對(duì)于氮化鎵(GaN) 功率放大器，設(shè)計(jì)師需要考慮非線(xiàn)性操作，包括RF 電流-電壓(I?V) 波形會(huì)發(fā)生的狀況。優(yōu)化非線(xiàn)性行為設(shè)計(jì)的一種方法就是仿真內(nèi)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(lèi)型
· 內(nèi)部和外部I?V 波形
· 功率放大器設(shè)計(jì)的“波形工程”方法

I-V 曲線(xiàn)與I-V 波形：有何不同？

在典型GaN HEMT 放大器應(yīng)用中，源是接地的，RF 輸入信號(hào)應(yīng)用于整個(gè)柵極-源極終端。漏極與負(fù)載連接，負(fù)載阻抗決定了當(dāng)RF-AC 輸入信號(hào)在最小和最大峰值之間來(lái)回?cái)[動(dòng)時(shí)，負(fù)載線(xiàn)路來(lái)回移動(dòng)的軌跡。

在之前的介紹中，我們了解了關(guān)于I?V 曲線(xiàn)和負(fù)載線(xiàn)路的基礎(chǔ)知識(shí)，但還有另一種分析設(shè)備的非線(xiàn)性行為的方法，即查看設(shè)備的I-V 波形--也就是電流和電壓與時(shí)間的關(guān)系圖，如下面的2 Ghz 輸入RF 信號(hào)圖所示。

I?V 波形和I?V 曲線(xiàn)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(kù) 模型（適用于90 W、48 V 的Qorvo GaN 晶體管QPD0060）創(chuàng)建了以下示例。

左圖顯示I?V 電流和電壓波形與時(shí)間的關(guān)系，其中AB 類(lèi)偏置V_ds = 48 V，V_gs = ?2.5 V（對(duì)應(yīng)右圖中的標(biāo)記m2）。

右圖顯示V_gs為4.5 V 至0 V 時(shí)的I?V 曲線(xiàn)（紅色，基于V_gs 的I_ds 與V_ds 參數(shù)關(guān)系）。右側(cè)的藍(lán)色曲線(xiàn)稱(chēng)為動(dòng)態(tài)負(fù)載線(xiàn)，表示信號(hào)完成整個(gè)正弦波周期時(shí)，漏極一側(cè)的電流生成器的動(dòng)態(tài)電流-電壓軌跡。

I-V 波形和功率放大器工作類(lèi)型

在功率放大器設(shè)計(jì)中，“類(lèi)型”用來(lái)描述放大器的設(shè)計(jì)方法。這主要包括輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)至預(yù)期功率水平時(shí)，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(duì)應(yīng)A 類(lèi)、AB 類(lèi)和B 類(lèi)功率放大器在標(biāo)記m2、m3 和m4 所示的靜態(tài)電壓-電流點(diǎn)時(shí)的晶體管偏置。

您也可以從I-V 波形的角度來(lái)考慮這些操作類(lèi)型。下圖顯示在2 Ghz 基頻條件下A 類(lèi)、AB 類(lèi)、B 類(lèi)和C 類(lèi)的內(nèi)部I-V 波形仿真結(jié)果。采用Keysight ADS 和適用于QPD0060 的Modelithics Qorvo GaN 庫(kù)模型來(lái)實(shí)施這些仿真。

我們來(lái)檢驗(yàn)一下這些內(nèi)部I?V 波形的預(yù)期值和細(xì)微差別。

A 類(lèi)：我們預(yù)期電流和電壓本質(zhì)上都是正弦波形，此時(shí)信號(hào)電平達(dá)到電流或電壓波形（或者兩者）均在I?V “足球場(chǎng)”局限區(qū)域內(nèi)的邊緣出現(xiàn)削波時(shí)的點(diǎn)。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(xiàn)。由于電流在正弦波周期的整個(gè)360?度范圍內(nèi)導(dǎo)電（非零），A 類(lèi)有時(shí)被描述為具有360 度的“導(dǎo)通角”

B 類(lèi)：對(duì)于非削波信號(hào)，我們預(yù)計(jì)電壓波形是完整的正弦波，電流波形是半整流的正弦波。對(duì)于B 類(lèi)，因?yàn)樵趭A斷電壓位置會(huì)立刻偏置，我們預(yù)計(jì)電流在正弦波的半個(gè)周期內(nèi)都為非零，或者導(dǎo)電。因此，B 類(lèi)的導(dǎo)通角為180 度。從上圖中，我們可以看出電流呈現(xiàn)半正弦曲線(xiàn)，在半個(gè)周期內(nèi)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(lèi)：這種偏置正好設(shè)置在夾斷點(diǎn)以上，所以電流在電壓的超過(guò)一半正弦波周期內(nèi)都導(dǎo)電。對(duì)于AB 類(lèi)，導(dǎo)通角介于180 度和360 度之間。仿真AB 類(lèi)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(guò)半個(gè)周期內(nèi)都導(dǎo)電。

