GaN HEMT 模型初階入門：非線性模型如何幫助進行 GaN PA 設(shè)計？（第一部分，共兩部分）

這是入門系列（兩部分）博客的第一部分，介紹基于模型的 PA 設(shè)計基礎(chǔ)知識。

氮化鎵(GaN)功率放大器 (PA) 設(shè)計是當前的熱門話題。出于多種原因，GaN HEMT器件已成為滿足大多數(shù)新型微波功率放大器需求的領(lǐng)先解決方案。

過去，PA 設(shè)計以大致的起點開始并運用大量的“大師”知識來完成。使用測得的負載牽引數(shù)據(jù)可以提高 PA 設(shè)計的成功率，但不一定能夠獲得所需應用頻率下的負載牽引數(shù)據(jù)。而使用精確的非線性模型可以更快地生成設(shè)計數(shù)據(jù)，關(guān)注更精確的 PA 行為，并獲得更好的結(jié)果。

在本篇博客文章中，我們將為您介紹需要了解的非線性 GaN 模型的基礎(chǔ)知識。如果您已了解這部分知識，請直接跳至第二部分，第二部分介紹 I-V 曲線的基本原理。

什么是非線性 GaN 模型？

然而，設(shè)計人員通過仿真模型使用負載牽引數(shù)據(jù)還可以做得更多。具體來說，通過正確選取的非線性模型，設(shè)計人員可以：However, using load-pull data with a simulation model allows a designer to do much more. Specifically, with a properly extracted nonlinear model, designers can:

確定最佳負載和源阻抗目標值，以優(yōu)化任何線性或非線性性能目標。而且可以在模型有效頻率范圍內(nèi)的任何頻率下快速完成。

仿真最大工作限值。

平衡 PA 設(shè)計人員面臨的極具挑戰(zhàn)性的線性度、功率、帶寬和效率目標。

加快設(shè)計流程，有助于第一次就獲得正確的設(shè)計。

降低產(chǎn)品開發(fā)成本。

過去幾年來，Modelithics與 Qorvo 密切合作，開發(fā)出廣泛的非線性模型庫，現(xiàn)涵蓋 70 多款裸片和封裝形式的Qorvo GaN晶體管。這些模型有助于 PA 設(shè)計人員準確預測設(shè)計中集成的晶體管性能。Modelithics 的仿真模型與最新的電子設(shè)計自動化 (EDA) 仿真工具無縫集成，包括 National Instruments 的NI AWR設(shè)計環(huán)境和 Keysight Technologies 的高級設(shè)計系統(tǒng)(ADS)。如需了解更多信息并申請免費獲取 Modelithics Qorvo GaN 庫，請訪問https://www.modelithics.com/mvp/qorvo。

下圖顯示如何使用仿真模型創(chuàng)建 PA 設(shè)計。Qorvo 和 Modelithics 使用精選模型來生成 PA 參考設(shè)計。然后，我們制造、測試和記錄這些設(shè)計，以說明模型準確性和對設(shè)計應用的實用性，以及 PA 電路級的各個 GaN 器件功能。

了解更多：高功率GaN模型庫的器件和PA電路級驗證

Modelithics Qorvo GaN 庫

我們的庫中包含 Qorvo GaN 晶體管器件的高精度非線性仿真模型。

了解更多>

Modelithics 的非線性 GaN 模型都具有設(shè)計功能，包括可變偏置、溫標、自熱效應、固有電流-電壓 (I-V) 感應和焊線設(shè)置（若適用）。

捕獲 I-V 曲線

在最基本的層面上，非線性 GaN 模型必須捕獲晶體管在不同工作電平下的電流-電壓特性曲線，即I-V曲線。晶體管的 I-V 特性決定了器件的基本功耗、效率和其他主要性能驅(qū)動因素。

我們將在本博客系列第二部分中詳述 I-V 曲線，但從本質(zhì)上來說，I-V 曲線是漏極-源極電流 (I) 與漏極-源極電壓 (V) 之間的關(guān)系圖，用不同的柵極-源極電壓參數(shù)來表示。高端電壓限值由擊穿電壓設(shè)定，電流限值由最大電流設(shè)定。通用 I-V 曲線參見下圖。

進行 PA 設(shè)計時，正確選取的模型必須要捕獲這些 I-V 曲線的邊界，以及在小信號和大信號運行條件下正確表示直流和動態(tài)射頻行為所需的許多其他特性。

了解更多：基于模型的GaN PA設(shè)計基礎(chǔ)知識：I-V曲線中有什么？

模型中有什么？

一個模型預測 PA 晶體管非線性行為的能力主要基于幾個方面：

電壓依賴性電流源 (Ids) 的表示

電壓依賴性電容（主要是柵極-源極 Cgd 和漏極-源極 Cgs）

電壓依賴性二極管模型，與擊穿電壓的預測相關(guān)

寄生電感、電容和電阻，代表器件的總體頻率依賴性行為

Modelithics Qorvo GaN 庫中均為基于Chalmers-Angelov模型的定制模型。下圖顯示了基本模型的拓撲，它與小信號模型一樣，包含在頻率范圍內(nèi)擬合 S 參數(shù)數(shù)據(jù)所需的所有元件。該建?？蚣芤部捎脕頂M合低噪聲、高功率應用的噪聲參數(shù)。

了解更多：高頻GaN器件的高級非線性和噪聲建模

上圖還顯示了 Modelithics Qorvo GaN 模型中常見的幾個典型符號：

溫度：器件運行的環(huán)境溫度。

BWremoval：焊線去嵌入開關(guān)。

自熱參數(shù)：通過該參數(shù)，模型能夠估計脈沖信號與連續(xù)波 (CW) 信號輸入等引起的自熱變化。該參數(shù)設(shè)置為脈沖信號的占空比。

VDSQ：有些模型具有 VdsQ 輸入，可用來調(diào)節(jié)預期工作電壓（例如，在 12 V 至 28 V 范圍內(nèi)），這可看作是一個可擴展模型最佳切入點。

您還可以在模型的信息數(shù)據(jù)手冊中查看各個 Modelithics 模型的功能，可雙擊仿真器中的模型，然后單擊幫助 (ADS) 或供應商幫助 (AWR) 按鈕獲得。

GaN 設(shè)計中散熱的重要性

GaN 成為最熱門的 PA 晶體管技術(shù)之一源于三個主要屬性：

高擊穿電場（與高擊穿電壓有關(guān)）

高飽和速度（與較高的最大電流 Imax 有關(guān)）

出色的熱屬性

但是，實現(xiàn)更高功率也帶來一個后果：

更高功率意味著更高的直流功率。

任何未轉(zhuǎn)換為射頻輸出功率的直流加載電源將作為熱量耗散（除非晶體管的效率為 100%）。

因此，GaN 晶體管變得非常熱，熱管理成為重要的設(shè)計考慮因素。幸運的是，碳化硅基氮化鎵 (GaN on SiC) 能夠更好地處理熱量，其熱導率高達 5 W-cm-1K-1（與硅的 1 W-cm-1K-1相比）。

但對于 PA 電路級，這意味著設(shè)計人員必須在考慮所有其他設(shè)計挑戰(zhàn)的同時考慮散熱問題，而 GaN 模型可以提供幫助。從建模角度來看，所有 Modelithics Qorvo GaN 模型都內(nèi)置環(huán)境溫度和自熱效應。某些模型還具有通道溫度感應節(jié)點，允許設(shè)計人員在射頻設(shè)計階段監(jiān)測預估的通道溫度。

審核編輯黃昊宇