基于模型的GaN PA设计基础：IV曲线中有什么？

yumeii

作为一种相对较新的技术，氮化镓（GaN）与其他半导体技术相比需要一些不同的技术和思维方式。

对于那些刚接触GaN PA设计的人来说，了解IV曲线（也称为电流-电压特性曲线）是一个不错的起点。该帖探讨了IV曲线的重要性以及它们在非线性GaN模型中的表示方式（如Modelithics Qorvo GaN库中的那些曲线）如何帮助您提高设计过程的准确性和效率。

音高是多少？

您可以想到IV曲线，有点像一个足球场-有时也称为“音高”，其中极限决定了微波信号的边界，如下图所示。简单来说，一旦触及边界，就会出现信号削波，这会导致压缩和非线性失真。边界由以下设置：

的拐点电压和最大电流 （I 最大），由角标记指示M1在图中

对应于栅极至源极的夹断电压（V po）的零电流线

右侧电流线卷曲表示的击穿电压（V BR）

拐点电压，偏置条件和增益

该图还显示以下内容：

标记m1表示拐点电压（V k）。

标记m2，m3和m4分别表示代表A，AB和B 类常规PA工作等级或模式的额定静态偏置条件。可以肯定的是，还有其他模式-例如，C类偏置对应于比夹断电压更负的栅极电压，因此RF电流流过的时间少于输入栅极电压波形的一半周期。

切记：对于GaN器件，夹断电压始终为负电压。了解更多>

各种曲线表示从夹断（在这种情况下约为-4 V）到略微正值（V gs  = 1 V）的栅极至源极电压的不同值。对于此设备，请注意，允许的绝对最大电流（I max）约为900 mA，击穿电压（V BR）约为118V。

为Ⅴ的不同值的IV曲线的间距GS涉及所谓的跨导 （克米 ≈ΔI DS /ΔV GS），其又涉及到的增益。（在该图中，V gs的阶跃电压为0.2V。）请注意，在m4（B类偏置）附近，曲线与m3（AB类）相比间隔更近。这是具有与B类相似的效率优势的AB类通常会因较高的增益而被首选的原因之一。

我可以获得多少射频功率？

上图还显示了一条蓝色虚线和一条深灰色实线，表示可能的负载线，交流信号将沿着该负载线来回摆动。在理想的意义上，深灰线允许最大程度地利用IV“运动场”，并且允许信号利用最大电流和最大电压摆幅。

在此示例中，静态偏置电压原则上可以设置为61V。但是，出于可靠性和设计裕度的原因，我建议使用较低的标称偏置电压（始终小于击穿电压的一半）和不同的最佳负载线（在这里，我们选择了28 V，在上图中标记为 m2，m3和m4）。可以将设备的电源电位（对于A类和B类）进行简单的粗略估算，即为 0.25 *（V dsQ -V k）* I max。对于此处显示的设备，输出功率约为5W。

对于给定的工艺，击穿电压趋于恒定，因此您可以通过增加栅极宽度来获得更多功率。这导致了一种称为功率密度的功率能力的通用指标，对于GaN ，其栅极宽度为每毫米（W / mm）5-10瓦，而GaAs晶体管为0.5至1 W / mm。

简而言之，为了在削波之前最大化电流/电压峰值并由此优化功率输出，负载电阻将是负载线斜率的倒数（忽略器件和封装的寄生寄生效应）。该最佳功率负载始终与最大化从线性电路理论得出的器件增益所需的功率负载不同。

GaN扩展IV“竞争环境”的能力

回到我们对功率能力的简单估计0.25 *（V dsQ -V k）* I max，您会看到我们可以通过使用以下方法获得更多功率：

I max更高的设备

可以在更高静态电压下运行的设备

可以同时执行这两种操作的设备（较高的I max或V dsQ）

商用GaN工艺的击穿电压在100 V至200 V之间，比GaAs击穿电压高一个数量级，并且是典型LDMOS工艺的两倍以上。GaN有效地扩展了前面提到的IV竞争领域的边界，并且IV曲线的这种扩展使这项技术对于大功率PA设计如此令人兴奋。

我们应该担心什么陷阱吗？

陷获是一种电气现象，会影响GaAs和GaN HEMT器件的运行。它发生在器件的外延层中，在那里可用于增强HEMT通道中电流流动的电子基本上被“捕获”在表面或GaAs或GaN晶格内的缺陷状态中。这种陷波取决于电压，并且会随着时间的流逝而降低器件的工作性能，从而影响诸如拐点电压之类的参数。

捕获在GaN中的众所周知的后果之一就是 拐点**，它使IV曲线拐点电压向右移动，如下图所示。

好消息是，非线性GaN模型可以帮助预测这种俘获行为。下图显示了在Modelithics Qorvo GaN模型中捕获的一种Qorvo芯片模型的IV曲线。它显示了在短脉冲条件下（例如，占空比为0.05％的0.5 µs脉冲）下两个不同的静态漏极电压（12 V和28 V，下面标记为V dsQ1和V dsQ2）的仿真。

请注意，此陷波相关的膝盖**效应如何影响膝盖电压和 I max。在self_heat_factor输入设置为零的情况下，该模型数据可以很好地重现IV曲线，该曲线是在12 V和28 V静态漏极电压（V gsQ设置为pinchoff）的短脉冲条件下测得的。

从上面的讨论中我们知道，这两个参数反过来都会影响设备的最大电源电位-因此，根据应用的不同，模型跟踪IV随工作电压变化的能力可能非常重要。

非线性模型可以加快设计过程

重要的是要了解IV曲线的影响和细微差别，进而了解其基本局限性和对功率放大器设计的影响。如果您是该领域的新手，希望这个帖可以帮助您了解IV曲线中确实有很多有用的信息！

选择最大化大信号功率能力的负载条件与线性共轭匹配的思想大不相同-在设计过程中使用非线性GaN模型可以帮助您第一次正确地进行设计。而不是主要担心与晶体管的输出阻抗匹配，我们需要考虑如何最大化IV“运动场”上的电流和电压摆幅，该“运动场”受膝盖处IV曲线的边界支配电压和最大电流沿着选定的负载线下降到夹断区域。

阅读全文