基于模型的GaN PA设计基础:内部电流-电压 (I-V) 波形的定义及其必要性

标签:GaNPAQorvo
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这是系列博文的第 3 篇文章,主要讨论 GaN HEMT 非线性模型对快速高效实现功率放大器 (PA) 设计的重要性。

在简单的线性 RF/微波放大器设计中,您可以使用单个偏差 S 参数数据来设计匹配网络,例如,在一个窄频段上实现最大增益,或者在带宽上获得平坦增益。

对于氮化镓 (GaN) 功率放大器,设计师需要考虑非线性操作,包括 RF 电流-电压 (I‑V) 波形会发生的状况。优化非线性行为设计的一种方法就是仿真内部 I-V 波形。本博文涵盖以下内容:

  • I-V 波形的定义
  • 功率放大器工作类型
  • 内部和外部 I‑V 波形
  • 功率放大器设计的“波形工程”方法

回顾该系列其他博文讲述的内容:

第 1 部分:非线性 GaN 模型基础知识

第 2 部分:I‑V 曲线的基本原理和负载线路的原则

I-V 曲线与 I-V 波形:有何不同?

在典型 GaN HEMT 放大器应用中,源是接地的,RF 输入信号应用于整个栅极-源极终端。漏极与负载连接,负载阻抗决定了当 RF-AC 输入信号在最小和最大峰值之间来回摆动时,负载线路来回移动的轨迹。

在本系列前几篇博文中,我们介绍了关于 I‑V 曲线和负载线路的基础知识,但还有另一种分析设备的非线性行为的方法,即查看设备的 I-V 波形 — 也就是电流和电压与时间的关系图,如下面的 2 Ghz 输入 RF 信号图所示。

I‑V 波形和 I‑V 曲线显示不同的信息。为了展示这种不同,我们利用 Keysight ADS 和 Modelithics Qorvo GaN 库 模型(适用于 90 W、48 V 的 Qorvo GaN 晶体管 QPD0060)创建了以下示例。(这里,我们假设是正弦信号。)

  • 左图显示 I‑V 电流和电压波形与时间的关系,其中 AB 类偏置 Vds = 48 V,Vgs = ‑2.5 V(对应右图中的标记 m2)。
  • 右图显示 Vgs为 4.5 V 至 0 V 时的 I‑V 曲线(红色,基于 Vgs 的 Ids 与 Vds 参数关系)‑。右侧的蓝色曲线称为动态负载线,表示信号完成整个正弦波周期时,漏极一侧的电流生成器的动态电流-电压轨迹。

fig01_intrinsic-iv-waveforms-vs-iv-curves

I-V 波形和功率放大器工作类型

在功率放大器设计中,“类型”用来描述放大器的设计方法。这主要包括输出信号驱动至预期功率水平时,晶体管的偏置条件和工作模式。

如下图所示,这些模式分别对应 A 类、AB 类和 B 类功率放大器在标记 m2、m3 和 m4 所示的静态电压-电流点时的晶体管偏置。

fig02_soccer-field-iv-curve-qpd0060_720x400_1

您也可以从 I-V 波形的角度来考虑这些操作类型。下图显示在 2 Ghz 基频条件下 A 类、AB 类、B 类和 C 类的内部 I-V 波形仿真结果。采用 Keysight ADS 和适用于 QPD0060 的 Modelithics Qorvo GaN 库模型来实施这些仿真。