C 類(lèi): 偏置正好設(shè)置在夾斷點(diǎn)以下，所以電流在不到一半的電壓正弦波周期內(nèi)導(dǎo)電。對(duì)于C 類(lèi)，導(dǎo)通角小于180 度。此類(lèi)型一般用在Doherty 放大器峰值一側(cè)的設(shè)備中。從仿真波形中可以看出，電流的導(dǎo)電范圍明顯不到一半正弦波周期，電壓出現(xiàn)失真，并且在擺幅的低壓部分開(kāi)始出現(xiàn)削波。

功率放大器的其他兩個(gè)工作類(lèi)型是F 類(lèi)和J 類(lèi)，它們適用于更高級(jí)的工作模式，這些模式以實(shí)現(xiàn)更高效率為主要目標(biāo)：

F 類(lèi): 電壓實(shí)際上通過(guò)在適當(dāng)?shù)南辔缓驼穹蟹从车谌沃C波，借此按平方計(jì)算，使電流/電壓重疊進(jìn)一步最小化。該設(shè)備在B 類(lèi)偏置點(diǎn)上偏置，且匹配網(wǎng)絡(luò)中使用了諧波調(diào)諧。如果處理得當(dāng)，可以實(shí)現(xiàn)大幅增強(qiáng)功率附加效率(PAE) 的功率放大器設(shè)計(jì)。

J 類(lèi)：J 類(lèi)代表一系列工作模式，通過(guò)使用具有重要的反應(yīng)組件的基本負(fù)載，以及可以通過(guò)設(shè)備輸出電容實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)諧波終端來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)備在B 類(lèi)或AB 類(lèi)的偏置點(diǎn)偏置。如果處理得當(dāng)，可以實(shí)現(xiàn)在合理的帶寬內(nèi)大幅增強(qiáng)功率附加效率(PAE) 的功率放大器設(shè)計(jì)。

內(nèi)部和外部端口的“意外結(jié)果 (gotchas)”

之前的圖顯示了理想的PA 類(lèi)的波形。但有一點(diǎn)要注意的是：在不同的位置進(jìn)行有效的I?V 波形仿真，例如在內(nèi)部或外部端口，會(huì)產(chǎn)生不同的效果。設(shè)備的寄生效應(yīng)讓這一點(diǎn)變得非常重要，寄生效應(yīng)可能包括焊盤(pán)的電容、焊線(xiàn)、封裝寄生電容以及其他可能影響設(shè)備的性能和設(shè)計(jì)的因素。

下一個(gè)圖表說(shuō)明內(nèi)部和外部柵極、漏極和源端口之間的區(qū)別。

為了進(jìn)一步說(shuō)明內(nèi)部和外部端口之間的差異，下圖采用仿真GaN HEMT 模型的一個(gè)較小的設(shè)備“芯片”格式來(lái)說(shuō)明動(dòng)態(tài)負(fù)載線(xiàn)路圖示例，顯示了當(dāng)輸入信號(hào)完成整個(gè)周期的擺動(dòng)時(shí)，內(nèi)部（紅色）和外部（藍(lán)色）RF I-V 波形的軌跡。請(qǐng)注意外部周期是如何超越I?V 曲線(xiàn)的極限的，以及由于外部寄生效應(yīng)而導(dǎo)致負(fù)電流波動(dòng)。

下圖以F 類(lèi)放大器設(shè)計(jì)為例，重點(diǎn)說(shuō)明了內(nèi)部和外部I?V 波形之間的差異：

在這個(gè)例子中，我使用了NI AWR 設(shè)計(jì)環(huán)境，以及在以前的PA 類(lèi)示例中使用的相同QPD0060 GaN 設(shè)備模型。

然后我們調(diào)諧了第三諧波負(fù)載條件，使其“按平方計(jì)算”內(nèi)部電壓波形，由此產(chǎn)生了圖示的F 類(lèi)的波形。

從I-V 波形的角度來(lái)看，這個(gè)示例表明，內(nèi)部波形遵循了正弦輸入信號(hào)的預(yù)期趨勢(shì)，獲得了合理偏置且匹配的功率放大器，但外部波形卻沒(méi)有。

