技術(shù)GaN貨丨基于模型的GaN PA設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)：內(nèi)部I-V波形的定義及其必要性

技術(shù)GaN貨丨基于模型的GaNPA設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)：內(nèi)部I-V波形的定義及其必要性對(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(IV)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。本文將為您介紹：·I-V波形的定義

·功率放大器工作類型

·內(nèi)部和外部IV波形

·功率放大器設(shè)計(jì)的“波形工程”方法I-V曲線與I-V波形：有何不同？在典型GaNHEMT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回?cái)[動(dòng)時(shí)，負(fù)載線路來回移動(dòng)的軌跡。在之前的介紹中，我們了解了關(guān)于IV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2Ghz輸入RF信號(hào)圖所示。IV波形和IV曲線顯示不同的信息。為了展示這種不同，我們利用KeysightADS和ModelithicsQorvoGaN庫模型（適用于90W、48V的QorvoGaN晶體管QPD0060）創(chuàng)建了以下示例。左圖顯示IV電流和電壓波形與時(shí)間的關(guān)系，其中AB類偏置Vds=48V，Vgs=2.5V（對(duì)應(yīng)右圖中的標(biāo)記m2）。右圖顯示Vgs為4.5V至0V時(shí)的IV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(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型在功率放大器設(shè)計(jì)中，“類型”用來描述放大器的設(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、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(diǎn)時(shí)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2Ghz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KeysightADS和適用于QPD0060的ModelithicsQorvoGaN庫模型來實(shí)施這些仿真。我們來檢驗(yàn)一下這些內(nèi)部IV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(shí)信號(hào)電平達(dá)到電流或電壓波形（或者兩者）均在IV“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類有時(shí)被描述為具有360度的“導(dǎo)通角”B類：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，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0A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(diǎn)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(duì)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?？梢钥闯觯娏髟诔^半個(gè)周期內(nèi)都導(dǎo)電。C類: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，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(gè)工作類型是F類和J類，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:電壓實(shí)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(jì)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(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：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(shí)現(xiàn)的反應(yīng)諧波終端來實(shí)現(xiàn)。設(shè)備在B類或AB類的偏置點(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IV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)圖表說明內(nèi)部和外部柵極、漏極和源端口之間的區(qū)別。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GaNHEMT模型的一個(gè)較小的設(shè)備“芯片”格式來說明動(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）RFI-V波形的軌跡。請(qǐng)注意外部周期是如何超越IV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類放大器設(shè)計(jì)為例，重點(diǎn)說明了內(nèi)部和外部IV波形之間的差異：在這個(gè)例子中，我使用了NIAWR設(shè)計(jì)環(huán)境，以及在以前的PA類示例中使用的相同QPD0060GaN設(shè)備模型。然后我們調(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類的波形。從I-V波形的角度來看，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。采用“波形工程”，對(duì)F類功率放大器設(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型所需的IV波形呢？可進(jìn)行諧波調(diào)諧。所有的ModelithicsQorvoGaN庫模型都允許電路設(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IV波形實(shí)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(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(34.9dBm)并未發(fā)生變化。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)沒有用處，因?yàn)樗鼈儾皇躀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IV波形仿真。仿真IV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

·獲得一次性過關(guān)設(shè)計(jì)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(jì)和性能，以滿足應(yīng)用要求。深入了解：J類功率放大器設(shè)計(jì)的相關(guān)視頻教程和可下載工作區(qū)需要具備包含訪問內(nèi)部電壓-電流端口的模型，例如ModelithicsQorvoGaN庫中的模型，以便讓設(shè)計(jì)人員能夠優(yōu)化高效率類型（例如F類和其他高級(jí)PA工作模式）（包括E類、J類和逆F類）的I-V波形，設(shè)計(jì)人員會(huì)利用這些類型來滿足當(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MattOzalas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(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KeysightADS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，QorvoTGF2952GaN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(jì)RFPA所需要的電阻穩(wěn)定性。原理圖A、B、AB和C類基礎(chǔ)功率放大器的IV波形：下圖顯示仿真4種基本功率放大器的IV波形的原理圖，其中的條件是針對(duì)C類設(shè)