从入门到精通：非线性模型如何帮助进行GaN PA设计？

氮化镓(GaN) 功率放大器(PA) 设计是当前的热门话题。出于多种原因，GaN HEMT 器件已成为满足大多数新型微波功率放大器需求的领先解决方案。

过去，PA 设计以大致的起点开始并运用大量的“大师”知识来完成，使用测得的负载牵引数据可以提高PA设计的成功率，但不一定能够获得所需应用频率下的负载牵引数据。而使用精确的非线性模型可以更快地生成设计数据，关注更精确的PA 行为，并获得更好的结果。

本文中，我们将为您介绍需要了解的非线性GaN 模型的基础知识。

什么是非线性GaN 模型？

对许多工程师来说，设计PA 的第一步是阅读晶体管产品的数据手册并查看S 参数。S 参数文件很有用，但有关器件大信号运行的信息不够充分。此外，PA 设计工程师可以利用测得的负载牵引数据确定最佳负载阻抗目标值，以便在指定频率下实现最佳功率和效率。

然而，设计人员通过仿真模型使用负载牵引数据还可以做得更多。具体来说，通过正确选取的非线性模型，设计人员可以：

· 确定最佳负载和源阻抗目标值，以优化任何线性或非线性性能目标。而且可以在模型有效频率范围内的任何频率下快速完成。
· 仿真最大工作限值。
· 平衡PA 设计人员面临的极具挑战性的线性度、功率、带宽和效率目标。
· 加快设计流程，有助于第一次就获得正确的设计。
· 降低产品开发成本。

过去几年来，Modelithics 与Qorvo 密切合作，开发出广泛的非线性模型库，现涵盖70 多款裸片和封装形式的Qorvo GaN 晶体管。这些模型有助于PA 设计人员准确预测设计中集成的晶体管性能。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)。

下图显示如何使用仿真模型创建PA 设计。Qorvo 和Modelithics 使用精选模型来生成PA 参考设计，然后，我们制造、测试和记录这些设计，以说明模型准确性和对设计应用的实用性，以及PA 电路级的各个GaN 器件功能。

Modelithics 的非线性GaN 模型都具有设计功能，包括可变偏置、温标、自热效应、固有电流-电压(I-V) 感应和焊线设置（若适用）。

捕获I-V 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工作电平下的电流-电压特性曲线，即I-V 曲线。晶体管的I-V 特性决定了器件的基本功耗、效率和其他主要性能驱动因素。

从本质上来说，I-V 曲线是漏极-源极电流(I) 与漏极-源极电压(V) 之间的关系图，用不同的栅极-源极电压参数来表示，高端电压限值由击穿电压设定，电流限值由最大电流设定。通用I-V 曲线参见下图。

进行PA 设计时，正确选取的模型必须要捕获这些I-V 曲线的边界，以及在小信号和大信号运行条件下正确表示直流和动态射频行为所需的许多其他特性。

模型中有什么？

一个模型预测PA 晶体管非线性行为的能力主要基于几个方面：

· 电压依赖性电流源(Ids) 的表示
· 电压依赖性电容（主要是栅极-源极Cgd 和漏极-源极Cgs）
· 电压依赖性二极管模型，与击穿电压的预测相关
· 寄生电感、电容和电阻，代表器件的总体频率依赖性行为

Modelithics Qorvo GaN 库中均为基于Chalmers-Angelov 模型的定制模型。下图显示了基本模型的拓扑，它与小信号模型一样，包含在频率范围内拟合S 参数数据所需的所有元件。该建模框架也可用来拟合低噪声、高功率应用的噪声参数。

上图还显示了Modelithics Qorvo GaN 模型中常见的几个典型符号：

· 温度：器件运行的环境温度。
· BWremoval：焊线去嵌入开关。
· 自热参数：通过该参数，模型能够估计脉冲信号与连续波(CW) 信号输入等引起的自热变化。该参数设置为脉冲信号的占空比。
· VDSQ：有些模型具有VdsQ 输入，可用来调节预期工作电压（例如，在12 V 至28 V 范围内），这可看作是一个可扩展模型最佳切入点。

您还可以在模型的信息数据手册中查看各个Modelithics 模型的功能，可双击仿真器中的模型，然后单击帮助(ADS) 或供应商帮助(AWR) 按钮获得。

GaN 设计中散热的重要性

GaN 成为最热门的PA 晶体管技术之一源于三个主要属性：

1、高击穿电场（与高击穿电压有关）
2、高饱和速度（与较高的最大电流Imax 有关）
3、出色的热属性

但是，实现更高功率也带来一个后果：

· 更高功率意味着更高的直流功率。
· 任何未转换为射频输出功率的直流加载电源将作为热量耗散（除非晶体管的效率为100%）。
· 因此，GaN 晶体管变得非常热，热管理成为重要的设计考虑因素。幸运的是，碳化硅基氮化镓(GaN on SiC) 能够更好地处理热量，其热导率高达5 W-cm^-1K^-1（与硅的1 W-cm^-1K^-1相比）。

但对于PA 电路级，这意味着设计人员必须在考虑所有其他设计挑战的同时考虑散热问题，而GaN 模型可以提供帮助。从建模角度来看，所有Modelithics Qorvo GaN 模型都内置环境温度和自热效应。某些模型还具有通道温度感应节点，允许设计人员在射频设计阶段监测预估的通道温度。