基于模型的GaN PA设计基础知识
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。
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。
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。
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。
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。
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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