基于模型的氮化镓PA设计基础知识:氮化镓晶体管年代参数,线性稳定性分析与电阻稳定性

这是系列博客的第4篇文章，主要讨论氮化镓HEMT非线性模型对快速高效实现功率放大器(PA)设计的重要性。

引言

稳定性解读

稳定性是指巴勒斯坦权力机构抵抗潜在的杂散振荡的能力。振荡可能是全功率大信号问题，也可能是未经正确分析，无法觉察的隐蔽频谱问题。甚至是预期频率范围以外的无用信号，都可能导致系统振荡和增益性能下降。

稳定性可以分为两种类型，您可以采用一些方法来分析您的系统中的巴勒斯坦权力机构的稳定性。

• 有条件的稳定性——系统设计在输入和输出呈现预期的特性阻抗Z₀(50Ω或75Ω)时保持稳定,但可能因为其他输入或输出阻抗而受到振荡(输入或输出端口显示负阻抗)。
  
• 无条件的稳定性- - - - - -在史密斯圆图内任何可能的正实部阻抗下，系统都保持稳定。注意，任何系统设计在遭遇负实部阻抗（史密斯圆图以外）时，都会发生振荡。但是，一般来说，如果系统被定义为无条件保持稳定，那么它在所有频率（设备能获得增益）和所有正实部阻抗下，都能保持稳定。
  

我们先来看看众所周知的“K系数”和稳定性度量参数“b”，以此确定在给定偏置下引起不稳定的频率范围。这些数值由以下公式计算得出¹：

k = {1- |S₁₁|²- |₂₂|²+ |₁₁*年代₂₂年代₁₂*年代₂₁|²} / {2 * |₁₂*年代₂₁|}

以及

b = 1 + |S₁₁|²- |₂₂|²- |₁₁*年代₂₂年代₁₂*年代₂₁|²

无条件稳定性用k > 1和b > 0表示。

但是，因为这个标准需要采用两个参数来检查无条件稳定性，因此可提供一个更加简洁的公式，使用下方的“μ'”参数²进行计算：

mu_prime = {1 - |S₂₂|²} / {|₁₁连词(年代₂₂) *δ| + |₂₁*年代₁₂|}

如果mu_prime > 1，表示无条件保持（线性）稳定。

利用匹配和调谐来获得稳定性

如上所述，可利用年代参数数据来开发匹配网络以获得放大器稳定性。图1显示单级放大器配置，以及影响增益和稳定性的关键参数。在无条件保持稳定区域，通过将Γ_年代和Γ_l设置为在两个端口实现同时共轭匹配来获得最大增益。¹

图1.

线性稳定性分析

未调谐晶体管的稳定性测量

我们来看一个示例。图2显示对Qorvo的T2G6003028-FS氮化镓HEMT器件（包括在Modelithics Qorvo甘模型库中）的非线性模型实施线性年代参数分析的仿真设置。

图2.

注意：这里所有仿真的偏置条件都设置为Vds = 28v、Vgs = -3.02 V，这相当于约200毫安漏极电流。

在上述示意图中，符号表示可以利用器件的年代参数计算出的参数，包括稳定性k、b和mu_prime。“MaxGain1”参数表示最大可用增益。“MaxGain1”参数计算在器件保持无条件稳定的频率范围内的最大可用增益，并显示表示最大稳定增益的值。在有条件保持稳定的区域，该值通过简单的|年代₂₁| / |₁₂|计算得出。

图3.显示MaxGain1参数、50Ω增益（年代₂₁，单位：dB）和稳定性系数k，以及从图2的示意图（m5时）计算得出的b和mu_prime的测量值。此图显示，稳定性测量值b > 0，稳定性系数k > 1。在约1.85 GHz (m5)时，稳定性测量参数显示有一个明显的转折点。这是有条件和无条件保持稳定区域之间的转换频率。3.5 GHz时，此仿真参数表示的最大增益约为18.4 dB（对应图3.中的标记m3）。注意：在约10.4 GHz时，最大可用增益达到0分贝；这个频率表示为最大频率或f_马克斯分析从极低频率到至少f_马克斯范围内的稳定性是非常不错的做法，这也是为什么在此示例中，设置为在25兆赫至12兆赫之间扫频的原因。

