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

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

氮化鎵(GaN)功率放大器 (PA) 設(shè)計(jì)是當(dāng)前的熱門(mén)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(guò)去，PA 設(shè)計(jì)以大致的起點(diǎn)開(kāi)始并運(yùn)用大量的“大師”知識(shí)來(lái)完成。使用測(cè)得的負(fù)載牽引數(shù)據(jù)可以提高 PA 設(shè)計(jì)的成功率，但不一定能夠獲得所需應(yīng)用頻率下的負(fù)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(jì)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(shí)。如果您已了解這部分知識(shí)，請(qǐng)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(jì)人員通過(guò)仿真模型使用負(fù)載牽引數(shù)據(jù)還可以做得更多。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)正確選取的非線性模型，設(shè)計(jì)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(fù)載和源阻抗目標(biāo)值，以優(yōu)化任何線性或非線性性能目標(biāo)。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(jì)人員面臨的極具挑戰(zhàn)性的線性度、功率、帶寬和效率目標(biāo)。

加快設(shè)計(jì)流程，有助于第一次就獲得正確的設(shè)計(jì)。

降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本。

過(guò)去幾年來(lái)，Modelithics與 Qorvo 密切合作，開(kāi)發(fā)出廣泛的非線性模型庫(kù)，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(jì)人員準(zhǔn)確預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)中集成的晶體管性能。Modelithics 的仿真模型與最新的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化 (EDA) 仿真工具無(wú)縫集成，包括 National Instruments 的NI AWR設(shè)計(jì)環(huán)境和 Keysight Technologies 的高級(jí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)(ADS)。如需了解更多信息并申請(qǐng)免費(fèi)獲取 Modelithics Qorvo GaN 庫(kù)，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)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(jì)。Qorvo 和 Modelithics 使用精選模型來(lái)生成 PA 參考設(shè)計(jì)。然后，我們制造、測(cè)試和記錄這些設(shè)計(jì)，以說(shuō)明模型準(zhǔn)確性和對(duì)設(shè)計(jì)應(yīng)用的實(shí)用性，以及 PA 電路級(jí)的各個(gè) GaN 器件功能。

了解更多：高功率GaN模型庫(kù)的器件和PA電路級(jí)驗(yàn)證

Modelithics Qorvo GaN 庫(kù)

我們的庫(kù)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(jì)功能，包括可變偏置、溫標(biāo)、自熱效應(yīng)、固有電流-電壓 (I-V) 感應(yīng)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(dòng)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(lái)說(shuō)，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(lái)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(jiàn)下圖。

進(jìn)行 PA 設(shè)計(jì)時(shí)，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(hào)和大信號(hào)運(yùn)行條件下正確表示直流和動(dòng)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(jì)基礎(chǔ)知識(shí)：I-V曲線中有什么？

模型中有什么？

一個(gè)模型預(yù)測(cè) PA 晶體管非線性行為的能力主要基于幾個(gè)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(yù)測(cè)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(kù)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?fù)?，它與小信號(hào)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?lái)擬合低噪聲、高功率應(yīng)用的噪聲參數(shù)。

了解更多：高頻GaN器件的高級(jí)非線性和噪聲建模

上圖還顯示了 Modelithics Qorvo GaN 模型中常見(jiàn)的幾個(gè)典型符號(hào)：

溫度：器件運(yùn)行的環(huán)境溫度。

BWremoval：焊線去嵌入開(kāi)關(guān)。

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

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

您還可以在模型的信息數(shù)據(jù)手冊(cè)中查看各個(gè) 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(yīng)商幫助 (AWR) 按鈕獲得。

GaN 設(shè)計(jì)中散熱的重要性

GaN 成為最熱門(mén)的 PA 晶體管技術(shù)之一源于三個(gè)主要屬性：

高擊穿電場(chǎng)（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(shí)現(xiàn)更高功率也帶來(lái)一個(gè)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(jì)考慮因素。幸運(yùn)的是，碳化硅基氮化鎵 (GaN on SiC) 能夠更好地處理熱量，其熱導(dǎo)率高達(dá) 5 W-cm-1K-1（與硅的 1 W-cm-1K-1相比）。

但對(duì)于 PA 電路級(jí)，這意味著設(shè)計(jì)人員必須在考慮所有其他設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的同時(shí)考慮散熱問(wèn)題，而 GaN 模型可以提供幫助。從建模角度來(lái)看，所有 Modelithics Qorvo GaN 模型都內(nèi)置環(huán)境溫度和自熱效應(yīng)。某些模型還具有通道溫度感應(yīng)節(jié)點(diǎn)，允許設(shè)計(jì)人員在射頻設(shè)計(jì)階段監(jiān)測(cè)預(yù)估的通道溫度。

審核編輯黃昊宇