基于模型的GaN PA設(shè)計基礎(chǔ)知識：內(nèi)部電流-電壓(I-V)波形的定義及其必要性

這是系列博文的第 3 篇文章，主要討論 GaN HEMT 非線性模型對快速高效實現(xiàn)功率放大器 (PA) 設(shè)計的重要性。

在簡單的線性 Rf/微波放大器設(shè)計中，您可以使用單個偏差 S 參數(shù)數(shù)據(jù)來設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)，例如，在一個窄頻段上實現(xiàn)最大增益，或者在帶寬上獲得平坦增益。

對于氮化鎵 (GaN) 功率放大器，設(shè)計師需要考慮非線性操作，包括 RF 電流-電壓 (I?V) 波形會發(fā)生的狀況。優(yōu)化非線性行為設(shè)計的一種方法就是仿真內(nèi)部 I-V 波形。本博文涵蓋以下內(nèi)容：

I-V 波形的定義

功率放大器工作類型

內(nèi)部和外部 I?V 波形

功率放大器設(shè)計的“波形工程”方法

回顧該系列其他博文講述的內(nèi)容：

第 1 部分：非線性 GaN 模型基礎(chǔ)知識

第 2 部分：I?V 曲線的基本原理和負(fù)載線路的原則

I-V 曲線與 I-V 波形：有何不同?

在典型 GaN HEMT 放大器應(yīng)用中，源是接地的，RF 輸入信號應(yīng)用于整個柵極-源極終端。漏極與負(fù)載連接，負(fù)載阻抗決定了當(dāng) RF-AC 輸入信號在最小和最大峰值之間來回擺動時，負(fù)載線路來回移動的軌跡。

在本系列前幾篇博文中，我們介紹了關(guān)于 I?V 曲線和負(fù)載線路的基礎(chǔ)知識，但還有另一種分析設(shè)備的非線性行為的方法，即查看設(shè)備的 I-V 波形 — 也就是電流和電壓與時間的關(guān)系圖，如下面的 2 Ghz 輸入 RF 信號圖所示。

I?V 波形和 I?V 曲線顯示不同的信息。為了展示這種不同，我們利用 Keysight ADS 和 Modelithics Qorvo GaN 庫 模型(適用于 90 W、48 V 的 Qorvo GaN 晶體管 QPD0060)創(chuàng)建了以下示例。(這里，我們假設(shè)是正弦信號。)

左圖顯示 I?V 電流和電壓波形與時間的關(guān)系，其中 AB 類偏置 Vds = 48 V，Vgs = ?2.5 V(對應(yīng)右圖中的標(biāo)記 m2)。

右圖顯示 Vgs為 4.5 V 至 0 V 時的 I?V 曲線(紅色，基于 Vgs 的 Ids 與 Vds 參數(shù)關(guān)系)?。右側(cè)的藍(lán)色曲線稱為動態(tài)負(fù)載線，表示信號完成整個正弦波周期時，漏極一側(cè)的電流生成器的動態(tài)電流-電壓軌跡。

I-V 波形和功率放大器工作類型

在功率放大器設(shè)計中，“類型”用來描述放大器的設(shè)計方法。這主要包括輸出信號驅(qū)動至預(yù)期功率水平時，晶體管的偏置條件和工作模式。

如下圖所示，這些模式分別對應(yīng) A 類、AB 類和 B 類功率放大器在標(biāo)記 m2、m3 和 m4 所示的靜態(tài)電壓-電流點時的晶體管偏置。

您也可以從 I-V 波形的角度來考慮這些操作類型。下圖顯示在 2 Ghz 基頻條件下 A 類、AB 類、B 類和 C 類的內(nèi)部 I-V 波形仿真結(jié)果。采用 Keysight ADS 和適用于 QPD0060 的 Modelithics Qorvo GaN 庫模型來實施這些仿真。

