這是系列博文的第 3 篇文章，主要討論 GaN HEMT 非線性模型對快速高效實現功率放大器 (PA) 設計的重要性。

在簡單的線性 Rf/微波放大器設計中，您可以使用單個偏差 S 參數數據來設計匹配網絡，例如，在一個窄頻段上實現最大增益，或者在帶寬上獲得平坦增益。

對于氮化鎵 (GaN) 功率放大器，設計師需要考慮非線性操作，包括 RF 電流-電壓 (I?V) 波形會發生的狀況。優化非線性行為設計的一種方法就是仿真內部 I-V 波形。本博文涵蓋以下內容：

I-V 波形的定義

功率放大器工作類型

內部和外部 I?V 波形

功率放大器設計的“波形工程”方法

回顧該系列其他博文講述的內容：

第 1 部分：非線性 GaN 模型基礎知識

第 2 部分：I?V 曲線的基本原理和負載線路的原則

I-V 曲線與 I-V 波形：有何不同?

在典型 GaN HEMT 放大器應用中，源是接地的，RF 輸入信號應用于整個柵極-源極終端。漏極與負載連接，負載阻抗決定了當 RF-AC 輸入信號在最小和最大峰值之間來回擺動時，負載線路來回移動的軌跡。

在本系列前幾篇博文中，我們介紹了關于 I?V 曲線和負載線路的基礎知識，但還有另一種分析設備的非線性行為的方法，即查看設備的 I-V 波形 — 也就是電流和電壓與時間的關系圖，如下面的 2 Ghz 輸入 RF 信號圖所示。

I?V 波形和 I?V 曲線顯示不同的信息。為了展示這種不同，我們利用 Keysight ADS 和 Modelithics Qorvo GaN 庫 模型(適用于 90 W、48 V 的 Qorvo GaN 晶體管 QPD0060)創建了以下示例。(這里，我們假設是正弦信號。)

左圖顯示 I?V 電流和電壓波形與時間的關系，其中 AB 類偏置 Vds = 48 V，Vgs = ?2.5 V(對應右圖中的標記 m2)。

右圖顯示 Vgs為 4.5 V 至 0 V 時的 I?V 曲線(紅色，基于 Vgs 的 Ids 與 Vds 參數關系)?。右側的藍色曲線稱為動態負載線，表示信號完成整個正弦波周期時，漏極一側的電流生成器的動態電流-電壓軌跡。

I-V 波形和功率放大器工作類型

在功率放大器設計中，“類型”用來描述放大器的設計方法。這主要包括輸出信號驅動至預期功率水平時，晶體管的偏置條件和工作模式。

如下圖所示，這些模式分別對應 A 類、AB 類和 B 類功率放大器在標記 m2、m3 和 m4 所示的靜態電壓-電流點時的晶體管偏置。

您也可以從 I-V 波形的角度來考慮這些操作類型。下圖顯示在 2 Ghz 基頻條件下 A 類、AB 類、B 類和 C 類的內部 I-V 波形仿真結果。采用 Keysight ADS 和適用于 QPD0060 的 Modelithics Qorvo GaN 庫模型來實施這些仿真。

設計技巧：閱讀這篇博客文章的末尾部分，了解以下波形所使用的 ADS 原理圖。

我們來檢驗一下這些內部 I?V 波形的預期值和細微差別。

A 類：我們預期電流和電壓本質上都是正弦波形，此時信號電平達到電流或電壓波形(或者兩者)均在 I?V “足球場”局限區域內的邊緣出現削波時的點。這與上圖所示的波形是一致的，電流和電壓波形都是正弦曲線。由于電流在正弦波周期的整個 360? 度范圍內導電(非零)，A 類有時被描述為具有 360 度的“導通角”。

B 類：對于非削波信號，我們預計電壓波形是完整的正弦波，電流波形是半整流的正弦波。對于 B 類，因為在夾斷電壓位置會立刻偏置，我們預計電流在正弦波的半個周期內都為非零，或者導電。因此，B 類的導通角為 180 度。從上圖中，我們可以看出電流呈現半正弦曲線，在半個周期內的 0 A 位置削波。在電壓波形中可以看到一些非正弦失真。