右下方的圖清楚表明，外部波形因封裝設(shè)備的寄生電容和電感而扭曲失真。

采用“波形工程”，對(duì)F 類(lèi)功率放大器設(shè)計(jì)示例進(jìn)行微調(diào)

但是，如果您的內(nèi)部波形不能反映您的工作類(lèi)型所需的I?V 波形呢？可進(jìn)行諧波調(diào)諧。所有的Modelithics Qorvo GaN 庫(kù)模型都允許電路設(shè)計(jì)人員在調(diào)整或優(yōu)化負(fù)載匹配電路時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)部電壓和電流波形，直到獲得所需的波形。有時(shí)候這稱(chēng)之為功率放大器設(shè)計(jì)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(jìn)行諧波調(diào)諧前后對(duì)內(nèi)部I?V 波形實(shí)施功率掃描的結(jié)果。與上一節(jié)中所示的F 類(lèi)初始波形圖相比，我調(diào)整了基本負(fù)載阻抗，將效率優(yōu)化到71.5%。比較底部的兩個(gè)圖時(shí)，注意以下幾點(diǎn)：

在調(diào)整了第三諧波和“按平方計(jì)算電壓”之后，效率提高了9%，達(dá)到80.5%。

效率得到提高的同時(shí)，已達(dá)到的功率電平(34.9 dBm) 并未發(fā)生變化。

進(jìn)行內(nèi)部節(jié)點(diǎn)仿真有助于高效實(shí)現(xiàn)GaN 功率放大器設(shè)計(jì)

總之，外部波形對(duì)設(shè)計(jì)沒(méi)有用處，因?yàn)樗鼈儾皇躀?V 曲線(xiàn)限值的約束——正是這些電流/電壓的限制決定了設(shè)備在給定的偏置/電流/匹配條件下的功率性能。

最好在內(nèi)部端口中為您的設(shè)計(jì)實(shí)施I?V 波形仿真。仿真I?V 波形是實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)的關(guān)鍵：

· 優(yōu)化匹配網(wǎng)絡(luò)s
· 補(bǔ)償設(shè)備寄生效應(yīng)引起的失真
· 達(dá)到最佳的功率和效率
· 獲得一次性過(guò)關(guān)設(shè)計(jì)

之后，您可以使用波形工程來(lái)進(jìn)一步微調(diào)設(shè)備設(shè)計(jì)和性能，以滿(mǎn)足應(yīng)用要求。

深入了解：J 類(lèi)功率放大器設(shè)計(jì)的相關(guān)視頻教程和可下載工作區(qū)

需要具備包含訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)部電壓-電流端口的模型，例如Modelithics Qorvo GaN 庫(kù)中的模型，以便讓設(shè)計(jì)人員能夠優(yōu)化高效率類(lèi)型（例如F 類(lèi)和其他高級(jí)PA 工作模式）（包括E 類(lèi)、J 類(lèi)和逆F 類(lèi)）的I-V 波形，設(shè)計(jì)人員會(huì)利用這些類(lèi)型來(lái)滿(mǎn)足當(dāng)今富有挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)對(duì)復(fù)雜線(xiàn)性度和效率的規(guī)格要求。

您可以觀(guān)看Keysight 的Matt Ozalas 在YouTube 上發(fā)布的指導(dǎo)視頻，通過(guò)其中的示例了解如何在J 類(lèi)放大器設(shè)計(jì)中使用內(nèi)部波形。本教程中還包括一個(gè)可以下載的交互式Keysight ADS 工作區(qū)。下圖是一張截屏，顯示的是Matt 的J 類(lèi)示例的結(jié)果，在示例中，Qorvo TGF2952 GaN 晶體管采用了Modelithics 模型。

在本系列接下來(lái)的部分，我們將討論如何使用模型來(lái)仿真S 參數(shù)，并探討成功設(shè)計(jì)RF PA 所需要的電阻穩(wěn)定性。

原理圖

A、B、AB 和C 類(lèi)基礎(chǔ)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(duì)C 類(lèi)設(shè)置。這些仿真采用Keysight ADS 和適用于QPD0060 的Modelithics Qorvo GaN 庫(kù)模型來(lái)實(shí)施。

諧波調(diào)諧用于描述F 類(lèi)設(shè)計(jì)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(nèi)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(kù)模型來(lái)實(shí)施。