【導(dǎo)讀】GaN HEMT 為功率放大器設(shè)計(jì)者提供了對(duì) LDMOS、GaAs 和 SiC 技術(shù)的許多改進(jìn)。更有利的特性包括高電壓操作、高擊穿電壓、功率密度高達(dá) 8 W/mm、fT 高達(dá) 25 GHz 和低靜態(tài)電流。另一方面，GaN RF 功率器件具有自加熱特性，并且元件參數(shù)的非線性與信號(hào)電平、熱效應(yīng)和環(huán)境條件之間存在復(fù)雜的依賴關(guān)系。這些因素往往給準(zhǔn)確預(yù)測(cè)器件大信號(hào)性能造成更多困難。
為了確保器件性能，測(cè)試設(shè)備通常用于測(cè)量器件在所需應(yīng)用中的性能，但這種傳統(tǒng)方法存在缺點(diǎn)：需要開(kāi)發(fā)測(cè)試硬件，并且必須進(jìn)行耗時(shí)的負(fù)載牽引測(cè)量。
出于若干原因，比物理測(cè)試更受青睞的是，與實(shí)際器件的測(cè)量性能緊密匹配的大信號(hào)模型。它降低了開(kāi)發(fā)成本，允許進(jìn)行更深入的“假設(shè)”分析，以在進(jìn)行后續(xù)工作之前確定器件是否合適；基于縮短的表征時(shí)間和將布局優(yōu)化與最終性能聯(lián)系起來(lái)的能力，帶來(lái)更短的設(shè)計(jì)周期。結(jié)果是讓更多設(shè)計(jì)首次測(cè)試便獲得通過(guò)。
#1 Wolfspeed GaN HEMT 大信號(hào)模型特性
Wolfspeed 為其基于 SiC 襯底的 GaN HEMT 器件開(kāi)發(fā)了極其精確的 3 端口大信號(hào)模型，該 GaN HEMT 器件具有高效率、高增益和匹配相對(duì)更容易的特點(diǎn)。
圖 1：Wolfspeed 3 端口大信號(hào) HEMT 模型和 FET 等效電路
圖 1 顯示了大信號(hào)模型原理圖和本征 FET 等效物。該模型基于已確立的等效電路方法。數(shù)據(jù)提取相對(duì)簡(jiǎn)單；Wolfspeed 使用各種測(cè)試夾具和測(cè)試電路，包括基波和諧波上的負(fù)載牽引。在各種頻率和器件尺寸下，還驗(yàn)證了大信號(hào)負(fù)載牽引和功率驅(qū)動(dòng)，以確保精確的大信號(hào)縮放。
為了成功地按大比例縮放，必須將單位晶格模型與所有操作區(qū)域的測(cè)量數(shù)據(jù)非常準(zhǔn)確地匹配起來(lái)。有了準(zhǔn)確且可擴(kuò)展的大信號(hào)模型，就可能設(shè)計(jì)出更大功率的晶體管。3 端口 HEMT 模型在比例因子大于 100 比 1 的設(shè)計(jì)中取得了成功。非線性模型在使用 CW 條件進(jìn)行測(cè)量的偏壓范圍內(nèi)擬合小信號(hào)參數(shù)。
除了三個(gè) FET 端口（柵極、源極和漏極）之外，該模型還提供本征漏電流和漏電壓波形以及芯片結(jié)溫。在設(shè)計(jì)復(fù)雜的 PA 架構(gòu)（如 F 類）時(shí)，本征漏電流和電壓波形至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S設(shè)計(jì)者優(yōu)化基本頻率和諧波頻率下的器件匹配。
根據(jù)需要，該模型還具有單個(gè)元件的內(nèi)置過(guò)程靈敏度和非線性。例如，漏電流源是器件非線性的主要因素。柵極電流公式包括擊穿和正向傳導(dǎo)，寄生電容的所有電壓變化都衍生自電荷公式。
準(zhǔn)確的封裝模型是另一關(guān)鍵因素。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一種封裝寄生互連的物理衍生建模方法，該方法包括許多不同的工具，其中包括 s 參數(shù)。
#2 模型數(shù)據(jù)與測(cè)量數(shù)據(jù)的比較
小信號(hào)和大信號(hào)行為建模的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。
小信號(hào)建模對(duì)于設(shè)計(jì)者預(yù)測(cè)功率放大器設(shè)計(jì)方案的增益、回波損耗和穩(wěn)定性很關(guān)鍵。Wolfspeed 模型根據(jù)不同柵寬、指尖數(shù)和偏壓范圍上的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，以確保所有三個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域的模型精度：DC-IV、小信號(hào)和大信號(hào)行為。