設(shè)計技巧：閱讀這篇博客文章的末尾部分，了解以下波形所使用的 ADS 原理圖。

我們來檢驗一下這些內(nèi)部 I?V 波形的預(yù)期值和細(xì)微差別。

A 類：我們預(yù)期電流和電壓本質(zhì)上都是正弦波形，此時信號電平達(dá)到電流或電壓波形(或者兩者)均在 I?V “足球場”局限區(qū)域內(nèi)的邊緣出現(xiàn)削波時的點。這與上圖所示的波形是一致的，電流和電壓波形都是正弦曲線。由于電流在正弦波周期的整個 360? 度范圍內(nèi)導(dǎo)電(非零)，A 類有時被描述為具有 360 度的“導(dǎo)通角”。

B 類：對于非削波信號，我們預(yù)計電壓波形是完整的正弦波，電流波形是半整流的正弦波。對于 B 類，因為在夾斷電壓位置會立刻偏置，我們預(yù)計電流在正弦波的半個周期內(nèi)都為非零，或者導(dǎo)電。因此，B 類的導(dǎo)通角為 180 度。從上圖中，我們可以看出電流呈現(xiàn)半正弦曲線，在半個周期內(nèi)的 0 A 位置削波。在電壓波形中可以看到一些非正弦失真。

AB 類：這種偏置正好設(shè)置在夾斷點以上，所以電流在電壓的超過一半正弦波周期內(nèi)都導(dǎo)電。對于 AB 類，導(dǎo)通角介于 180 度和 360 度之間。仿真 AB 類波形顯示為失真極小的正弦電壓和半正弦電流?？梢钥闯?，電流在超過半個周期內(nèi)都導(dǎo)電。

C 類: 偏置正好設(shè)置在夾斷點以下，所以電流在不到一半的電壓正弦波周期內(nèi)導(dǎo)電。對于 C 類，導(dǎo)通角小于 180 度。此類型一般用在 Doherty 放大器峰值一側(cè)的設(shè)備中。從仿真波形中可以看出，電流的導(dǎo)電范圍明顯不到一半正弦波周期，電壓出現(xiàn)失真，并且在擺幅的低壓部分開始出現(xiàn)削波。

功率放大器的其他兩個工作類型是 F 類和 J 類，它們適用于更高級的工作模式，這些模式以實現(xiàn)更高效率為主要目標(biāo)：

F 類: 電壓實際上通過在適當(dāng)?shù)南辔缓驼穹蟹从车谌沃C波，借此按平方計算，使電流/電壓重疊進(jìn)一步最小化。該設(shè)備在 B 類偏置點上偏置，且匹配網(wǎng)絡(luò)中使用了諧波調(diào)諧。如果處理得當(dāng)，可以實現(xiàn)大幅增強(qiáng)功率附加效率 (PAE) 的功率放大器設(shè)計。

J 類：J 類代表一系列工作模式，通過使用具有重要的反應(yīng)組件的基本負(fù)載，以及可以通過設(shè)備輸出電容實現(xiàn)的反應(yīng)諧波終端來實現(xiàn)。設(shè)備在 B 類或 AB 類的偏置點偏置。如果處理得當(dāng)，可以實現(xiàn)在合理的帶寬內(nèi)大幅增強(qiáng)功率附加效率 (PAE) 的功率放大器設(shè)計。

內(nèi)部和外部端口的“意外結(jié)果(gotchas)”

之前的圖顯示了理想的 PA 類的波形。但有一點要注意的是：在不同的位置進(jìn)行有效的 I?V 波形仿真，例如在內(nèi)部或外部端口，會產(chǎn)生不同的效果。

設(shè)備的寄生效應(yīng)讓這一點變得非常重要，寄生效應(yīng)可能包括焊盤的電容、焊線、封裝寄生電容以及其他可能影響設(shè)備的性能和設(shè)計的因素。