根据此分析，我们可以得出：

• 高于1.85 GHz时，器件无条件保持稳定。
• 低于1.85 GHz频率时，器件有条件保持稳定。

从仿真示意图（图2）得出的年代参数如图4所示。年代₁₁和年代₂₂显示在史密斯圆图中，极区图则用于显示年代₂₁和年代₁₂。

注意50Ω输入与输出（|年代₂₁|，单位：dB）的增益和MaxGain1值之间差异极大。这是由50Ω系统中与年代₁₁和年代₂₂相关的不匹配引起的。

图3.

图4.

在输入和输出平面内绘制稳定性圈可以提供更多见解。图2所示的示意图中也包括“S_StabCircle”和“L_StabCircle”的符号，它们对应输入和输出平面中稳定性圈的计算值。

这些圈的含义如下所述。在25兆赫时，输入稳定性圈在图5中用标记14表示，该圈上的每个点都表示一个Γ_年代值，按照如下公式，每个值都可以得出一个等于1的Γ_出值。

Γ_出=年代₂₂+ S₁₂*年代₂₁*{Γ_年代/ (1₁₁*Γ_年代)}

公式1

这个圈设定了Γ_出＜ 1和Γ_出> 1之间的边界，其意义在于，Γ_出> 1对应输出端口的负阻抗，这种情况可能导致出现震荡。之后，问题变成，圈内或者圈外是否是不稳定(Γ_出> 1)区域。在Γ_年代= 0（即50Ω点）时，进行快速检查。注意，根据公式1，Γ_出=年代₂₂时，对所有频率下都小于1展开分析。由此，我们可以断定，圈外为稳定区域，圈内为不稳定区域。

对输出稳定性圈的解释基本与此相似，除了此时绘制的Γ_l点的圈图中，Γ_在= 1（根据公式2）。通过类似论证，我们可以断定，图5右侧所示的圈图内部对应的是不稳定区域。注意，减少图2中所示的频谱计划是为了减少图5中显示的圈的数量，以使其更清晰。

Γ_在=年代₁₁+ S₁₂*年代₂₁*{Γ_l/ (1₂₂*Γ_l)}

公式2

图5.

线性稳定性分析

所以，当器件无法达到无条件保持稳定的要求时（例如，在我们的示例中，频率低于1.85 GHz），会怎么样？

您可以采用几种匹配方法来帮助稳定您的电路。在本文中，我们介绍两种方法。一种是利用阻抗，另一种是依赖频率的稳定。

• R阻抗- - - - - -使用匹配电阻提供稳定性
• 依赖频率- - - - - -使用电阻、电感和电容来提供稳定性

微波PA设计的阻抗稳定性

在我们的示例中，可以采用匹配电阻来帮助稳定大部分微波应用中的高增益、低频率晶体管。这些电阻可以在输入或输出端串联或并联，可以置于并行反馈回路中，或者包含在偏置网络中。对于巴勒斯坦权力机构，我们想让输出功率最大化，因此最好避免在输出网络中采用电阻。反馈放大器不在本文的讨论范围内，所以，我们会着重介绍输入网络中的串联和并联电阻。