设计技巧:阅读这篇博客文章的末尾部分,了解以下波形所使用的 ADS 原理图。

fig03_iv-waveforms-by-pa-class-intrinsic-nodes

我们来检验一下这些内部 I‑V 波形的预期值和细微差别。

  • A 类:我们预期电流和电压本质上都是正弦波形,此时信号电平达到电流或电压波形(或者两者)均在 I‑V “足球场”局限区域内的边缘出现削波时的点。这与上图所示的波形是一致的,电流和电压波形都是正弦曲线。由于电流在正弦波周期的整个 360‑ 度范围内导电(非零),A 类有时被描述为具有 360 度的“导通角”。
  • B 类:对于非削波信号,我们预计电压波形是完整的正弦波,电流波形是半整流的正弦波。对于 B 类,因为在夹断电压位置会立刻偏置,我们预计电流在正弦波的半个周期内都为非零,或者导电。因此,B 类的导通角为 180 度。从上图中,我们可以看出电流呈现半正弦曲线,在半个周期内的 0 A 位置削波。在电压波形中可以看到一些非正弦失真。
  • AB 类:这种偏置正好设置在夹断点以上,所以电流在电压的超过一半正弦波周期内都导电。对于 AB 类,导通角介于 180 度和 360 度之间。仿真 AB 类波形显示为失真极小的正弦电压和半正弦电流。可以看出,电流在超过半个周期内都导电。
  • C 类: 偏置正好设置在夹断点以下,所以电流在不到一半的电压正弦波周期内导电。对于 C 类,导通角小于 180 度。此类型一般用在 Doherty 放大器峰值一侧的设备中。从仿真波形中可以看出,电流的导电范围明显不到一半正弦波周期,电压出现失真,并且在摆幅的低压部分开始出现削波。

功率放大器的其他两个工作类型是 F 类和 J 类,它们适用于更高级的工作模式,这些模式以实现更高效率为主要目标:

  • F 类: 电压实际上通过在适当的相位和振幅中反映第三次谐波,借此按平方计算,使电流/电压重叠进一步最小化。该设备在 B 类偏置点上偏置,且匹配网络中使用了谐波调谐。如果处理得当,可以实现大幅增强功率附加效率 (PAE) 的功率放大器设计。
  • J 类:J 类代表一系列工作模式,通过使用具有重要的反应组件的基本负载,以及可以通过设备输出电容实现的反应谐波终端来实现。设备在 B 类或 AB 类的偏置点偏置。如果处理得当,可以实现在合理的带宽内大幅增强功率附加效率 (PAE) 的功率放大器设计。

内部和外部端口的“意外结果(gotchas)”

之前的图显示了理想的 PA 类的波形。但有一点要注意的是:在不同的位置进行有效的 I‑V 波形仿真,例如在内部或外部端口,会产生不同的效果。

设备的寄生效应让这一点变得非常重要,寄生效应可能包括焊盘的电容、焊线、封装寄生电容以及其他可能影响设备的性能和设计的因素。

下一个图表说明内部和外部栅极、漏极和源端口之间的区别。

fig04_intrinsic-iv-sensing-at-current-generator_320x320

 

内部端口: 外部端口:

按照给定的偏置、匹配和 RF 功率水平条件,构建期望的波形行为。

按照给定的偏置、匹配和 RF 功率水平条件,构建期望的波形行为。

设备模型的任何寄生部件(例如,布局和封装效果)都被认为是外部网络的一部分。

仿真中包含了设备模型的寄生部分。

可以相当准确地反映 RF 信号电压和电流的行为。

与各种 PA 类的预期行为相比,结果是波形失真。

 I‑V 曲线限值的限制。.

仿真的动态负载线路行为将不会继续受 I‑V 曲线的限制(参见下方的下一个图表)。

如果处理得当,将会得到预期的、近乎理想化的基本和高级 PA 类波形的行为

外部波形稳定扩展至 I‑V“足球场”的“界外”区域。

可以使用内部波形来优化功率放大器的性能,这是“波形工程”设计方法的一部分(本篇博文稍后会详细讲述)。

外部波形很难在波形工程中使用。

  

为了进一步说明内部和外部端口之间的差异,下图采用仿真 GaN HEMT 模型的一个较小的设备“芯片”格式来说明动态负载线路图示例,显示了当输入信号完成整个周期的摆动时,内部(红色)和外部(蓝色)RF I-V 波形的轨迹。请注意外部周期是如何超越 I‑V 曲线的极限的,以及由于外部寄生效应而导致负电流波动。

fig05_dynamic-load-lines-intrinsic-extrinsic-planes_660px

下图以 F 类放大器设计为例,重点说明了内部和外部 I‑V 波形之间的差异:

  • 在这个例子中,我使用了 NI AWR 设计环境,以及在以前的 PA 类示例中使用的相同 QPD0060 GaN 设备模型。
  • 然后我调谐了第三谐波负载条件,使其“按平方计算”内部电压波形,由此产生了图示的 F 类的波形。
  • 从 I-V 波形的角度来看,这个示例表明,内部波形遵循了正弦输入信号的预期趋势,获得了合理偏置且匹配的功率放大器 - 但外部波形却没有。
  • 右下方的图清楚表明,外部波形因封装设备的寄生电容和电感而扭曲失真。

