Автоматическое отказоустойчивое смещение GaN-транзисторов. Часть 2.
В деталях работа данной схемы выглядит следующим образом: ссылаясь на схему на Рис.2, N-канальный силовой полевой МОП-транзистор Q5 используется в качестве переключателя стока, соединяющий положительный источник питания со стоком GaN устройства. Q5 имеет очень низкий RDS,on 8.5 мОм, чтобы минимизировать потерю напряжения, и может пропускать до 80А тока стока, что достаточно для всех GaN транзисторов Integra. Q5 включается и выключается через контакт затвора (контакт 6) контроллера U3. При первичном включении постоянного тока транзистор Q5 остается выключенным, тогда как стабилизатор напряжения +5В U4 и инвертер напряжения U5 включаются. Выход U4 управляет входом U5 для создания -5В, необходимых для смещения затвора GaN транзистора.
Когда положительное напряжение достигает примерно +4В, U5 начинает включаться и на его выходе возникает отрицательное напряжение. Когда напряжение на выходе U5 достигает примерно -4В, NPN транзистор Q4 включается, который затем включает Р-канальный МОП-транзистор Q2. Когда Q2 включен, его электрод истока переходит в 0В, выключая N-канальный МОП-транзистор Q3.
Разомкнутая цепь на стоке Q3 отключает его от UV контакта (контакт 1) U3 и позволяет продолжить нормальную работу контроллера U3. Когда U5 выключен или не полностью включен, то есть, когда его выход составляет -4В или меньше, то Q3 будет включена, подтягивая UV вывод контроллера U3 до 0В и заставляя U3 выключить Q5. Это гарантирует, что к GaN устройству не будет приложено напряжение стока, когда выходное напряжение инвертера напряжения не менее -4В, и что GaN устройство всегда будет изначально отсекаться, когда к нему будет приложено напряжение стока.
По мере нарастания мощности U3 становится активным и берет на себя управление оставшимся процессом упорядочивания смещения. Когда UV вывод U3 достигает порогового напряжения 4В, вывод затвора (контакт 6) U3 начинает включать Q5, позволяя приложить напряжение стока к GaN устройству. Напряжение питания, при котором это происходит, определяется действием делителя напряжения резисторов R11 и R12:
В качестве примера для R11=68K и R12=10K, сток начнет включаться, когда VSupply достигнет 31В. На выводе затвора U3 используется подкачка зарядов для линейного нарастания напряжения стока. Это время нарастания может регулироваться с помощью конденсатора С9.
При отключении питания процесс происходит в обратном порядке за исключением того, что пороговый уровень немного смещен из-за встроенного гистерезиса в контроллере U3 (пороговое значение от высокого к низкому составляет 3,6В для вывода UV). Для примера, приведенного выше, пороговое значение от высокого к низкому можно определить, заменив 4В на 3,6В в формуле (1), откуда Q5 выключается, когда напряжение питания превышает 28В.
Все, описанное выше, — это безопасное применение напряжения стока к устройству GaN. До этого момента GaN транзистор не пропускает ток стока, не считая небольшого количества тока утечки, максимальное значение которого определено в спецификации транзистора, поскольку -5В на выходе регулятора напряжения U5 подается через операционный усилитель U2 на затвор GaN транзистора, что вызывает отсечку.
Схема импульсов затвора питается постоянным током от выхода -5В инвертора напряжения U5, но в остальном работает отдельно от контроллера последовательности смещения стока. Когда подается ВЧ импульс, детектор на диодах Шоттки D1 запускает компаратор/переключатель U1, который переключает напряжение затвора на желаемый рабочий уровень смещения.
Напряжение смещения затвора определяется потенциометром R4. Для быстрого переключения в буферном усилителе используется высокоскоростной операционный усилитель с полным размахом напряжения. Кроме того, емкость на линии смещения затвора после переключателя была минимизирована, чтобы поддерживать быстрое время нарастания/спада. Общее потребление мощности этой схемы импульса и последовательности составляет 0,85 Вт (17мА при 50В). В период отключения GaN транзистор еще раз смещается при отсечке, так что в транзисторе во время отключения не происходит рассеивание мощности, не считая вызванной током утечки.
Это было описание полностью автоматического и отказоустойчивого смещения GaN транзисторов с использованием диода для обнаружения наличия ВЧ импульса. Однако, могут быть ситуации, когда использование четвертьволнового ответвителя и диодного детектора нежелательно или непрактично по соображениям размера. Конечно, можно пропустить схему ответвителя и детектора и включить смещение затвора, вставив делитель напряжение и переключатель, подключенный между выходом -5В на U5 и землей, и соединить среднюю точку делителя с затвором Q1.
Однако, это приведет к протеканию тока покоя в период отключения с последующим снижением эффективности системы, а также к возникновению дробового шума в приемнике.
Источник — www.Integra.com
