技术领域，尤其涉及一种功率放大器的栅极电压切换电路及驱动电路。

背景技术

目前氮化镓功率放大管慢慢成为5G建设中的主流器件，其栅极电压控制方式也深受大众关注。在氮化镓功率放大管的驱动电路中，栅极需要偏置为负电压，并且氮化镓功率放大管的栅极和漏极的上电时序也有严格的要求。当上电时栅极电压一定要比漏极电压先开启，并且当下电时栅极电压也一定要比漏极电压先关闭，这样才能有效的保护氮化镓功率放大管不被损坏。因此设计可靠、稳定的栅极电压切换电路及驱动电路，对于氮化镓功率放大管的正常使用极其重要。然而，相关技术中的氮化镓功率放大管的驱动电路中，由于栅极电压和漏极电压的上电时序、下电时序不满足要求，氮化镓功率放大管常被不可逆的损坏。

实用新型内容

为克服相关技术中存在的问题，本申请提供一种功率放大器的栅极电压切换电路及驱动电路，该栅极电压切换电路及驱动电路能够使功率放大器稳定地处于正常使用状态。

本申请第一方面提供一种功率放大器的栅极电压切换电路，包括比较器、正电压生成单元、基准电压生成单元、控制信号生成单元以及分压单元，其中所述正电压生成单元的输出端连接至所述比较器的电源端，所述基准电压生成单元的输出端连接至所述比较器的反相输入端，所述控制信号生成单元的输出端连接至所述比较器的正相输入端，所述比较器的接地端连接至一负电压，所述分压单元的一端连接至所述比较器的接地端，所述分压单元的另一端接地，并且所述比较器的输出端在所述分压单元的两端之间连接至所述分压单元，从而所述控制信号生成单元所输出的控制信号能够切换于所述分压单元的两端之间的一位置输出的用于连接至所述功率放大器的栅极电压。

本申请第二方面提供一种功率放大器的驱动电路，包括根据上述第一方面所述的栅极电压切换电路以及所述功率放大器的漏极电压切换电路，其中所述漏极电压切换电路包括负电压生成单元、驱动电平转换单元、功率管驱动单元以及直流电源，其中所述负电压生成单元的输出端连接至所述驱动电平转换单元的输入端，所述驱动电平转换单元的输出端连接至所述功率管驱动单元的栅极端，所述功率管驱动单元的源极端连接至所述直流电源，所述功率管驱动单元的漏极端输出用于连接至所述功率放大器的漏极电压，从而所述负电压生成单元所生成的调制信号能够切换所述功率管驱动单元的漏极端输出的漏极电压。

本申请提供的技术方案可以包括以下有益效果：

通过使用本申请的栅极电压切换电路和驱动电路，能够使功率放大器稳定地处于正常使用状态而不被损坏；

在本申请的栅极电压切换电路中，可以充分利用比较器内部开路输出特性来实现高、低阻态切换，并且只需用几个常规分压电阻即可实现栅极电压的自由切换；整个栅极电压切换电路的优势在于只用到了一个比较器和几个电阻，因此成本低，稳定性好，应用起来也比较简单；

在本申请的驱动电路中，只需要用负压驱动NPN三极管，并使用两个MOS开关管配合即可实现漏极电压上电、下电时序的控制，从而保证氮化镓处于稳定的正常工作状态并且不被损坏。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

通过结合附图对本申请示例性实施方式进行更详细的描述，本申请的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本申请示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1是本申请一实施例示出的一种功率放大器的栅极电压切换电路的框架结构示意图；

图2是本申请一实施例示出的低功耗低失调电压双比较器的封装示意图；

图3是图2中的低功耗低失调电压双比较器的其中一个比较器的内部电路原理图；

图4是本申请一实施例示出的一种功率放大器的栅极电压切换电路的具体示例；

图5是本申请一实施例的一种功率放大器的驱动电路的框架结构示意图；

图6是本申请一实施例的驱动电路中直流电源经经稳压芯片稳压出一稳定负压的示意图；

图7是本申请一实施例示出的一种功率放大器的漏极电压切换电路的具体示例。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本申请的优选实施方式。虽然附图中显示了本申请的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本申请而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本申请更加透彻和完整，并且能够将本申请的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义

