氮化鎵(GaN) 功率放大器(PA) 設計是當前的熱門話題。出于多種原因，GaN HEMT 器件已成為滿足大多數新型微波功率放大器需求的領先解決方案。

過去，PA 設計以大致的起點開始并運用大量的“大師”知識來完成，使用測得的負載牽引數據可以提高PA設計的成功率，但不一定能夠獲得所需應用頻率下的負載牽引數據。而使用精確的非線性模型可以更快地生成設計數據，關注更精確的PA 行為，并獲得更好的結果。

本文中，我們將為您介紹需要了解的非線性GaN 模型的基礎知識。

什么是非線性GaN 模型？

對許多工程師來說，設計PA 的第一步是閱讀晶體管產品的數據手冊并查看S 參數。S 參數文件很有用，但有關器件大信號運行的信息不夠充分。此外，PA 設計工程師可以利用測得的負載牽引數據確定最佳負載阻抗目標值，以便在指定頻率下實現最佳功率和效率。

然而，設計人員通過仿真模型使用負載牽引數據還可以做得更多。具體來說，通過正確選取的非線性模型，設計人員可以：

· 確定最佳負載和源阻抗目標值，以優化任何線性或非線性性能目標。而且可以在模型有效頻率范圍內的任何頻率下快速完成。
· 仿真最大工作限值。
· 平衡PA 設計人員面臨的極具挑戰性的線性度、功率、帶寬和效率目標。
· 加快設計流程，有助于第一次就獲得正確的設計。
· 降低產品開發成本。

過去幾年來，Modelithics 與Qorvo 密切合作，開發出廣泛的非線性模型庫，現涵蓋70 多款裸片和封裝形式的Qorvo GaN 晶體管。這些模型有助于PA 設計人員準確預測設計中集成的晶體管性能。Modelithics 的仿真模型與最新的電子設計自動化(EDA) 仿真工具無縫集成，包括National Instruments 的NI AWR 設計環境 和Keysight Technologies 的高級設計系統(ADS)。

下圖顯示如何使用仿真模型創建PA 設計。Qorvo 和Modelithics 使用精選模型來生成PA 參考設計，然后，我們制造、測試和記錄這些設計，以說明模型準確性和對設計應用的實用性，以及PA 電路級的各個GaN 器件功能。

Modelithics 的非線性GaN 模型都具有設計功能，包括可變偏置、溫標、自熱效應、固有電流-電壓(I-V) 感應和焊線設置（若適用）。

捕獲I-V 曲線

在最基本的層面上，非線性GaN 模型必須捕獲晶體管在不同工作電平下的電流-電壓特性曲線，即I-V 曲線。晶體管的I-V 特性決定了器件的基本功耗、效率和其他主要性能驅動因素。

從本質上來說，I-V 曲線是漏極-源極電流(I) 與漏極-源極電壓(V) 之間的關系圖，用不同的柵極-源極電壓參數來表示，高端電壓限值由擊穿電壓設定，電流限值由最大電流設定。通用I-V 曲線參見下圖。

進行PA 設計時，正確選取的模型必須要捕獲這些I-V 曲線的邊界，以及在小信號和大信號運行條件下正確表示直流和動態射頻行為所需的許多其他特性。

模型中有什么？

一個模型預測PA 晶體管非線性行為的能力主要基于幾個方面：

· 電壓依賴性電流源(Ids) 的表示
· 電壓依賴性電容（主要是柵極-源極Cgd 和漏極-源極Cgs）
· 電壓依賴性二極管模型，與擊穿電壓的預測相關
· 寄生電感、電容和電阻，代表器件的總體頻率依賴性行為

Modelithics Qorvo GaN 庫中均為基于Chalmers-Angelov 模型的定制模型。下圖顯示了基本模型的拓撲，它與小信號模型一樣，包含在頻率范圍內擬合S 參數數據所需的所有元件。該建模框架也可用來擬合低噪聲、高功率應用的噪聲參數。

上圖還顯示了Modelithics Qorvo GaN 模型中常見的幾個典型符號：

· 溫度：器件運行的環境溫度。
· BWremoval：焊線去嵌入開關。
· 自熱參數：通過該參數，模型能夠估計脈沖信號與連續波(CW) 信號輸入等引起的自熱變化。該參數設置為脈沖信號的占空比。
· VDSQ：有些模型具有VdsQ 輸入，可用來調節預期工作電壓（例如，在12 V 至28 V 范圍內），這可看作是一個可擴展模型最佳切入點。

您還可以在模型的信息數據手冊中查看各個Modelithics 模型的功能，可雙擊仿真器中的模型，然后單擊幫助(ADS) 或供應商幫助(AWR) 按鈕獲得。

GaN 設計中散熱的重要性

GaN 成為最熱門的PA 晶體管技術之一源于三個主要屬性：

1、高擊穿電場（與高擊穿電壓有關）
2、高飽和速度（與較高的最大電流Imax 有關）
3、出色的熱屬性

但是，實現更高功率也帶來一個后果：

· 更高功率意味著更高的直流功率。
· 任何未轉換為射頻輸出功率的直流加載電源將作為熱量耗散（除非晶體管的效率為100%）。
· 因此，GaN 晶體管變得非常熱，熱管理成為重要的設計考慮因素。幸運的是，碳化硅基氮化鎵(GaN on SiC) 能夠更好地處理熱量，其熱導率高達5 W-cm^-1K^-1（與硅的1 W-cm^-1K^-1相比）。

但對于PA 電路級，這意味著設計人員必須在考慮所有其他設計挑戰的同時考慮散熱問題，而GaN 模型可以提供幫助。從建模角度來看，所有Modelithics Qorvo GaN 模型都內置環境溫度和自熱效應。某些模型還具有通道溫度感應節點，允許設計人員在射頻設計階段監測預估的通道溫度。