设计技巧:阅读这篇博客文章的末尾部分,了解以下波形所使用的NI AWR 原理图。

fig06_intrinsic-extrinsic-iv-waveforms-class-f-pa_960x400

采用“波形工程”,对 F 类功率放大器设计示例进行微调

但是,如果您的内部波形不能反映您的工作类型所需的 I‑V 波形呢?可进行谐波调谐。

所有的 Modelithics Qorvo GaN 库模型都允许电路设计人员在调整或优化负载匹配电路时监测内部电压和电流波形,直到获得所需的波形。有时候这称之为功率放大器设计的“波形工程”法。

为了演示这种波形工程概念,下一张图显示了进行谐波调谐前后对内部 I‑V 波形实施功率扫描的结果。与上一节中所示的 F 类初始波形图相比,我调整了基本负载阻抗,将效率优化到 71.5%。比较底部的两个图时,注意以下几点:

  • 在调整了第三谐波和“按平方计算电压”之后,效率提高了 9%,达到 80.5%。
  • 效率得到提高的同时,已达到的功率电平 (34.9 dBm) 并未发生变化。

设计技巧:阅读这篇博客文章的末尾部分,了解以下波形所使用的NI AWR 原理图。

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总而言之:进行内部节点仿真有助于高效实现 GaN 功率放大器设计

总之,外部波形对设计没有用处,因为它们不受 I‑V 曲线限值的约束 - 正是这些电流/电压的限制决定了设备在给定的偏置/电流/匹配条件下的功率性能。

最好在内部端口中为您的设计实施 I‑V 波形仿真。仿真 I‑V 波形是实现以下目标的关键:

  • 优化匹配网络s
  • 补偿设备寄生效应引起的失真
  • 达到最佳的功率和效率
  • 获得一次性过关设计

之后,您可以使用波形工程来进一步微调设备设计和性能,以满足应用要求。

深入了解:J 类功率放大器设计的相关视频教程和可下载工作区

需要具备包含访问内部电压-电流端口的模型,例如 Modelithics Qorvo GaN 库中的模型,以便让设计人员能够优化高效率类型(例如 F 类和其他高级 PA 工作模式)(包括 E 类、J 类和逆 F 类)的 I-V 波形,设计人员会利用这些类型来满足当今富有挑战性的设计对复杂线性度和效率的规格要求。

您可以观看 Keysight 的 Matt Ozalas 在 YouTube 上发布的指导视频,通过其中的示例了解如何在 J 类放大器设计中使用内部波形。本教程中还包括一个可以下载的交互式 Keysight ADS 工作区。下图是一张截屏,显示的是 Matt 的 J 类示例的结果,在示例中,Qorvo TGF2952 GaN 晶体管采用了 Modelithics 模型。

fig08_example-ads-workspace-tgf2952_960x560

在本系列接下来的部分,我们将讨论如何使用模型来仿真 S 参数,并探讨成功设计 RF PA 所需要的电阻稳定性。

Modelithics Qorvo GaN 库

进一步了解适用于封装和裸片 Qorvo GaN 晶体管的非线性模型。.

对于那些有访问权限的用户,您也可以发送电子邮件至 info@modelithics.com ,申请获取示例 ADS 工作区和/或与本篇博文有关的 NI AWR 项目。

原理图

A、B、AB 和 C 类基础功率放大器的 I‑V 波形:下图显示仿真 4 种基本功率放大器的 I‑V 波形的原理图,其中的条件是针对 C 类设置。这些仿真采用 Keysight ADS 和适用于 QPD0060 的 Modelithics Qorvo GaN 库模型来实施。

fig09_ads-schematic-setup-basic-pa-classes_960px

谐波调谐用于描述 F 类设计的波形工程: 下图显示在扫频输入功率和 2 Ghz 基本频率下,用于仿真内部和外部波形,以及功率和效率的原理图。这些仿真采用 NI AWR 和适用于 QPD0060 的 Modelithics Qorvo GaN 库模型来实施。

fig10_ni-awr-schematic-setup-harmonic-tuning_1000px

 

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