從入門到精通：我們?yōu)槟榻B非線性GaN 模型的基礎(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(jì)以大致的起點(diǎn)開始并運(yùn)用大量的“大師”知識(shí)來完成，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。

本文中，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)。

什么是非線性GaN模型？

對(duì)許多工程師來說，設(shè)計(jì)PA 的第一步是閱讀晶體管產(chǎn)品的數(shù)據(jù)手冊(cè)并查看S 參數(shù)。S 參數(shù)文件很有用，但有關(guān)器件大信號(hào)運(yùn)行的信息不夠充分。此外，PA 設(shè)計(jì)工程師可以利用測(cè)得的負(fù)載牽引數(shù)據(jù)確定最佳負(fù)載阻抗目標(biāo)值，以便在指定頻率下實(shí)現(xiàn)最佳功率和效率。

然而，設(shè)計(jì)人員通過仿真模型使用負(fù)載牽引數(shù)據(jù)還可以做得更多。具體來說，通過正確選取的非線性模型，設(shè)計(jì)人員可以：

·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(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)。

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。

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。

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(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。

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。該建模框架也可用來擬合低噪聲、高功率應(yīng)用的噪聲參數(shù)。

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

·溫度：器件運(yùn)行的環(huán)境溫度。
? ? ? ?·BWremoval：焊線去嵌入開關(guān)。
? ? ? ? ·自熱參數(shù)：通過該參數(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 成為最熱門的PA 晶體管技術(shù)之一源于三個(gè)主要屬性：

1、高擊穿電場(chǎng)（與高擊穿電壓有關(guān)）
? ? ? ? 2、高飽和速度（與較高的最大電流Imax 有關(guān)）
? ? ? ? 3、出色的熱屬性

但是，實(shí)現(xiàn)更高功率也帶來一個(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(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。