基于模型的GaN PA设计基础:固有的I-V波形是什么和为什么

这是关于GaN HEMT非线性模型对快速功率放大器(PA)设计成功重要性的系列文章的第三篇。

在简单的线性射频/微波放大器设计中，你可以使用单偏置s参数数据来设计匹配的网络，例如，在一个狭窄的频带获得最大的增益或在一个带宽上获得平坦的增益。

I-V曲线和I-V波形:有什么区别?

在一个典型的GaN HEMT的在放大器的应用中，源接地并且射频输入信号被应用在门到源的两端。漏极与负载相连，负载阻抗决定漏极与负载的关系载重线当RF-AC输入信号在最小和最大峰值之间来回摆动时所遍历的轨迹。

我们介绍了I - V曲线的基础知识和负载线，但另一种分析设备非线性行为的方法是通过查看设备的I-V波形-也就是说，通过观察随时间绘制的电流和电压图，如下图所示为一个2ghz输入射频信号。

I - V波形和I - V曲线显示了不同的信息。为了说明这一点，我们使用Keysight广告和Modelithics Qorvo GaN图书馆模型QPD0060，一个90w, 48v Qorvo GaN晶体管。(我们假设正弦信号是我们这里的目的)

• 左边的图显示I - V电流和电压波形相对于时间为V的AB类偏置_ds= 48v和V_GS=‑2.5 V(对应右下图标记m2)。
• 右边的图显示I - V曲线（一世_ds与V_ds在V参数化_GS用红色表示V_GS从4.5 V扫到0 V。右边的蓝色曲线叫做动态负载线和表示的动态电流 - 电压状态在作为信号完成完整正弦波周期漏极侧电流发生器的轨迹。

I-V波形和PA类操作

在巴勒斯坦权力机构设计中,“类”是一个用来描述放大器设计方法的术语。这主要是由晶体管的偏置条件和工作模式作为输出信号被驱动到其预期的功率水平。

最基本的三个类是A级,AB类和B级。如下面的图所示，这些模式分别对应于在静态电压 - 电流点表示由标记偏置晶体管M2，M3和M4用于PA类A，AB和B，。

你也可以考虑从I-V波形角度来看，这些类的治疗。如下图所示的特性的I-V波形仿真A类，AB，B和C中的2GHz的基频的结果。这些模拟使用Keysight ADS和Modelithics Qorvo氮化镓库模型QPD0060进行。

设计提示:请参见这篇博客文章的结尾广告设置示意图用于下列波形。

让我们检查这些固有的I - V波形的期望和细微差别:

• 甲级:我们期望电流和电压在信号电平上都是正弦波形，直到电流或电压波形(或两者)在I - V“足球场”极限的边缘经历剪切。这与上图所示的波形一致，电流和电压的形状都是正弦的。由于在整个360度的正弦波周期中电流是导电的(非零)，A类有时被称为具有360度的“传导角”。
• B类：对于非剪切信号，我们期望电压波形有一个完整的正弦波，电流波形有一个半整流的正弦波。由于我们的偏置正好在B类的断端电压处，我们期望在正弦波周期的一半时间内，电流不为零，或者说导电;因此，B类的传导角为180度。在上面的图中，我们可以看到电流是一个半正弦，在半周期内剪辑在0 a。在电压波形中可以看到一些非正弦失真。
• AB类:偏压被设置为略高于夹断，所以目前正在对多一点的电压的正弦波周期的二分之一。为AB类，导通角是180度和360之间。模拟的AB类波形示出了正弦电压和半正弦电流以最小的失真。目前被认为是进行比对周期的一半以上。
• C级:偏置设置为小于pinchoff，因此电流的传导时间小于电压正弦波周期的一半。对于C类，传导角小于180度。该类常用于a的峰侧装置中多尔蒂放大器。在模拟的波形中，电流的传导时间明显小于正弦波周期的一半，电压也发生了扭曲，并开始夹住低电压的摆动部分。

其它两个类PA操作的是F级和J类，它们是集中于更高的效率作为主要目标的操作的更高级的模式：

• F级:的电压实际上是由反射第三谐波在适当的相位平方和幅度，使得所述电流/电压重叠进一步最小化。该装置在B类偏置点偏置和匹配网络中采用谐波调谐。当正确地完成，这可产生PA设计显著增强的功率附加效率（PAE）。

