基于模型的GaN PA設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)：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(duì)快速高效實(shí)現(xiàn)功率放大器 (PA) 設(shè)計(jì)的重要性。

在簡(jiǎn)單的線性 Rf/微波放大器設(shè)計(jì)中，您可以使用單個(gè)偏差 S 參數(shù)數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)，例如，在一個(gè)窄頻段上實(shí)現(xiàn)最大增益，或者在帶寬上獲得平坦增益。

對(duì)于氮化鎵 (GaN) 功率放大器，設(shè)計(jì)師需要考慮非線性操作，包括 RF 電流-電壓 (I?V) 波形會(huì)發(fā)生的狀況。優(yōu)化非線性行為設(shè)計(jì)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(lèi)型

內(nèi)部和外部 I?V 波形

功率放大器設(shè)計(jì)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(shí)

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(hào)應(yīng)用于整個(gè)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(hào)在最小和最大峰值之間來(lái)回?cái)[動(dòng)時(shí)，負(fù)載線路來(lái)回移動(dòng)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(shí)，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(shí)間的關(guān)系圖，如下面的 2 Ghz 輸入 RF 信號(hào)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(kù) 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(hào)。)

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

右圖顯示 Vgs為 4.5 V 至 0 V 時(shí)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(chēng)為動(dòng)態(tài)負(fù)載線，表示信號(hào)完成整個(gè)正弦波周期時(shí)，漏極一側(cè)的電流生成器的動(dòng)態(tài)電流-電壓軌跡。

I-V 波形和功率放大器工作類(lèi)型

在功率放大器設(shè)計(jì)中，“類(lèi)型”用來(lái)描述放大器的設(shè)計(jì)方法。這主要包括輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)至預(yù)期功率水平時(shí)，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(duì)應(yīng) A 類(lèi)、AB 類(lèi)和 B 類(lèi)功率放大器在標(biāo)記 m2、m3 和 m4 所示的靜態(tài)電壓-電流點(diǎn)時(shí)的晶體管偏置。

您也可以從 I-V 波形的角度來(lái)考慮這些操作類(lèi)型。下圖顯示在 2 Ghz 基頻條件下 A 類(lèi)、AB 類(lèi)、B 類(lèi)和 C 類(lèi)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(kù)模型來(lái)實(shí)施這些仿真。

設(shè)計(jì)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(lái)檢驗(yàn)一下這些內(nèi)部 I?V 波形的預(yù)期值和細(xì)微差別。

A 類(lèi)：我們預(yù)期電流和電壓本質(zhì)上都是正弦波形，此時(shí)信號(hào)電平達(dá)到電流或電壓波形(或者兩者)均在 I?V “足球場(chǎng)”局限區(qū)域內(nèi)的邊緣出現(xiàn)削波時(shí)的點(diǎn)。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(gè) 360? 度范圍內(nèi)導(dǎo)電(非零)，A 類(lèi)有時(shí)被描述為具有 360 度的“導(dǎo)通角”。

B 類(lèi)：對(duì)于非削波信號(hào)，我們預(yù)計(jì)電壓波形是完整的正弦波，電流波形是半整流的正弦波。對(duì)于 B 類(lèi)，因?yàn)樵趭A斷電壓位置會(huì)立刻偏置，我們預(yù)計(jì)電流在正弦波的半個(gè)周期內(nèi)都為非零，或者導(dǎo)電。因此，B 類(lèi)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(gè)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(lèi)：這種偏置正好設(shè)置在夾斷點(diǎn)以上，所以電流在電壓的超過(guò)一半正弦波周期內(nèi)都導(dǎo)電。對(duì)于 AB 類(lèi)，導(dǎo)通角介于 180 度和 360 度之間。仿真 AB 類(lèi)波形顯示為失真極小的正弦電壓和半正弦電流?？梢钥闯觯娏髟诔^(guò)半個(gè)周期內(nèi)都導(dǎo)電。

C 類(lèi): 偏置正好設(shè)置在夾斷點(diǎn)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(duì)于 C 類(lèi)，導(dǎo)通角小于 180 度。此類(lèi)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(kāi)始出現(xiàn)削波。

功率放大器的其他兩個(gè)工作類(lèi)型是 F 類(lèi)和 J 類(lèi)，它們適用于更高級(jí)的工作模式，這些模式以實(shí)現(xiàn)更高效率為主要目標(biāo)：

F 類(lèi): 電壓實(shí)際上通過(guò)在適當(dāng)?shù)南辔缓驼穹蟹从车谌沃C波，借此按平方計(jì)算，使電流/電壓重疊進(jìn)一步最小化。該設(shè)備在 B 類(lèi)偏置點(diǎn)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(shí)現(xiàn)大幅增強(qiáng)功率附加效率 (PAE) 的功率放大器設(shè)計(jì)。

