基于模型的GaN PA设计基础知识

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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。

在之前的介绍中,我们了解了关于 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。

  • 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。


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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。

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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。

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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。

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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。

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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。


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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。
  • 然后我们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。


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