技術GaN貨丨基于模型的GaN PA設計基礎知識:內部I-V波形的定義及其必要性

2018-12-25 來源:Qorvo半導體 我要評論(0) 字號:

對于氮化鎵(GaN) 功率放大器,設計師需要考慮非線性操作,包括RF 電流-電壓(I?V) 波形會發生的狀況。優化非線性行為設計的一種方法就是仿真內部I-V 波形。本文將為您介紹:

· I-V 波形的定義
· 功率放大器工作類型
· 內部和外部I?V 波形
· 功率放大器設計的“波形工程”方法

I-V 曲線與I-V 波形:有何不同?

在典型GaN HEMT 放大器應用中,源是接地的,RF 輸入信號應用于整個柵極-源極終端。漏極與負載連接,負載阻抗決定了當RF-AC 輸入信號在最小和最大峰值之間來回擺動時,負載線路來回移動的軌跡。

在之前的介紹中,我們了解了關于I?V 曲線和負載線路的基礎知識,但還有另一種分析設備的非線性行為的方法,即查看設備的I-V 波形--也就是電流和電壓與時間的關系圖,如下面的2 Ghz 輸入RF 信號圖所示。

I?V 波形和I?V 曲線顯示不同的信息。為了展示這種不同,我們利用Keysight ADS 和Modelithics Qorvo GaN 庫 模型(適用于90 W、48 V 的Qorvo GaN 晶體管QPD0060)創建了以下示例。

左圖顯示I?V 電流和電壓波形與時間的關系,其中AB 類偏置Vds = 48 V,Vgs = ?2.5 V(對應右圖中的標記m2)。

右圖顯示Vgs為4.5 V 至0 V 時的I?V 曲線(紅色,基于Vgs 的Ids 與Vds 參數關系)。右側的藍色曲線稱為動態負載線,表示信號完成整個正弦波周期時,漏極一側的電流生成器的動態電流-電壓軌跡。

I-V 波形和功率放大器工作類型

在功率放大器設計中,“類型”用來描述放大器的設計方法。這主要包括輸出信號驅動至預期功率水平時,晶體管的偏置條件和工作模式。如下圖所示,這些模式分別對應A 類、AB 類和B 類功率放大器在標記m2、m3 和m4 所示的靜態電壓-電流點時的晶體管偏置。

您也可以從I-V 波形的角度來考慮這些操作類型。下圖顯示在2 Ghz 基頻條件下A 類、AB 類、B 類和C 類的內部I-V 波形仿真結果。采用Keysight ADS 和適用于QPD0060 的Modelithics Qorvo GaN 庫模型來實施這些仿真。

我們來檢驗一下這些內部I?V 波形的預期值和細微差別。

A 類:我們預期電流和電壓本質上都是正弦波形,此時信號電平達到電流或電壓波形(或者兩者)均在I?V “足球場”局限區域內的邊緣出現削波時的點。這與上圖所示的波形是一致的,電流和電壓波形都是正弦曲線。由于電流在正弦波周期的整個360?度范圍內導電(非零),A 類有時被描述為具有360 度的“導通角”

B 類:對于非削波信號,我們預計電壓波形是完整的正弦波,電流波形是半整流的正弦波。對于B 類,因為在夾斷電壓位置會立刻偏置,我們預計電流在正弦波的半個周期內都為非零,或者導電。因此,B 類的導通角為180 度。從上圖中,我們可以看出電流呈現半正弦曲線,在半個周期內的0 A 位置削波。在電壓波形中可以看到一些非正弦失真。

AB 類:這種偏置正好設置在夾斷點以上,所以電流在電壓的超過一半正弦波周期內都導電。對于AB 類,導通角介于180 度和360 度之間。仿真AB 類波形顯示為失真極小的正弦電壓和半正弦電流。可以看出,電流在超過半個周期內都導電。

C 類: 偏置正好設置在夾斷點以下,所以電流在不到一半的電壓正弦波周期內導電。對于C 類,導通角小于180 度。此類型一般用在Doherty 放大器峰值一側的設備中。從仿真波形中可以看出,電流的導電范圍明顯不到一半正弦波周期,電壓出現失真,并且在擺幅的低壓部分開始出現削波。

功率放大器的其他兩個工作類型是F 類和J 類,它們適用于更高級的工作模式,這些模式以實現更高效率為主要目標:

F 類: 電壓實際上通過在適當的相位和振幅中反映第三次諧波,借此按平方計算,使電流/電壓重疊進一步最小化。該設備在B 類偏置點上偏置,且匹配網絡中使用了諧波調諧。如果處理得當,可以實現大幅增強功率附加效率(PAE) 的功率放大器設計。

J 類:J 類代表一系列工作模式,通過使用具有重要的反應組件的基本負載,以及可以通過設備輸出電容實現的反應諧波終端來實現。設備在B 類或AB 類的偏置點偏置。如果處理得當,可以實現在合理的帶寬內大幅增強功率附加效率(PAE) 的功率放大器設計。