下一個圖表說明內(nèi)部和外部柵極、漏極和源端口之間的區(qū)別。

內(nèi)部端口：外部端口：

按照給定的偏置、匹配和 RF 功率水平條件，構(gòu)建期望的波形行為。按照給定的偏置、匹配和 RF 功率水平條件，構(gòu)建期望的波形行為。

設(shè)備模型的任何寄生部件(例如，布局和封裝效果)都被認(rèn)為是外部網(wǎng)絡(luò)的一部分。仿真中包含了設(shè)備模型的寄生部分。

可以相當(dāng)準(zhǔn)確地反映 RF 信號電壓和電流的行為。與各種 PA 類的預(yù)期行為相比，結(jié)果是波形失真。

受 I?V 曲線限值的限制。.仿真的動態(tài)負(fù)載線路行為將不會繼續(xù)受 I?V 曲線的限制(參見下方的下一個圖表)。

如果處理得當(dāng)，將會得到預(yù)期的、近乎理想化的基本和高級 PA 類波形的行為外部波形穩(wěn)定擴(kuò)展至 I?V“足球場”的“界外”區(qū)域。

可以使用內(nèi)部波形來優(yōu)化功率放大器的性能，這是“波形工程”設(shè)計方法的一部分(本篇博文稍后會詳細(xì)講述)。外部波形很難在波形工程中使用。

為了進(jìn)一步說明內(nèi)部和外部端口之間的差異，下圖采用仿真 GaN HEMT 模型的一個較小的設(shè)備“芯片”格式來說明動態(tài)負(fù)載線路圖示例，顯示了當(dāng)輸入信號完成整個周期的擺動時，內(nèi)部(紅色)和外部(藍(lán)色)RF I-V 波形的軌跡。請注意外部周期是如何超越 I?V 曲線的極限的，以及由于外部寄生效應(yīng)而導(dǎo)致負(fù)電流波動。

下圖以 F 類放大器設(shè)計為例，重點說明了內(nèi)部和外部 I?V 波形之間的差異：

在這個例子中，我使用了 NI AWR 設(shè)計環(huán)境，以及在以前的 PA 類示例中使用的相同 QPD0060 GaN 設(shè)備模型。

然后我調(diào)諧了第三諧波負(fù)載條件，使其“按平方計算”內(nèi)部電壓波形，由此產(chǎn)生了圖示的 F 類的波形。

從 I-V 波形的角度來看，這個示例表明，內(nèi)部波形遵循了正弦輸入信號的預(yù)期趨勢，獲得了合理偏置且匹配的功率放大器 - 但外部波形卻沒有。

右下方的圖清楚表明，外部波形因封裝設(shè)備的寄生電容和電感而扭曲失真。

設(shè)計技巧：閱讀這篇博客文章的末尾部分，了解以下波形所使用的NI AWR 原理圖。

采用“波形工程”，對 F 類功率放大器設(shè)計示例進(jìn)行微調(diào)

但是，如果您的內(nèi)部波形不能反映您的工作類型所需的 I?V 波形呢?可進(jìn)行諧波調(diào)諧。

所有的 Modelithics Qorvo GaN 庫模型都允許電路設(shè)計人員在調(diào)整或優(yōu)化負(fù)載匹配電路時監(jiān)測內(nèi)部電壓和電流波形，直到獲得所需的波形。有時候這稱之為功率放大器設(shè)計的“波形工程”法。

為了演示這種波形工程概念，下一張圖顯示了進(jìn)行諧波調(diào)諧前后對內(nèi)部 I?V 波形實施功率掃描的結(jié)果。與上一節(jié)中所示的 F 類初始波形圖相比，我調(diào)整了基本負(fù)載阻抗，將效率優(yōu)化到 71.5%。比較底部的兩個圖時，注意以下幾點：