应当理解，尽管在本申请可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

以下结合附图详细描述本申请实施例的技术方案。

图1是本申请一实施例示出的一种功率放大器的栅极电压切换电路的框架示意图。

参见图1，根据本申请的第一方面，一实施例提供了一种功率放大器的栅极电压切换电路可以包括比较器、正电压生成单元、基准电压生成单元、控制信号生成单元以及分压单元。其中，正电压生成单元的输出端连接至比较器的电源端，基准电压生成单元的输出端连接至比较器的反相输入端，控制信号生成单元的输出端连接至比较器的正相输入端，比较器的接地端连接至一负电压，分压单元的一端连接至比较器的接地端，分压单元的另一端接地，并且比较器的输出端在分压单元的两端之间连接至分压单元，从而控制信号生成单元所输出的控制信号能够切换于分压单元的两端之间的一位置输出的用于连接至功率放大器的栅极电压。

作为上述实施例的可选实施方式，上述功率放大器可为氮化镓功率放大管。

作为上述实施例的优选实施方式，上述功率放大器的栅极电压切换电路还可以包括第一下拉电阻，其中第一下拉电阻的一端连接至比较器的反相输入端，第一下拉电阻的另一端接地。

作为上述实施例的优选实施方式，上述功率放大器的栅极电压切换电路还可以包括第一旁路电容，其中第一旁路电容的一端连接至第一下拉电阻的接地端，第一旁路电容的另一端连接至比较器的接地端。

作为上述实施例的优选实施方式，上述功率放大器的栅极电压切换电路还可以包括第二旁路电容，其中第二旁路电容的一端连接至比较器的电源端，第二旁路电容的另一端连接至分压单元的接地端。

作为上述实施例的优选实施方式，比较器可以为低功耗低失调电压双比较器，例如低功耗低失调电压双比较器LM2903D。电压双比较器LM2903D的封装示意图如图2所示，其中任何一个比较器的内部电路原理图如图3所示。电压双比较器LM2903D的电源供电范围为+2V至+36V，常用+5V供电，使用时其接地端(引脚4)可接至-5V，其反相输入端可接一基准电压(例如+1.67V)，其正相输入端作为控制端可接一控制电压(例如0V或+3.3V)。

作为上述实施例的优选实施方式，比较器的接地端可以连接至-5V。

在一实施例中，基准电压生成单元可以包括一恒压源和至少一个第一负载电阻，其中恒压源经过至少一个第一负载电阻连接至比较器的反相输入端，从而为比较器的反相输入端提供稳定的基准电压。

作为上述实施例的优选实施方式，恒压源输出+5V的电压。

在一实施例中，控制信号生成单元可以包括可控供电直流电源和至少一个第二负载电阻，其中可控供电直流电源经过至少一个第二负载电阻连接至比较器的正相输入端。

在一实施例中，分压单元可以包括至少两个第一分压电阻，其中比较器的输出端与栅极电压的输出位置均位于至少两个第一分压电阻之间。

为了更清楚的示出本申请的功率放大器的栅极电压切换电路，以一具体电路作为示例，该示例仅用于解释说明而不用于限制本申请。参见图4，图4是本申请一实施例示出的一种功率放大器的栅极电压切换电路的具体示例，在该示例中，功率放大器的栅极电压切换电路包括比较器U1A(型号为LM2903D)、正电压生成单元、基准电压生成单元、控制信号生成单元以及分压单元。