J 類(lèi)：J 類(lèi)代表一系列工作模式，通過(guò)使用具有重要的反應(yīng)組件的基本負(fù)載，以及可以通過(guò)設(shè)備輸出電容實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)諧波終端來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)備在 B 類(lèi)或 AB 類(lèi)的偏置點(diǎn)偏置。如果處理得當(dāng)，可以實(shí)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(jì)。

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(lèi)的波形。但有一點(diǎn)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(huì)產(chǎn)生不同的效果。

設(shè)備的寄生效應(yīng)讓這一點(diǎn)變得非常重要，寄生效應(yīng)可能包括焊盤(pán)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(jì)的因素。

下一個(gè)圖表說(shuō)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(hào)電壓和電流的行為。與各種 PA 類(lèi)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(dòng)態(tài)負(fù)載線路行為將不會(huì)繼續(xù)受 I?V 曲線的限制(參見(jiàn)下方的下一個(gè)圖表)。

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

可以使用內(nèi)部波形來(lái)優(yōu)化功率放大器的性能，這是“波形工程”設(shè)計(jì)方法的一部分(本篇博文稍后會(huì)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(shuō)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(gè)較小的設(shè)備“芯片”格式來(lái)說(shuō)明動(dòng)態(tài)負(fù)載線路圖示例，顯示了當(dāng)輸入信號(hào)完成整個(gè)周期的擺動(dòng)時(shí)，內(nèi)部(紅色)和外部(藍(lán)色)RF I-V 波形的軌跡。請(qǐng)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(dòng)。

下圖以 F 類(lèi)放大器設(shè)計(jì)為例，重點(diǎn)說(shuō)明了內(nèi)部和外部 I?V 波形之間的差異：

在這個(gè)例子中，我使用了 NI AWR 設(shè)計(jì)環(huán)境，以及在以前的 PA 類(lèi)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(jì)算”內(nèi)部電壓波形，由此產(chǎn)生了圖示的 F 類(lèi)的波形。

從 I-V 波形的角度來(lái)看，這個(gè)示例表明，內(nèi)部波形遵循了正弦輸入信號(hào)的預(yù)期趨勢(shì)，獲得了合理偏置且匹配的功率放大器 - 但外部波形卻沒(méi)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(jì)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(duì) F 類(lèi)功率放大器設(shè)計(jì)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(lèi)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(kù)模型都允許電路設(shè)計(jì)人員在調(diào)整或優(yōu)化負(fù)載匹配電路時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)部電壓和電流波形，直到獲得所需的波形。有時(shí)候這稱(chēng)之為功率放大器設(shè)計(jì)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(duì)內(nèi)部 I?V 波形實(shí)施功率掃描的結(jié)果。與上一節(jié)中所示的 F 類(lèi)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(gè)圖時(shí)，注意以下幾點(diǎn)：

在調(diào)整了第三諧波和“按平方計(jì)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(shí)，已達(dá)到的功率電平 (34.9 dBm) 并未發(fā)生變化。

設(shè)計(jì)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(diǎn)仿真有助于高效實(shí)現(xiàn) GaN 功率放大器設(shè)計(jì)

總之，外部波形對(duì)設(shè)計(jì)沒(méi)有用處，因?yàn)樗鼈儾皇?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(jì)實(shí)施 I?V 波形仿真。仿真 I?V 波形是實(shí)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(guò)關(guān)設(shè)計(jì)

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

專(zhuān)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(jì)流程：

寬帶型高效 GaN RF 功率放大器設(shè)計(jì)《微波雜志》

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

需要具備包含訪問(wèn)內(nèi)部電壓-電流端口的模型，例如 Modelithics Qorvo GaN 庫(kù)中的模型，以便讓設(shè)計(jì)人員能夠優(yōu)化高效率類(lèi)型(例如 F 類(lèi)和其他高級(jí) PA 工作模式)(包括 E 類(lèi)、J 類(lèi)和逆 F 類(lèi))的 I-V 波形，設(shè)計(jì)人員會(huì)利用這些類(lèi)型來(lái)滿足當(dāng)今富有挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)對(duì)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(guò)其中的示例了解如何在 J 類(lèi)放大器設(shè)計(jì)中使用內(nèi)部波形。本教程中還包括一個(gè)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(lèi)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(lái)的部分，我們將討論如何使用模型來(lái)仿真 S 參數(shù)，并探討成功設(shè)計(jì) RF PA 所需要的電阻穩(wěn)定性。

Modelithics Qorvo GaN 庫(kù)

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

原理圖

A、B、AB 和 C 類(lèi)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(duì) C 類(lèi)設(shè)置。這些仿真采用 Keysight ADS 和適用于 QPD0060 的 Modelithics Qorvo GaN 庫(kù)模型來(lái)實(shí)施。

諧波調(diào)諧用于描述 F 類(lèi)設(shè)計(jì)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(kù)模型來(lái)實(shí)施。

審核編輯：湯梓紅