氮化鎵功率器件偏置電路

摘 要：本文介紹一種有效的氮化鎵偏置電路，該電路不僅能夠嚴格控制柵、漏極的上下電順序，保證氮化鎵功率器件可靠工作，同時兼具柵壓溫度補償功能，保證器件的靜態(tài)工作點穩(wěn)定，從而獲得穩(wěn)定的射頻性能。

關鍵詞：氮化鎵；偏置電路；柵壓溫補

中圖分類號：TN61 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）07-0043-03

Abstract：The paper introduce an effective gallium nitride biasing circuit. This circuit can not only strictly control the upper and lower electrical order of the gate and drain，ensure the reliable work of the GaN power device，but also have the gate pressure temperature compensation function，which ensures the stable static working point of the device，thus obtaining stable RF performance.

Keywords：gallium nitride；bias circuit；gate voltage temperature compensation

0 引 言

氮化鎵（GaN）材料具有禁帶寬帶大、擊穿電場強、電子遷移率和飽和電子漂移速度高等優(yōu)越的物理特性，使得GaN基高電子遷移率晶體管（HEMT）具有優(yōu)異的高頻和寬帶、大功率特性，在無線通信和雷達等領域發(fā)揮著日益重要的作用。GaN HEMT是耗盡型器件，柵極閾值（Pinch-off）電壓為負壓，這需要嚴格地控制上下電時序（先開柵壓后開漏壓，先關漏壓后關柵壓），否則在深開啟狀態(tài)下，任何大小的漏壓都很容易燒毀器件。與硅基功率器件一樣，GaN HEMT的電子遷移率與柵極閾值電壓（Vth）都會隨著溫度的變化而變化，所以柵極需要有溫補電路以穩(wěn)定靜態(tài)工作點，以便基于GaN HEMT的放大電路系統(tǒng)能獲得優(yōu)異的線性、增益等性能。本文設計的電路能完美地實現(xiàn)上下電時序控制與柵壓溫補功能。

1 電路設計

1.1 電路功能要求

1.1.1 上下電時序基本要求

上電時序：（1）設置柵極電壓為閾值電壓（Vth）或低于閾值電壓，確保漏極處于關斷狀態(tài)；（2）設置柵極電壓為正常工作電壓；（3）設置漏極電壓為正常工作電壓；（4）加載射頻信號。

下電時序：（1）關斷射頻信號；（2）設置柵極電壓為閾值電壓或低于閾值電壓，確保漏極處于關斷狀態(tài)；（3）設置漏極偏置電壓為0V；（4）設置柵極電壓為0V。

1.1.2 柵壓溫補要求

GaN HEMT的漏極電流（Ids）受面電子遷移率、漏極電壓、柵極偏置電壓與柵極閾值電壓控制。面電子遷移率與閾值電壓都是溫度的函數(shù)，會隨著溫度的變化而變化。如圖1所示是科銳（Cree）公司CGH21240器件的漏極電流與溫度的變化圖。

從圖1中可以清晰地看出，在固定柵極電壓與漏極電壓的情況下，漏極電流具有負溫度系數(shù)。于是得出，要是柵極電壓具有合適正溫度系數(shù)的話，可以獲得固定的漏極電流。

1.2 電路功能實現(xiàn)

1.2.1 負壓產(chǎn)生

簡單的負壓電路可以直接使用類似LM2776的電荷泵電壓變化器來實現(xiàn)，其電路如圖2所示。

當多個GaN HEMT器件一起使用，需要比較大的電流驅(qū)動能力時，可以使用開關電源芯片來設計負壓產(chǎn)生電路，典型電路如圖3所示。這種形式的電路還有一個好處，就是負電壓是連續(xù)可調(diào)的，非常方便使用。

1.2.2 柵壓溫補電路

利用熱敏電阻的溫度特性可以很容易地設計出正、負溫度系數(shù)的補償電路，由于電路很容易實現(xiàn)，在這兒就不做舉例。利用NPN晶體管的發(fā)射結(jié)正偏電壓的負溫度系數(shù)特性也可以靈活地設計各種正、負溫度系數(shù)的補償電路，圖4為一種可以應用于GaN HEMT正溫度補償?shù)碾娐贰?/p>

在放大狀態(tài)下，硅晶體管dVB/dT≈-2.0mV/℃，鍺晶體管dVB/dT≈-1.55mV/℃，選取合適的R1～R7阻值，即可獲得需要的溫度補償系數(shù)值。

1.2.3 時序控制電路

本文設計的時序控制電路如圖5所示。其中+5V、-5V都是從VIN轉(zhuǎn)換而來，圖5進行了省略，可以參考圖6的完整電路。

電路原理如下：（1）當VIN加載上時，只要柵壓沒穩(wěn)定在預設的柵極閾值電壓，Vsw為低電平，K1管不導通，從而K2不導通，則漏極電壓VDD沒加載上。（2）當Vgs達到預設柵極閾值電壓時，Vsw為高電平，K1管導通，K2跟隨導通，VDD加載成功。（3）當VDD加載成功后，VDD通過R9對C4充電，充電完成后，K3管導通，VDD_FB變成0V，Vgs自動從柵極閾值電壓向上跳變?yōu)樾枰墓ぷ麟妷骸＃?）當下電時，因+5V、-5V是由VIN轉(zhuǎn)換而來，且電壓值遠小于VIN電壓值，C1、C2、C4電容儲能仍可維持電路正常工作。（5）選取合適的R11、R12阻值，使VDD電壓值僅下降一點時，K3由導通變?yōu)椴粚ǎ藭r，柵壓Vgs自動從正常電壓值向下跳變?yōu)殚撝惦妷褐怠＃?）由于-5V為VIN轉(zhuǎn)換而來，故直至VDD降到0V附近時，負壓仍能一直存在，確保GaN HEMT下電過程中除初始瞬間外，始終是處于關斷狀態(tài)。

1.2.4 完整電路

把圖3、圖4、圖5電路綜合在一起，即可得到圖6所示完整電路。

2 電路測試

上、下電時序性能測試結(jié)果分別如圖7、圖8所示。

柵壓溫補性能如圖9所示。

3 結(jié) 論

本文設計了一種GaN HEMT的偏置電路，試驗測試證明該電路可以很好地滿足GaN HEMT柵壓溫補要求及特殊的上下電時序要求。當批量生產(chǎn)時，可以考慮把電路中的運算放大器、晶體管、場效應管等小電流器件集成在一起，設計成單一芯片，從而大幅減小電路面積。

參考文獻：

[1] 童詩白，華成英.模擬電子技術基礎 [M].北京：高等教育出版社，2005.

[2] Substrates for GaN RF Devices.NitronexApplication Note.AN-011，2008.

[3] Bias Sequencing and Temperature Compensation for GaN HEMTs.NitronexApplication Note.AN-009，2008.

作者簡介：謝路平（1981-），男，漢族，江西大余人，研發(fā)副部長，通信技術中級工程師，本科。研究方向：高效率線性寬帶射頻功率放大器。