【Qorvo】非线性模型如何帮助 GaN PA 设计？

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。如果您已经了解它们，请直接跳到第 2 部分，它解释了 IV 曲线的基本原理。

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。

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。

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。

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。