在该示例中，正电压生成单元提供+5V的电压并连接至比较器U1A的电源端8。基准电压生成单元包括提供+5V电压的恒压源以及第一负载电阻R15，第一负载电阻R15连接至比较器U1A的反相输入端2。控制信号生成单元包括可控供电直流电源和第二负载电阻R17，可控供电直流电源经过第二负载电阻R17连接至比较器U1A的正相输入端3，该可控供电直流电源可产生控制信号，例如ptt信号，即键控控制信号。比较器U1A的接地端4被连接至-5V，并且比较器U1A的反相输入端2接入第一下拉电阻R13，第一下拉电阻R13的另一端接地。由首尾相连的三个第一分压电阻R12、R14、和R16组成分压单元，第一分压电阻R12另一端连接至比较器U1A的接地端，第一分压电阻R16的另一端接地，并且比较器U1A的输出端1连接在第一分压电阻R14与R16之间，由第一分压电阻R12和R14之间的一位置输出用于连接至功率放大器的栅极电压VGS。从而，键控控制信号ptt能够切换于第一分压电阻R12和R14之间的一位置输出的栅极电压VGS。

为了使电路更加稳定，在该示例中，还在电源处分别添加了第一旁路电容C1和第二旁路电容C2进行滤波以滤除尖峰电压。

在该示例中，比较器U1A的反相输入端2作为基准端，正相输入端3作为控制端，当正相输入端3的输入电压大于+1.67V时，比较器U1A的输出端1呈低阻抗，比较器U1A短路输出，即栅极电压VGS输出-5V；当正相输入端3的输入电压小于+1.67V时，比较器U1A的输出端1呈高阻抗，比较器U1A开路输出，即栅极电压VGS经第一分压电阻R14和R16分压后输出-3.33V。若想调节栅极电压VGS的具体电位，可将第一分压电阻R16换成电位器即可，或手动改动第一分压电阻R16阻值，从而实现对功率管放大器(例如氮化镓功率管放大管)的栅极电压值的设置。在该示例中，通过键控控制信号ptt控制电平即可实现功率管放大器工作状态下的栅极电压的切换。

在上述实施例的栅极电压切换电路中，充分利用比较器内部开路输出特性来实现了高、低阻态切换，并且只需用几个常规分压电阻即可实现栅极电压的自由切换；整个栅极电压切换电路的优势在于只用到了一个比较器和几个电阻，因此成本低，稳定性好，应用起来也比较简单。

图5是本申请一实施例的一种功率放大器的驱动电路的框架结构示意图。

参见图5，根据本申请的第二方面，一实施例提供了一种功率放大器的驱动电路，其可以包括根据本申请上述第一方面所述的栅极电压切换电路以及功率放大器的漏极电压切换电路。其中，漏极电压切换电路可以包括负电压生成单元、驱动电平转换单元、功率管驱动单元以及直流电源。其中，负电压生成单元的输出端连接至驱动电平转换单元的输入端，驱动电平转换单元的输出端连接至功率管驱动单元的栅极端，功率管驱动单元的源极端连接至直流电源，功率管驱动单元的漏极端输出用于连接至功率放大器的漏极电压，从而负电压生成单元所生成的调制信号能够切换功率管驱动单元的漏极端输出的漏极电压。

作为上述实施例的优选实施方式，如图6所示，负压生成单元可以经过稳压芯片连接至直流电源，即直流电源经经稳压芯片稳压出一稳定负压，例如由提供+28V的直流电源经稳压芯片稳压出-5V，这样可以有效保证功率放大管漏极电压的上电、下电时序。

作为上述实施例的优选实施方式，驱动电平转换单元可以包括至少两个第三负载电阻、NPN三极管、至少一个第一上拉电阻以及至少一个第二分压电阻。其中，至少两个第三负载电阻的一端连接至负电压生成单元，至少两个第三负载电阻的另一端连接至NPN三极管的基极，NPN三极管的发射极接地，至少一个第一上拉电阻的一端连接至一正电压，至少一个第一上拉电阻的另一端连接至NPN三极管的集电极，至少一个第二分压电阻的一端连接至至少两个第三负载电阻两端之间的一位置，NPN三极管的集电极连接至功率管驱动单元的栅极端。

作为上述实施例的优选实施方式，驱动电平转换单元还可以包括第二下拉电阻。其中，第二下拉电阻的一端接地，第二下拉电阻的另一端连接至至少两个第三负载电阻两端之间的一位置。