內部和外部端口的“意外結果 (gotchas)

之前的圖顯示了理想的PA 類的波形。但有一點要注意的是:在不同的位置進行有效的I?V 波形仿真,例如在內部或外部端口,會產生不同的效果。設備的寄生效應讓這一點變得非常重要,寄生效應可能包括焊盤的電容、焊線、封裝寄生電容以及其他可能影響設備的性能和設計的因素。

下一個圖表說明內部和外部柵極、漏極和源端口之間的區別。

為了進一步說明內部和外部端口之間的差異,下圖采用仿真GaN HEMT 模型的一個較小的設備“芯片”格式來說明動態負載線路圖示例,顯示了當輸入信號完成整個周期的擺動時,內部(紅色)和外部(藍色)RF I-V 波形的軌跡。請注意外部周期是如何超越I?V 曲線的極限的,以及由于外部寄生效應而導致負電流波動。

下圖以F 類放大器設計為例,重點說明了內部和外部I?V 波形之間的差異:

在這個例子中,我使用了NI AWR 設計環境,以及在以前的PA 類示例中使用的相同QPD0060 GaN 設備模型。

然后我們調諧了第三諧波負載條件,使其“按平方計算”內部電壓波形,由此產生了圖示的F 類的波形。

從I-V 波形的角度來看,這個示例表明,內部波形遵循了正弦輸入信號的預期趨勢,獲得了合理偏置且匹配的功率放大器,但外部波形卻沒有。

右下方的圖清楚表明,外部波形因封裝設備的寄生電容和電感而扭曲失真。

采用“波形工程”,對F 類功率放大器設計示例進行微調

但是,如果您的內部波形不能反映您的工作類型所需的I?V 波形呢?可進行諧波調諧。所有的Modelithics Qorvo GaN 庫模型都允許電路設計人員在調整或優化負載匹配電路時監測內部電壓和電流波形,直到獲得所需的波形。有時候這稱之為功率放大器設計的“波形工程”法。

為了演示這種波形工程概念,下一張圖顯示了進行諧波調諧前后對內部I?V 波形實施功率掃描的結果。與上一節中所示的F 類初始波形圖相比,我調整了基本負載阻抗,將效率優化到71.5%。比較底部的兩個圖時,注意以下幾點:

在調整了第三諧波和“按平方計算電壓”之后,效率提高了9%,達到80.5%。

效率得到提高的同時,已達到的功率電平(34.9 dBm) 并未發生變化。

進行內部節點仿真有助于高效實現GaN 功率放大器設計

總之,外部波形對設計沒有用處,因為它們不受I?V 曲線限值的約束——正是這些電流/電壓的限制決定了設備在給定的偏置/電流/匹配條件下的功率性能。

最好在內部端口中為您的設計實施I?V 波形仿真。仿真I?V 波形是實現以下目標的關鍵:

· 優化匹配網絡s
· 補償設備寄生效應引起的失真
· 達到最佳的功率和效率
· 獲得一次性過關設計

之后,您可以使用波形工程來進一步微調設備設計和性能,以滿足應用要求。

深入了解:J 類功率放大器設計的相關視頻教程和可下載工作區

需要具備包含訪問內部電壓-電流端口的模型,例如Modelithics Qorvo GaN 庫中的模型,以便讓設計人員能夠優化高效率類型(例如F 類和其他高級PA 工作模式)(包括E 類、J 類和逆F 類)的I-V 波形,設計人員會利用這些類型來滿足當今富有挑戰性的設計對復雜線性度和效率的規格要求。

您可以觀看Keysight 的Matt Ozalas 在YouTube 上發布的指導視頻,通過其中的示例了解如何在J 類放大器設計中使用內部波形。本教程中還包括一個可以下載的交互式Keysight ADS 工作區。下圖是一張截屏,顯示的是Matt 的J 類示例的結果,在示例中,Qorvo TGF2952 GaN 晶體管采用了Modelithics 模型。

在本系列接下來的部分,我們將討論如何使用模型來仿真S 參數,并探討成功設計RF PA 所需要的電阻穩定性。

原理圖

A、B、AB 和C 類基礎功率放大器的I?V 波形:下圖顯示仿真4 種基本功率放大器的I?V 波形的原理圖,其中的條件是針對C 類設置。這些仿真采用Keysight ADS 和適用于QPD0060 的Modelithics Qorvo GaN 庫模型來實施。

諧波調諧用于描述F 類設計的波形工程: 下圖顯示在掃頻輸入功率和2 Ghz 基本頻率下,用于仿真內部和外部波形,以及功率和效率的原理圖。這些仿真采用NI AWR 和適用于QPD0060 的Modelithics Qorvo GaN 庫模型來實施。

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