AB 類：這種偏置正好設置在夾斷點以上，所以電流在電壓的超過一半正弦波周期內都導電。對于 AB 類，導通角介于 180 度和 360 度之間。仿真 AB 類波形顯示為失真極小的正弦電壓和半正弦電流。可以看出，電流在超過半個周期內都導電。

C 類: 偏置正好設置在夾斷點以下，所以電流在不到一半的電壓正弦波周期內導電。對于 C 類，導通角小于 180 度。此類型一般用在 Doherty 放大器峰值一側的設備中。從仿真波形中可以看出，電流的導電范圍明顯不到一半正弦波周期，電壓出現失真，并且在擺幅的低壓部分開始出現削波。

功率放大器的其他兩個工作類型是 F 類和 J 類，它們適用于更高級的工作模式，這些模式以實現更高效率為主要目標：

F 類: 電壓實際上通過在適當的相位和振幅中反映第三次諧波，借此按平方計算，使電流/電壓重疊進一步最小化。該設備在 B 類偏置點上偏置，且匹配網絡中使用了諧波調諧。如果處理得當，可以實現大幅增強功率附加效率 (PAE) 的功率放大器設計。

J 類：J 類代表一系列工作模式，通過使用具有重要的反應組件的基本負載，以及可以通過設備輸出電容實現的反應諧波終端來實現。設備在 B 類或 AB 類的偏置點偏置。如果處理得當，可以實現在合理的帶寬內大幅增強功率附加效率 (PAE) 的功率放大器設計。

內部和外部端口的“意外結果(gotchas)”

之前的圖顯示了理想的 PA 類的波形。但有一點要注意的是：在不同的位置進行有效的 I?V 波形仿真，例如在內部或外部端口，會產生不同的效果。

設備的寄生效應讓這一點變得非常重要，寄生效應可能包括焊盤的電容、焊線、封裝寄生電容以及其他可能影響設備的性能和設計的因素。

下一個圖表說明內部和外部柵極、漏極和源端口之間的區別。

內部端口：外部端口：

按照給定的偏置、匹配和 RF 功率水平條件，構建期望的波形行為。按照給定的偏置、匹配和 RF 功率水平條件，構建期望的波形行為。

設備模型的任何寄生部件(例如，布局和封裝效果)都被認為是外部網絡的一部分。仿真中包含了設備模型的寄生部分。

可以相當準確地反映 RF 信號電壓和電流的行為。與各種 PA 類的預期行為相比，結果是波形失真。

受 I?V 曲線限值的限制。.仿真的動態負載線路行為將不會繼續受 I?V 曲線的限制(參見下方的下一個圖表)。

如果處理得當，將會得到預期的、近乎理想化的基本和高級 PA 類波形的行為外部波形穩定擴展至 I?V“足球場”的“界外”區域。

可以使用內部波形來優化功率放大器的性能，這是“波形工程”設計方法的一部分(本篇博文稍后會詳細講述)。外部波形很難在波形工程中使用。

為了進一步說明內部和外部端口之間的差異，下圖采用仿真 GaN HEMT 模型的一個較小的設備“芯片”格式來說明動態負載線路圖示例，顯示了當輸入信號完成整個周期的擺動時，內部(紅色)和外部(藍色)RF I-V 波形的軌跡。請注意外部周期是如何超越 I?V 曲線的極限的，以及由于外部寄生效應而導致負電流波動。

下圖以 F 類放大器設計為例，重點說明了內部和外部 I?V 波形之間的差異：

在這個例子中，我使用了 NI AWR 設計環境，以及在以前的 PA 類示例中使用的相同 QPD0060 GaN 設備模型。

然后我調諧了第三諧波負載條件，使其“按平方計算”內部電壓波形，由此產生了圖示的 F 類的波形。

從 I-V 波形的角度來看，這個示例表明，內部波形遵循了正弦輸入信號的預期趨勢，獲得了合理偏置且匹配的功率放大器 - 但外部波形卻沒有。

右下方的圖清楚表明，外部波形因封裝設備的寄生電容和電感而扭曲失真。

設計技巧：閱讀這篇博客文章的末尾部分，了解以下波形所使用的NI AWR 原理圖。

采用“波形工程”，對 F 類功率放大器設計示例進行微調

但是，如果您的內部波形不能反映您的工作類型所需的 I?V 波形呢?可進行諧波調諧。

所有的 Modelithics Qorvo GaN 庫模型都允許電路設計人員在調整或優化負載匹配電路時監測內部電壓和電流波形，直到獲得所需的波形。有時候這稱之為功率放大器設計的“波形工程”法。

