基于模型的GaN PA设计基础知识

对于氮化镓(GaN) 功率放大器，设计师需要考虑非线性操作，包括RF 电流-电压(I‑V) 波形会发生的状况。优化非线性行为设计的一种方法就是仿真内部I-V 波形。本文将为您介绍：

· I-V 波形的定义
· 功率放大器工作类型
· 内部和外部I‑V 波形
· 功率放大器设计的“波形工程”方法

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。

采用“波形工程”，对F 类功率放大器设计示例进行微调

但是，如果您的内部波形不能反映您的工作类型所需的I‑V 波形呢？可进行谐波调谐。所有的Modelithics Qorvo GaN 库模型都允许电路设计人员在调整或优化负载匹配电路时监测内部电压和电流波形，直到获得所需的波形。有时候这称之为功率放大器设计的“波形工程”法。

为了演示这种波形工程概念，下一张图显示了进行谐波调谐前后对内部I‑V 波形实施功率扫描的结果。与上一节中所示的F 类初始波形图相比，我调整了基本负载阻抗，将效率优化到71.5%。比较底部的两个图时，注意以下几点：

在调整了第三谐波和“按平方计算电压”之后，效率提高了9%，达到80.5%。

效率得到提高的同时，已达到的功率电平(34.9 dBm) 并未发生变化。

进行内部节点仿真有助于高效实现GaN 功率放大器设计

总之，外部波形对设计没有用处，因为它们不受I‑V 曲线限值的约束——正是这些电流/电压的限制决定了设备在给定的偏置/电流/匹配条件下的功率性能。

最好在内部端口中为您的设计实施I‑V 波形仿真。仿真I‑V 波形是实现以下目标的关键：

· 优化匹配网络s
· 补偿设备寄生效应引起的失真
· 达到最佳的功率和效率
· 获得一次性过关设计

之后，您可以使用波形工程来进一步微调设备设计和性能，以满足应用要求。

深入了解：J 类功率放大器设计的相关视频教程和可下载工作区

需要具备包含访问内部电压-电流端口的模型，例如Modelithics Qorvo GaN 库中的模型，以便让设计人员能够优化高效率类型（例如F 类和其他高级PA 工作模式）（包括E 类、J 类和逆F 类）的I-V 波形，设计人员会利用这些类型来满足当今富有挑战性的设计对复杂线性度和效率的规格要求。

您可以观看Keysight 的Matt Ozalas 在YouTube 上发布的指导视频，通过其中的示例了解如何在J 类放大器设计中使用内部波形。本教程中还包括一个可以下载的交互式Keysight ADS 工作区。下图是一张截屏，显示的是Matt 的J 类示例的结果，在示例中，Qorvo TGF2952 GaN 晶体管采用了Modelithics 模型。

在本系列接下来的部分，我们将讨论如何使用模型来仿真S 参数，并探讨成功设计RF PA 所需要的电阻稳定性。

原理图

A、B、AB 和C 类基础功率放大器的I‑V 波形：下图显示仿真4 种基本功率放大器的I‑V 波形的原理图，其中的条件是针对C 类设置。这些仿真采用Keysight ADS 和适用于QPD0060 的Modelithics Qorvo GaN 库模型来实施。

谐波调谐用于描述F 类设计的波形工程： 下图显示在扫频输入功率和2 Ghz 基本频率下，用于仿真内部和外部波形，以及功率和效率的原理图。这些仿真采用NI AWR 和适用于QPD0060 的Modelithics Qorvo GaN 库模型来实施。