在一实施例中，功率管驱动单元可以包括至少一个第四负载电阻、NMOS开关管、至少两个第三分压电阻、PMOS开关管以及至少一个第二上拉电阻。其中，NPN三极管的集电极端连接至至少一个第四负载电阻的一端，至少一个第四负载电阻的另一端连接至NMOS开关管的栅极，NMOS开关管的漏极接地，NMOS开关管的源极通过至少两个第三分压电阻连接至直流电源，PMOS开关管的栅极连接至至少两个第三分压电阻两端之间的一位置，PMOS开关管的源极通过至少一个第二上拉电阻连接至直流电源，PMOS开关管的漏极输出用于连接至功率放大器的漏极电压。

作为上述实施例的优选实施方式，PMOS开关管的漏极经过至少一个第五负载电阻输出用于连接至功率放大器的漏极电压。

为了更清楚的示出本申请的功率放大器的驱动电路，以一具体电路作为示例，该示例仅用于解释说明而不用于限制本申请。参见图7，图7是本申请一实施例示出的一种功率放大器的漏极电压切换电路的具体示例。在该示例中，漏极电压切换电路包括负电压生成单元、驱动电平转换单元、功率管驱动单元以及直流电源。

在该示例中，驱动电平转换单元包括首尾相连的三个第三负载电阻R10、R8和R9、NPN三极管Q3、上拉电阻R5、第二分压电阻R6以及第二下拉电阻R11。其中，第三负载电阻R10的另一端连接至产生-5V负压的负电压生成单元，第三负载电阻R9的另一端连接至NPN三极管的基极，NPN三极管的发射极接地，第一上拉电阻R5的一端连接至一正电压+5V，第一上拉电阻R5的另一端连接至NPN三极管的集电极，第二分压电阻R6的一端连接至第三负载电阻R8和R9之间的一位置，并且NPN三极管的集电极连接至功率管驱动单元的栅极端，第二下拉电阻的一端接地，第二下拉电阻的另一端连接至第三负载电阻R10和R8之间的一位置。

在该示例中，功率管驱动单元包括第四负载电阻R7、NMOS开关管Q2、两个第三分压电阻R2和R3、PMOS开关管Q1、第二上拉电阻R1以及第五负载电阻R4。其中，NPN三极管的集电极端连接至第四负载电阻R7的一端，第四负载电阻R7的另一端连接至NMOS开关管Q2的栅极，NMOS开关管Q2的漏极接地，NMOS开关管的源极通过两个第三分压电阻R2和R3连接至直流电源，PMOS开关管的栅极连接至至少两个第三分压电阻两端之间的一位置，PMOS开关管Q1的源极通过第二上拉电阻R1连接至直流电源，PMOS开关管Q1的漏极经过第五负载电阻R4输出用于连接至功率放大器的漏极电压V_drain。

在该示例中，直流电源提供+28V的驱动电压，并且该提供+28V的直流电源可以经稳压芯片稳压出-5V的负压。该电源提供所提供的驱动电压值可根据功率放大器的实际漏级工作电压来设置。

通过该示例的漏极电压切换电路，采用负压来实现对漏极电压的控制，保证了功率放大器(例如氮化镓功率放大管)工作时栅极电压比漏极电压先开启。首先，当-5V未开启时，漏极电压V_drain为0V，当-5V开启时，漏级电压V_drain为+28V。其次，当-5V开启时，栅极电压的时序比漏极电压的时序快，反之，当-5V关闭时，栅极电压的时序也比漏极电压的时序快。为避免下电时栅极电压过大导致功率放大器损坏，本示例采用了用+28V直流电源经稳压芯片稳压出-5V负压的方法。此时，该时序电路中，不管是上电或下电，其栅极电压都是比漏极电压先开启且后关闭的，从而保证了功率放大器的正常使用。

上文中已经参考附图详细描述了本申请的方案。在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。本领域技术人员也应该知悉，说明书中所涉及的动作和单元并不一定是本申请所必须的。另外，可以理解，本申请实施例装置中的单元可以根据实际需要进行合并、划分和删减。

以上已经描述了本申请的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (9)