為了演示這種波形工程概念，下一張圖顯示了進行諧波調諧前后對內部 I?V 波形實施功率掃描的結果。與上一節中所示的 F 類初始波形圖相比，我調整了基本負載阻抗，將效率優化到 71.5%。比較底部的兩個圖時，注意以下幾點：

在調整了第三諧波和“按平方計算電壓”之后，效率提高了 9%，達到 80.5%。

效率得到提高的同時，已達到的功率電平 (34.9 dBm) 并未發生變化。

設計技巧：閱讀這篇博客文章的末尾部分，了解以下波形所使用的NI AWR 原理圖。

總而言之：進行內部節點仿真有助于高效實現 GaN 功率放大器設計

總之，外部波形對設計沒有用處，因為它們不受 I?V 曲線限值的約束 - 正是這些電流/電壓的限制決定了設備在給定的偏置/電流/匹配條件下的功率性能。

最好在內部端口中為您的設計實施 I?V 波形仿真。仿真 I?V 波形是實現以下目標的關鍵：

優化匹配網絡s

補償設備寄生效應引起的失真

達到最佳的功率和效率

獲得一次性過關設計

之后，您可以使用波形工程來進一步微調設備設計和性能，以滿足應用要求。

專題文章： Waveform Engineering

閱讀本文，使用Qorvo T2G6000528 GaN HEMT，NI AWR和Modelithics Qorvo GaN Library描述PA設計流程：

寬帶型高效 GaN RF 功率放大器設計《微波雜志》

深入了解：J 類功率放大器設計的相關視頻教程和可下載工作區

需要具備包含訪問內部電壓-電流端口的模型，例如 Modelithics Qorvo GaN 庫中的模型，以便讓設計人員能夠優化高效率類型(例如 F 類和其他高級 PA 工作模式)(包括 E 類、J 類和逆 F 類)的 I-V 波形，設計人員會利用這些類型來滿足當今富有挑戰性的設計對復雜線性度和效率的規格要求。

您可以觀看 Keysight 的 Matt Ozalas 在 YouTube 上發布的指導視頻，通過其中的示例了解如何在 J 類放大器設計中使用內部波形。本教程中還包括一個可以下載的交互式 Keysight ADS 工作區。下圖是一張截屏，顯示的是 Matt 的 J 類示例的結果，在示例中，Qorvo TGF2952 GaN 晶體管采用了 Modelithics 模型。

在本系列接下來的部分，我們將討論如何使用模型來仿真 S 參數，并探討成功設計 RF PA 所需要的電阻穩定性。

Modelithics Qorvo GaN 庫

進一步了解適用于封裝和裸片 Qorvo GaN 晶體管的非線性模型。.

對于那些有訪問權限的用戶，您也可以發送電子郵件至 info@modelithics.com ，申請獲取示例 ADS 工作區和/或與本篇博文有關的 NI AWR 項目。

原理圖

A、B、AB 和 C 類基礎功率放大器的 I?V 波形：下圖顯示仿真 4 種基本功率放大器的 I?V 波形的原理圖，其中的條件是針對 C 類設置。這些仿真采用 Keysight ADS 和適用于 QPD0060 的 Modelithics Qorvo GaN 庫模型來實施。

諧波調諧用于描述 F 類設計的波形工程： 下圖顯示在掃頻輸入功率和 2 Ghz 基本頻率下，用于仿真內部和外部波形，以及功率和效率的原理圖。這些仿真采用 NI AWR 和適用于 QPD0060 的 Modelithics Qorvo GaN 庫模型來實施。

審核編輯：湯梓紅