图6显示在输入网络中添加串联和并联电阻的位置。调整这些值，以在整个0.025至12兆赫频率范围内实现无条件稳定性。由此得出的稳定性测量值如图7所示。这些值显示，晶体管在整个频率范围内都具有无条件稳定性。但是，注意，f_马克斯会从10.3 GHz下降至约8.75 GHz。比较图7（设计频率为3.5 GHz [12.3 dB]）中的最大增益估值和图3.的值（18.4 dB，不具备此稳定性），我们可以看出，最大可用增益降低了约6 dB。这是添加了纯电阻输入稳定网络造成的。电阻稳定器件的年代参数如图8所示，与非稳定器件的年代参数重叠。我们可以看到，年代₁₁和年代₁₂在整个频率范围内都受到影响，年代₂₁也降低，年代₂₂变化最小。令人欣慰的是，从图9可以看出，在添加电阻稳定性网络之后，在电源和负载平面中，稳定性圈现在都落在史密斯圆图之外。

图6.（注意：分析设置与图2相同）

图7.

图8.

图9.

依赖频率的电阻稳定性

如果设计频率高于1.85 GHz（例如3.5 GHz），我们可以实施使用串联-并联稳定性网络、依赖频率的电阻方法。我们来看看，是否可以使用此方法来减少上述增益损失。

在图10中，我们将一个电阻(R1)集成到经过更改的栅级偏置网络中。此外，将一个电容(C3)放置到串联稳定性电阻(R1)上。可以通过调整此电容值来调节串行电阻(R1)的频率，使之有效短路（使其不可”见”）。此举可以帮助提高可用增益。

图10.

利用电感(L1)和电容(C1)构建低通滤波器。这可以防止电阻(R1)在更高的射频频率或更低的频率下发挥作用，以便实现稳定性。有关此解决方案的增益、稳定性和年代参数分析，请参考图11、图12和图13。如图所示，依赖频率的稳定性网络在整个频率范围内提供无条件的稳定性，同时降低在3.5 GHz时对最大可用增益的影响。注意，与非稳定器件相比，在3.5 GHz时增益仅降低约1 db，而f_马克斯则与非稳定器件基本持平(~ 10.4 GHz)。在查看与图12中非稳定器件的年代参数比较结果时，我们发现，与电阻稳定器件不同，年代参数在整个频率范围内都未发生改变，仅在频率更低时改变（根据需要）。通过图13只能确认，对于无条件稳定电路，无论是在源平面还是在负载平面，稳定圆都不会与史密斯图重叠。

图11.

图12.

图13.

主要结果

所以，主要有哪些发现？如下方的数据所示，使用依赖频率的稳定性时，稳定性和增益都得到优化

• 无稳定性- 3.5 GHz时最大可用增益为18.373 dB -图3.
  -高于1.85 GHz时，无条件保持稳定
  -低于1.85 GHz时，有条件保持稳定
  
• 符合电阻稳定性- 3.5 GHz时最大可用增益为12.334 dB -图7
  -在整个0.025至12兆赫频率范围内，无条件保持稳定
  -最大可用增益降低6 dB
  
  
  
• 最优结果- - - - - -符合依赖频率的稳定性- 3.5 GHz时最大可用增益为17.5 dB -图11
  -在整个0.025至12兆赫频率范围内，无条件保持稳定
  -最大可用增益增加，高于电阻稳定性5.166 dB

总结

建模可以帮助在实际测试应用之前，解决稳定性等常见的设计问题。通过准确建模和实施稳定性技术，我们可以在保持无条件稳定的同时进行匹配和调谐，以优化年代参数的性能。

最后，请注意，这里讨论的稳定性网络使用了理想的集总元件。在实际的微波设计中，您需要包含微带互联和所有RLC元件的准确寄生模型，无论您是进行MMIC设计，还是进行包括集总元件的基于板的混合设计。

参考文献

1. 吉列尔莫•冈萨雷斯微波晶体管放大器:分析与设计，第二版，Prentice-Hall, 1997年。
2. M. L. Edwards和J. H. Sinsky，“使用几何推导参数的线性2端口稳定性的新准则”，IEEE微波理论与技术汇刊，第40卷第12期第2303-2311页，1992年12月。
3. A. Suarez和R. Quere非线性微波电路稳定性分析，Artech House, Norwood, MA, 2003。