在調(diào)整了第三諧波和“按平方計算電壓”之后，效率提高了 9%，達(dá)到 80.5%。

效率得到提高的同時，已達(dá)到的功率電平 (34.9 dBm) 并未發(fā)生變化。

設(shè)計技巧：閱讀這篇博客文章的末尾部分，了解以下波形所使用的NI AWR 原理圖。

總而言之：進(jìn)行內(nèi)部節(jié)點仿真有助于高效實現(xiàn) GaN 功率放大器設(shè)計

總之，外部波形對設(shè)計沒有用處，因為它們不受 I?V 曲線限值的約束 - 正是這些電流/電壓的限制決定了設(shè)備在給定的偏置/電流/匹配條件下的功率性能。

最好在內(nèi)部端口中為您的設(shè)計實施 I?V 波形仿真。仿真 I?V 波形是實現(xiàn)以下目標(biāo)的關(guān)鍵：

優(yōu)化匹配網(wǎng)絡(luò)s

補(bǔ)償設(shè)備寄生效應(yīng)引起的失真

達(dá)到最佳的功率和效率

獲得一次性過關(guān)設(shè)計

之后，您可以使用波形工程來進(jìn)一步微調(diào)設(shè)備設(shè)計和性能，以滿足應(yīng)用要求。

專題文章： Waveform Engineering

閱讀本文，使用Qorvo T2G6000528 GaN HEMT，NI AWR和Modelithics Qorvo GaN Library描述PA設(shè)計流程：

寬帶型高效 GaN RF 功率放大器設(shè)計《微波雜志》

深入了解：J 類功率放大器設(shè)計的相關(guān)視頻教程和可下載工作區(qū)

需要具備包含訪問內(nèi)部電壓-電流端口的模型，例如 Modelithics Qorvo GaN 庫中的模型，以便讓設(shè)計人員能夠優(yōu)化高效率類型(例如 F 類和其他高級 PA 工作模式)(包括 E 類、J 類和逆 F 類)的 I-V 波形，設(shè)計人員會利用這些類型來滿足當(dāng)今富有挑戰(zhàn)性的設(shè)計對復(fù)雜線性度和效率的規(guī)格要求。

您可以觀看 Keysight 的 Matt Ozalas 在 YouTube 上發(fā)布的指導(dǎo)視頻，通過其中的示例了解如何在 J 類放大器設(shè)計中使用內(nèi)部波形。本教程中還包括一個可以下載的交互式 Keysight ADS 工作區(qū)。下圖是一張截屏，顯示的是 Matt 的 J 類示例的結(jié)果，在示例中，Qorvo TGF2952 GaN 晶體管采用了 Modelithics 模型。

在本系列接下來的部分，我們將討論如何使用模型來仿真 S 參數(shù)，并探討成功設(shè)計 RF PA 所需要的電阻穩(wěn)定性。

Modelithics Qorvo GaN 庫

進(jìn)一步了解適用于封裝和裸片 Qorvo GaN 晶體管的非線性模型。.

對于那些有訪問權(quán)限的用戶，您也可以發(fā)送電子郵件至 info@modelithics.com ，申請獲取示例 ADS 工作區(qū)和/或與本篇博文有關(guān)的 NI AWR 項目。

原理圖

A、B、AB 和 C 類基礎(chǔ)功率放大器的 I?V 波形：下圖顯示仿真 4 種基本功率放大器的 I?V 波形的原理圖，其中的條件是針對 C 類設(shè)置。這些仿真采用 Keysight ADS 和適用于 QPD0060 的 Modelithics Qorvo GaN 庫模型來實施。

諧波調(diào)諧用于描述 F 類設(shè)計的波形工程： 下圖顯示在掃頻輸入功率和 2 Ghz 基本頻率下，用于仿真內(nèi)部和外部波形，以及功率和效率的原理圖。這些仿真采用 NI AWR 和適用于 QPD0060 的 Modelithics Qorvo GaN 庫模型來實施。

審核編輯：湯梓紅