搜索
查看: 370|回复: 1

[分享] Qorvo|非线性模型如何帮助 GaN PA 设计?

[复制链接]

187

主题

394

帖子

1040

积分

金牌会员

Rank: 6Rank: 6

积分
1040
发表于 2022-5-5 14:33:54 | 显示全部楼层 |阅读模式
氮化镓 (GaN)功率放大器 (PA) 设计是当今的热门话题。由于许多原因,GaN HEMT 器件已成为满足大多数新微波 PA 需求的领先解决方案。

传统上,PA 设计是通过大致的起点和大量的“大师”知识完成的。使用测得的负载牵引数据可以提高 PA 设计的成功率,但在所需的应用频率下可能无法获得。相反,您可以使用精确的非线性模型来更快地生成设计数据、针对更精确的 PA 行为并获得更好的结果。

在这篇博文中,我们将介绍您需要了解的非线性 GaN 模型的基础知识。

什么是非线性 GaN 模型?

对于许多工程师来说,设计 PA 的第一步是查看晶体管产品的数据表并查看 S 参数。S 参数文件很有用,但它没有提供有关设备大信号操作的足够信息。此外,PA 设计工程师可以使用测得的负载牵引数据来找到最佳负载阻抗目标,从而在指定频率下实现最佳功率和效率。

然而,将负载拉动数据与仿真模型结合使用可以让设计人员做更多的事情。具体来说,通过正确提取的非线性模型,设计人员可以:

找到优化任何线性或非线性性能目标的最佳负载和源阻抗目标。这可以在模型有效频率范围内的任何频率下快速完成。  
模拟操作的最大限制。
平衡 PA 设计人员具有挑战性的线性度、功率、带宽和效率目标。
加快设计过程并帮助在第一时间完成设计。
降低产品开发成本。

在过去几年中,Modelithics与 Qorvo 密切合作,开发了一个广泛的非线性模型库,现在代表了 70 多个裸片和封装的 Qorvo GaN 晶体管。这些模型允许 PA 设计人员在集成到其原理图中时准确预测晶体管的性能。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)。

下图显示了如何使用仿真来创建 PA 设计。Qorvo 和 Modelithics 使用精选模型生成 PA 参考设计。然后,我们制作、测试和记录这些设计,以说明模型在设计应用中的准确性和实用性,以及单个 GaN 器件在 PA 电路级别的功能。

PA

Modelithics 的非线性 GaN 模型具有设计特性,包括可变偏置、温度缩放、自热效应、固有电流电压 (IV) 感应和适用时的键合线设置。

捕获 IV 曲线

在最基本的层面上,非线性 GaN 模型必须捕获 晶体管在不同操作级别下的 电流-电压特性曲线或IV 曲线。晶体管的 IV 特性决定了设备的主要功率、效率和其他关键性能驱动因素。

微信图IV

我们将在本博客系列的第 2 部分中更深入地介绍 IV 曲线,但本质上,IV 曲线是漏源电流 (I) 与漏源电压 (V) 的关系图,参数化为栅源电压。高端的电压限制由 击穿电压设定,电流限制由最大电流设定。 有关通用 IV 曲线,请参见下图。

为了对 PA 设计有用,正确提取的模型必须捕获这些 IV 曲线的边界,以及在小信号和大信号操作中正确表示 DC 和动态 RF 行为所需的许多其他方面。

模型中有什么?

模型预测 PA 晶体管非线性行为的能力基于几个关键方面:

电压相关电流源 (I ds )的表示
电压相关电容(主要是栅源 C gd和漏源 C gs)
电压相关的二极管模型,与击穿电压的预测有关
寄生电感、电容和电阻代表器件的整体频率相关行为

Modelithics Qorvo GaN 库中使用的基线是基于Chalmers-Angelov 模型的定制模型。下图显示了基本模型拓扑,与小信号模型一样,它包含了在频率范围内拟合 S 参数数据所需的所有元素。该建模框架还可用于拟合低噪声和高功率应用的噪声参数。

GaN

上图还显示了您可以在 Modelithics Qorvo GaN 模型中看到的几个典型符号:

温度:设备运行的环境温度。
BWremoval:键合线去嵌入开关。
self_heat_factor:此输入使模型能够估计自热的可变性,例如,脉冲信号与连续波 (CW) 信号输入的对比。该输入设置为脉冲信号的占空比。
VDSQ:有些型号有一个 V dsQ输入,允许您调整预期的工作电压(例如,在 12 V 到 28 V 的范围内),这可以被认为是一个可扩展的模型最佳点。

您还可以在模型的信息数据表中找到单个 Modelithics 模型的功能,双击模拟器中的模型,然后单击帮助 (ADS) 或供应商帮助 (AWR) 按钮即可获得该模型。

热量在 GaN 设计中的重要性

GaN 是最流行的 PA 晶体管技术之一,因为它具有三个关键特性:

1. 高击穿场(与高击穿电压有关)

2. 高饱和速度(与高最大电流 I max相关)

3. 出色的热性能

但是实现更高的功率能力会带来一个后果:

更高的功率意味着更高的直流功率。
任何未转换为 RF 输出功率的施加 DC 功率都将作为热量消散(除非晶体管的效率为 100%)。

因此,GaN 晶体管会变得非常热,热管理成为重要的设计考虑因素。幸运的是,碳化硅上的 GaN (GaN on SiC) 能够更好地处理热量,具有 5 W-cm -1 K -1的高导热率(与硅的 1 W-cm -1 K -1相比)。

但在 PA 电路级别,这意味着设计人员必须考虑散热以及所有其他设计挑战——GaN 模型可以提供帮助。从建模的角度来看,所有 Modelithics Qorvo GaN 模型都在模型中内置了环境温度和自热效应。一些模型还具有通道温度传感节点,允许设计人员在射频设计阶段监控估计的通道温度。


回复

使用道具 举报

0

主题

427

帖子

2497

积分

金牌会员

Rank: 6Rank: 6

积分
2497
发表于 2022-5-16 14:28:44 | 显示全部楼层
5.16日:

模型预测 PA 晶体管非线性行为的能力基于几个关键方面:

电压相关电流源 (I ds )的表示
电压相关电容(主要是栅源 C gd和漏源 C gs)
电压相关的二极管模型,与击穿电压的预测有关
寄生电感、电容和电阻代表器件的整体频率相关行为

回复 支持 反对

使用道具 举报

您需要登录后才可以回帖 注册/登录

本版积分规则

关闭

站长推荐上一条 /1 下一条

Archiver|手机版|小黑屋|RF技术社区

GMT+8, 2022-6-26 13:02 , Processed in 0.041798 second(s), 6 queries , MemCache On.

Powered by Discuz! X3.4

Copyright © 2001-2021, Tencent Cloud.

快速回复 返回顶部 返回列表