内在的港口:	外在港口:
在给定的偏差、匹配和射频功率水平条件下，建立预期的波形行为。	在给定的偏差、匹配和射频功率水平条件下，建立预期的波形行为。
器件模型的任何寄生部分(例如，布局和包装效果)都被认为是器件的一部分外部网络。	设备模型的寄生部件是包括在模拟。
表示与射频信号电压和电流行为的接近。	结果失真波形相比，各种PA类预期的行为。
是受I - V曲线的限制。	模拟的动态荷载线行为将不仍然受到I - V曲线的限制(见下图)。
如果处理得当，这将导致预期的，对于基本的和高级PA类波形接近理想化的行为。	外在波形容易延伸到“出界”我们的I-V的区域“足球场”。
可以使用固有波形来优化PA性能，作为“波形工程”设计方法的一部分(稍后将在本博客中讨论)。	在波形工程中难以使用外部波形。

进一步说明了内在和外在的端口之间的差异,下图显示了一个动态载重线情节例子为一个更小的设备从一个模拟“死”格式GaN HEMT模型和显示了固有的轨迹(红色)和外部(蓝色)射频电流-电压波形作为输入信号通过整个周期波动。请注意，外部周期是如何超出I - V曲线的限制，电流是如何由于外部寄生效应而出现负波动的。

下面的图用一个F类放大器设计的例子强调了内在和外在I - V波形的区别:

• 对于本例，我使用NI AWR设计环境和前面PA类示例中使用的相同QPD0060 GaN设备模型。
• 然后，我调整了三次谐波负载条件，以“平方”固有电压波形，产生f类波形显示。
• 从I-V波形的角度来看，此示例表明内在对于适当偏置和匹配的PA，波形遵循正弦输入信号的预期趋势外在波形。
• 右下图清楚地显示，外部波形被封装器件的寄生电容和电感所扭曲。

设计提示:请参见这篇博客文章的结尾NI AWR原理图设置用于下列波形。

用“波形工程”对fpa类设计实例进行微调

但是，如果你的内在的波形并不反映您的操作类所需的I-V波形？谐波调谐可能是答案。

Modelithics Qorvo GaN库的所有模型允许电路设计者在调整或优化负载匹配电路时监测固有电压和电流波形，直到实现所需的波形成型。这有时被称为“波形工程”PA设计方法。

为了演示波形工程的概念，下一幅图显示了在谐波调谐之前和之后固有的I - V波形的功率扫描结果。与前一节中显示的初始F类波形图相比，我调整了基本负载阻抗，将效率优化到71.5%。在比较下面两个图时，请注意以下内容:

• 我们看到，在调整三次谐波和“平方电压”后，效率提高了9个百分点，达到80.5%。
• 效率提高是在不改变34.9 dBm的所达到的功率电平来完成。

设计提示:请参见这篇博客文章的结尾NI AWR原理图设置用于下列波形。

要点:在固有节点进行模拟，以最大化您的GaN PA设计

总之，外部波形对设计没有帮助，因为它们不受I - V曲线的限制，而正是这些电流/电压约束决定了在给定的偏置/电流/匹配条件下设备的功率能力。

深入进去：教程视频和下载的工作区，J类功率放大器设计

模型，例如Modelithics Qorvo GaN库中的那些，包括访问固有电压-电流端口，使设计人员能够优化I-V波形的高效率级别，如F级和其他先进的PA工作模式(包括E级，J类和逆F级），设计人员正在利用，以满足当今的挑战设计的复杂的线性度和效率指标。

你可以看到一个很好的例子，说明了本征波形在a类J放大器设计中的应用YouTube如何，通过Keysight的马特Ozalas开发的视频。本教程还包括一个可下载的交互式Keysight ADS工作区。下图是使用Qorvo的Modelithics模型的Matt的类J示例的结果截图TGF2952氮化镓晶体管。

在本系列的下一部分中，我们将讨论如何使用模型来模拟s参数并探索成功的射频PA设计通常需要的阻性稳定。

基本PA A、B、AB、C类的I - V波形:下面的图显示了用于模拟四种基本PA I - V类波形的原理图设置，条件设置为C类情况。这些模拟是使用Keysight广告和theModelithics Qorvo GaN图书馆模型QPD0060。

谐波调整说明波形工程的F类设计:下图显示了用于模拟内在和外在波形的原理设置，以及在2ghz基频扫过输入功率下的功率和效率。利用NI AWR和theModelithics Qorvo GaN图书馆模型QPD0060。