GaN HEMT 模型初阶入门:非线性模型如何帮助进行 GaN PA 设计?(第一部分,共两部分)

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这是入门系列(两部分)博客的第一部分,介绍基于模型的 PA 设计基础知识。

第二部分:基于模型的 GaN PA 设计基础知识:I-V 曲线中有什么?

氮化镓 (GaN) 功率放大器 (PA) 设计是当前的热门话题。出于多种原因,GaN HEMT 器件已成为满足大多数新型微波功率放大器需求的领先解决方案。


过去,PA 设计以大致的起点开始并运用大量的“大师”知识来完成。使用测得的负载牵引数据可以提高 PA 设计的成功率,但不一定能够获得所需应用频率下的负载牵引数据。而使用精确的非线性模型可以更快地生成设计数据,关注更精确的 PA 行为,并获得更好的结果。


在本篇博客文章中,我们将为您介绍需要了解的非线性 GaN 模型的基础知识。如果您已了解这部分知识,请直接跳至第二部分,第二部分介绍 I-V 曲线的基本原理。
 
什么是非线性 GaN 模型?


然而,设计人员通过仿真模型使用负载牵引数据还可以做得更多。具体来说,通过正确选取的非线性模型,设计人员可以: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:


确定最佳负载和源阻抗目标值,以优化任何线性或非线性性能目标。而且可以在模型有效频率范围内的任何频率下快速完成。   


仿真最大工作限值。


平衡 PA 设计人员面临的极具挑战性的线性度、功率、带宽和效率目标。


加快设计流程,有助于第一次就获得正确的设计。


降低产品开发成本。
 
过去几年来,Modelithics 与 Qorvo 密切合作,开发出广泛的非线性模型库,现涵盖 70 多款裸片和封装形式的 Qorvo GaN 晶体管。这些模型有助于 PA 设计人员准确预测设计中集成的晶体管性能。Modelithics 的仿真模型与最新的电子设计自动化 (EDA) 仿真工具无缝集成,包括 National Instruments 的 NI AWR 设计环境 和 Keysight Technologies 的高级设计系统 (ADS)。


下图显示如何使用仿真模型创建 PA 设计。Qorvo 和 Modelithics 使用精选模型来生成 PA 参考设计。然后,我们制造、测试和记录这些设计,以说明模型准确性和对设计应用的实用性,以及 PA 电路级的各个 GaN 器件功能。

 

Modelithics Qorvo GaN 库


我们的库中包含 Qorvo GaN 晶体管器件的高精度非线性仿真模型。

 

fig1-overview-modelithics-nonlinear-models

 

Modelithics 的非线性 GaN 模型都具有设计功能,包括可变偏置、温标、自热效应、固有电流-电压 (I-V) 感应和焊线设置(若适用)。
 
捕获 I-V 曲线


在最基本的层面上,非线性 GaN 模型必须捕获晶体管在不同工作电平下的电流-电压特性曲线,即 I-V 曲线。晶体管的 I-V 特性决定了器件的基本功耗、效率和其他主要性能驱动因素。


我们将在本博客系列第二部分中详述 I-V 曲线,但从本质上来说,I-V 曲线是漏极-源极电流 (I) 与漏极-源极电压 (V) 之间的关系图,用不同的栅极-源极电压参数来表示。高端电压限值由击穿电压设定,电流限值由最大电流设定。通用 I-V 曲线参见下图。

 

fig2-generic-iv-curve


进行 PA 设计时,正确选取的模型必须要捕获这些 I-V 曲线的边界,以及在小信号和大信号运行条件下正确表示直流和动态射频行为所需的许多其他特性。
了解更多:基于模型的 GaN PA 设计基础知识:I-V 曲线中有什么?
 

模型中有什么?
一个模型预测 PA 晶体管非线性行为的能力主要基于几个方面:


电压依赖性电流源 (Ids) 的表示


电压依赖性电容(主要是栅极-源极 Cgd 和漏极-源极 Cgs)


电压依赖性二极管模型,与击穿电压的预测相关


寄生电感、电容和电阻,代表器件的总体频率依赖性行为
 
Modelithics Qorvo GaN 库中均为基于 Chalmers-Angelov 模型的定制模型。下图显示了基本模型的拓扑,它与小信号模型一样,包含在频率范围内拟合 S 参数数据所需的所有元件。该建模框架也可用来拟合低噪声、高功率应用的噪声参数。

fig3-standard-model-symbols_960px


上图还显示了 Modelithics Qorvo GaN 模型中常见的几个典型符号:


温度:器件运行的环境温度。


BWremoval:焊线去嵌入开关。


自热参数:通过该参数,模型能够估计脉冲信号与连续波 (CW) 信号输入等引起的自热变化。该参数设置为脉冲信号的占空比。


VDSQ:有些模型具有 VdsQ 输入,可用来调节预期工作电压(例如,在 12 V 至 28 V 范围内),这可看作是一个可扩展模型最佳切入点。
 
您还可以在模型的信息数据手册中查看各个 Modelithics 模型的功能,可双击仿真器中的模型,然后单击帮助 (ADS) 或供应商帮助 (AWR) 按钮获得。
 
GaN 设计中散热的重要性


GaN 成为最热门的 PA 晶体管技术之一源于三个主要属性:


高击穿电场(与高击穿电压有关)


高饱和速度(与较高的最大电流 Imax 有关)


出色的热属性
 
了解更多:GaN 入门知识及其在射频应用中优于其他半导体的 3 大原因
 
了解 GaN 的基本技术及其在射频设计中的应用。


但是,实现更高功率也带来一个后果:


更高功率意味着更高的直流功率。


任何未转换为射频输出功率的直流加载电源将作为热量耗散(除非晶体管的效率为 100%)。


因此,GaN 晶体管变得非常热,热管理成为重要的设计考虑因素。幸运的是,碳化硅基氮化镓 (GaN on SiC) 能够更好地处理热量,其热导率高达 5 W-cm-1K-1(与硅的 1  W-cm-1K-1相比)。


但对于 PA 电路级,这意味着设计人员必须在考虑所有其他设计挑战的同时考虑散热问题,而 GaN 模型可以提供帮助。从建模角度来看,所有 Modelithics Qorvo GaN 模型都内置环境温度和自热效应。某些模型还具有通道温度感应节点,允许设计人员在射频设计阶段监测预估的通道温度。

 

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