Автоматическое отказоустойчивое смещение GaN-транзисторов. Часть 1.
ВВЕДЕНИЕ
GaN HEMT транзисторы – это устройства, работающие в режиме обеднения носителями, поэтому они требуют отрицательного напряжения для затвора и положительного напряжения для стока. Иногда обеспечение и отрицательного, и положительного напряжения не очень удобно. К тому же это устройства, работающие в режиме обеднения, - поэтому КРИТИЧЕСКИ ВАЖНО ПОДАТЬ ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ НА ЗАТВОР ДО ТОГО, КАК БЫЛО ПОДАНО ПОЛОЖИТЕЛЬНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ НА СТОК, так как в противном случае транзистор будет потреблять максимально возможный ток стока из источника питания, что может привести к избыточному рассеиванию тепла и сгоранию устройства. Для решения этой проблемы компания Integra Technologies разработала полностью автоматическую схему смещения повышенной надежности для GaN транзисторов, которой требуется только один источник питания с положительным напряжением.
РАБОТА СХЕМЫ
На Рис.1 показана общая схема, на Рис.2 – схема со всеми деталями. Диодный детектор, подключенный к ответвителю, используется для определения момента, когда на транзистор подается ВЧ сигнал. У данной схемы есть две стадии работы. В первой фазе, которую мы опишем сначала, отрицательное напряжение подается на затвор GaN транзистора таким образом, что при последующем приложении смещения стока, устройство будет смещено при отсечке, то есть ток стока не будет течь, кроме тока утечки транзистора, указанного в техническом паспорте транзистора. Эта последовательность смещения, в которой сначала подается отрицательное напряжение затвора, а затем положительное смещение стока, является полностью автоматической, обладает повышенной надежностью и контролируется схемой. Integra назвала эту схему схемой импульса и последовательности (GPS circuit), и ее первая фаза работы является аспектом последовательности.
Во второй фазе работы, когда диод обнаруживает присутствие приложенного ВЧ импульса, схема устанавливает напряжение смещения затвора на значение, требуемое для достижения желаемого тока покоя IDQ, после чего транзистор усиливает ВЧ сигнал. В период отсутствия ВЧ сигнала напряжение затвора снова возвращается к напряжению отсечки. Эта вторая фаза схемы является аспектом импульса, управляющего пропусканием.
Нужно отметить четыре важных момента при использовании GPS схемы.
Во-первых, очевидно, что существует конечное время задержки между приложением ВЧ импульса на входе и включением GaN устройства, а также последовательности выключения. Эти задержки и связанное с ними время нарастания и спада будут детально рассмотрены ниже.
Во-вторых, эта схема оказывает позитивное влияние на снижение дробового шума, вводимого в приемник во время отсутствия ВЧ сигнала. Кремниевые биполярные высокочастотные транзисторы работают в классе С и обладают очень нужной функцией автоматического обеспечения того, что постоянный ток не проходит через транзистор, когда ВЧ сигнал не подается на вход транзистора. Это гарантирует отсутствие десенсибилизации приемника из-за дробового шума, поступающего на приемник от любого постоянного тока покоя, проходящего через транзистор в период отсутствия ВЧ сигнала.
Однако, устройства GaN HEMT и LDMOS всегда работают в классах А/В, потому без установки напряжения затвора на значение отсечки в период отсутствия ВЧ сигнала эти транзисторы будут пропускать свой нормальный ток покоя, который будет направлять дробовой шум на приемник и создавать десенсибилизацию. GPS схема автоматически устанавливает напряжение затвора на значение отсечки в период отсутствия ВЧ сигнала, поэтому практически устраняет внедрение дробового шума. Незначительный остаточный ток стока все равно будет, даже когда напряжение затвора установлено на значение отсечки из-за конечного тока утечки транзистора, но этот эффект будет значительно меньше. Пример улучшения чувствительности ресивера будет приведен ниже.
Третьим преимуществом использования данной GPS схемы является улучшение общей эффективности системы, так как в транзисторе не будет рассеиваться мощность, кроме той, которая вызвана конечным током утечки в период отсутствия ВЧ сигнала. Этот эффект может быть очень значительным, поскольку многие радиолокационные системы работают с рабочим циклом 10% или меньше, то есть транзистор рассеивает продукт своего напряжения и тока покоя в 90% времени. Устранение рассеивания мощности постоянного тока во время отсутствия ВЧ сигнала может увеличить общую эффективность системы на 6 процентных пунктов [1]. Однако, при этом будет очень небольшое снижение эффективности во время импульса, обычно 0,3%, из-за конечного падения напряжения на 0,2В на сверхнизком RDS,on MOSFET транзисторе, используемом в качестве переключателя стока для GaN транзистора.
Четвертое преимущество использования этой схемы заключается в том, что пользователю нужно только подать единственное положительное напряжение на тестовую установку, все остальные напряжения будут сгенерированы внутри.
1. Daniel Koyama, Apet Barsegyan, John Walker, “Implica tions of Using kW-level GaN Transistors in Radar and Avionic Systems”, IEEE COMCAS Conference, Tel Aviv, Израиль, 2-4 ноября 2015.
Источник - www.IntegraTech.com