1.一种功率放大器的栅极电压切换电路，其特征在于：所述栅极电压切换电路包括比较器、正电压生成单元、基准电压生成单元、控制信号生成单元以及分压单元，其中所述正电压生成单元的输出端连接至所述比较器的电源端，所述基准电压生成单元的输出端连接至所述比较器的反相输入端，所述控制信号生成单元的输出端连接至所述比较器的正相输入端，所述比较器的接地端连接至一负电压，所述分压单元的一端连接至所述比较器的接地端，所述分压单元的另一端接地，并且所述比较器的输出端在所述分压单元的两端之间连接至所述分压单元，从而所述控制信号生成单元所输出的控制信号能够切换于所述分压单元的两端之间的一位置输出的用于连接至所述功率放大器的栅极电压。

2.根据权利要求1所述的栅极电压切换电路，其特征在于：所述比较器为低功耗低失调电压双比较器。

3.根据权利要求1所述的栅极电压切换电路，其特征在于：所述基准电压生成单元包括恒压源和至少一个第一负载电阻，其中所述恒压源经过所述至少一个第一负载电阻连接至所述比较器的反相输入端。

4.根据权利要求1所述的栅极电压切换电路，其特征在于：所述控制信号生成单元包括可控供电直流电源和至少一个第二负载电阻，其中所述可控供电直流电源经过所述至少一个第二负载电阻连接至所述比较器的正相输入端。

5.根据权利要求1所述的栅极电压切换电路，其特征在于：所述分压单元包括至少两个第一分压电阻，其中所述比较器的输出端与所述栅极电压的输出位置均位于所述至少两个第一分压电阻之间。

6.一种功率放大器的驱动电路，其特征在于：所述驱动电路包括根据权利要求1所述的栅极电压切换电路以及所述功率放大器的漏极电压切换电路，其中所述漏极电压切换电路包括负电压生成单元、驱动电平转换单元、功率管驱动单元以及直流电源，其中所述负电压生成单元的输出端连接至所述驱动电平转换单元的输入端，所述驱动电平转换单元的输出端连接至所述功率管驱动单元的栅极端，所述功率管驱动单元的源极端连接至所述直流电源，所述功率管驱动单元的漏极端输出用于连接至所述功率放大器的漏极电压，从而所述负电压生成单元所生成的调制信号能够切换所述功率管驱动单元的漏极端输出的漏极电压。

7.根据权利要求6所述的驱动电路，其特征在于：所述负电压生成单元经过稳压芯片连接至所述直流电源。

8.根据权利要求6所述的驱动电路，其特征在于：所述驱动电平转换单元包括至少两个第三负载电阻、NPN三极管、至少一个第一上拉电阻以及至少一个第二分压电阻，其中所述至少两个第三负载电阻的一端连接至所述负电压生成单元，所述至少两个第三负载电阻的另一端连接至所述NPN三极管的基极，所述NPN三极管的发射极接地，所述至少一个第一上拉电阻的一端连接至一正电压，所述至少一个第一上拉电阻的另一端连接至所述NPN三极管的集电极，所述至少一个第二分压电阻的一端连接至所述至少两个第三负载电阻两端之间的一位置，所述NPN三极管的集电极连接至所述功率管驱动单元的栅极端。

9.根据权利要求8所述的驱动电路，其特征在于：所述功率管驱动单元包括至少一个第四负载电阻、NMOS开关管、至少两个第三分压电阻、PMOS开关管以及至少一个第二上拉电阻，其中所述NPN三极管的集电极端连接至所述至少一个第四负载电阻的一端，所述至少一个第四负载电阻的另一端连接至所述NMOS开关管的栅极，所述NMOS开关管的漏极接地，所述NMOS开关管的源极通过所述至少两个第三分压电阻连接至所述直流电源，所述PMOS开关管的栅极连接至所述至少两个第三分压电阻两端之间的一位置，所述PMOS开关管的源极通过所述至少一个第二上拉电阻连接至所述直流电源，所述PMOS开关管的漏极输出用于连接至所述功率放大器的漏极电压。

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