圖 2：建模（紅色）和物理（藍(lán)色）器件性能之間小信號(hào)
（左側(cè)）和大信號(hào)（右側(cè)）圖的比較
圖 2 比較了紅色的建模數(shù)據(jù)和藍(lán)色的測(cè)量數(shù)據(jù)。左側(cè)的史密斯圖顯示，在不同的柵寬和偏壓值上，建模數(shù)據(jù)在幅值和相位上都與測(cè)量數(shù)據(jù)非常接近。對(duì)于一系列不同的電流偏壓條件，這兩種結(jié)果非常接近。
最大增益 Gmax 的精確建模對(duì)于設(shè)計(jì)者了解給定應(yīng)用的最大可用增益以及展現(xiàn)器件在頻率上的性能至關(guān)重要。右側(cè)的 Gmax 圖與測(cè)量數(shù)據(jù)密切相關(guān)。
模型必須以 VDS 跟蹤 IV 行為，以正確描述器件的大信號(hào)性能。了解 DC IV 特性是 RF PA 設(shè)計(jì)非常重要的一個(gè)方面。
GaN 器件在柵極脈沖開(kāi)關(guān)過(guò)程中，由于表面陷阱電荷的存在，膝跳和電流崩潰是常見(jiàn)現(xiàn)象。作為模型提取過(guò)程的一部分，建模行為與脈沖 IV 數(shù)據(jù)相關(guān)。在各種頻率和器件尺寸下，還驗(yàn)證了大信號(hào)負(fù)載牽引和功率驅(qū)動(dòng)，以確保精確的大信號(hào)縮放。負(fù)載牽引曲線讓設(shè)計(jì)者了解需要向器件提供什么阻抗才能實(shí)現(xiàn)所需的功率和效率。
圖 3：大信號(hào)測(cè)量數(shù)據(jù)與模型仿真的比較
圖 3 中的曲線圖顯示，建模的增益和 PA 效率都和測(cè)量數(shù)據(jù)非常吻合，遠(yuǎn)超 1 dB 和 3 dB 壓縮點(diǎn)。這對(duì)于 GaN 器件至關(guān)重要，因?yàn)榕c等效 LDMOS 器件不同，GaN HEMT 往往會(huì)產(chǎn)生超過(guò) 3 dB 壓縮點(diǎn)的最大額定功率輸出。
可訪問(wèn) Wolfspeed GaN RF 大信號(hào)模型界面，其中討論了如何使用該模型來(lái)優(yōu)化 PA 應(yīng)用。給出了兩個(gè)示例。
當(dāng)功率放大器調(diào)整為最大輸出功率時(shí)，DC IV 圖顯示負(fù)載線傳過(guò)器件的最大電流為 350 mA。
第二個(gè)應(yīng)用使用該模型進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到最大效率。在此應(yīng)用中，負(fù)載線穿過(guò)器件耗散最小功率的點(diǎn)，以獲得可接受的輸出功率。結(jié)果表明，雖然輸出功率下降了 1 dB，但與最大功率情況相比，效率提高了 15%。溫度端口顯示溫度僅增加 12 攝氏度，而不是原先設(shè)計(jì)為最大功率時(shí)溫度增加了 60 攝氏度。
在這兩種情況下，建模數(shù)據(jù)軌跡都與測(cè)量數(shù)據(jù)非常接近。
為了更好地了解大信號(hào)模型負(fù)載牽引數(shù)據(jù)驗(yàn)證的過(guò)程，請(qǐng)參閱該應(yīng)用說(shuō)明。
#3 結(jié)論
Wolfspeed 開(kāi)發(fā)了大信號(hào) RF 模型，證明了與測(cè)量數(shù)據(jù)之間極其準(zhǔn)確的一致性。Wolfspeed 的代工廠（Foundry）業(yè)務(wù)使用這些模型來(lái)確保更短的循環(huán)時(shí)間、更高的可靠性和更多首次便通過(guò)測(cè)試的設(shè)計(jì)。
設(shè)計(jì)者獲得的益處包括降低開(kāi)發(fā)成本、減少 PA 設(shè)計(jì)迭代次數(shù)和更高的首次通過(guò)成功率。
最大的利好在于，這些模型可以免費(fèi)提供給符合條件的企業(yè)。
有關(guān)更多信息，敬請(qǐng)?jiān)L問(wèn) Wolfspeed GaN RF 大信號(hào)模型界面：
https://www.wolfspeed.com/tools-and-support/rf/large-signal-models/
英文原稿，敬請(qǐng)?jiān)L問(wèn)：
https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/gan-hemt-large-signal-models/
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