【導讀】GaN HEMT 為功率放大器設計者提供了對 LDMOS、GaAs 和 SiC 技術的許多改進。更有利的特性包括高電壓操作、高擊穿電壓、功率密度高達 8 W/mm、fT 高達 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)的非線性與信號電平、熱效應和環(huán)境條件之間存在復雜的依賴關系。這些因素往往給準確預測器件大信號性能造成更多困難。
為了確保器件性能，測試設備通常用于測量器件在所需應用中的性能，但這種傳統(tǒng)方法存在缺點：需要開發(fā)測試硬件，并且必須進行耗時的負載牽引測量。
出于若干原因，比物理測試更受青睞的是，與實際器件的測量性能緊密匹配的大信號模型。它降低了開發(fā)成本，允許進行更深入的“假設”分析，以在進行后續(xù)工作之前確定器件是否合適；基于縮短的表征時間和將布局優(yōu)化與最終性能聯(lián)系起來的能力，帶來更短的設計周期。結(jié)果是讓更多設計首次測試便獲得通過。
#1 Wolfspeed GaN HEMT 大信號模型特性
Wolfspeed 為其基于 SiC 襯底的 GaN HEMT 器件開發(fā)了極其精確的 3 端口大信號模型，該 GaN HEMT 器件具有高效率、高增益和匹配相對更容易的特點。
圖 1：Wolfspeed 3 端口大信號 HEMT 模型和 FET 等效電路
圖 1 顯示了大信號模型原理圖和本征 FET 等效物。該模型基于已確立的等效電路方法。數(shù)據(jù)提取相對簡單；Wolfspeed 使用各種測試夾具和測試電路，包括基波和諧波上的負載牽引。在各種頻率和器件尺寸下，還驗證了大信號負載牽引和功率驅(qū)動，以確保精確的大信號縮放。
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)域的測量數(shù)據(jù)非常準確地匹配起來。有了準確且可擴展的大信號模型，就可能設計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 的設計中取得了成功。非線性模型在使用 CW 條件進行測量的偏壓范圍內(nèi)擬合小信號參數(shù)。
除了三個 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。在設計復雜的 PA 架構(gòu)（如 F 類）時，本征漏電流和電壓波形至關重要，因為它們允許設計者優(yōu)化基本頻率和諧波頻率下的器件匹配。
根據(jù)需要，該模型還具有單個元件的內(nèi)置過程靈敏度和非線性。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，寄生電容的所有電壓變化都衍生自電荷公式。
準確的封裝模型是另一關鍵因素。已經(jīng)開發(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)與測量數(shù)據(jù)的比較
小信號和大信號行為建模的準確性至關重要。
小信號建模對于設計者預測功率放大器設計方案的增益、回波損耗和穩(wěn)定性很關鍵。Wolfspeed 模型根據(jù)不同柵寬、指尖數(shù)和偏壓范圍上的測量數(shù)據(jù)進行評估，以確保所有三個關鍵領域的模型精度：DC-IV、小信號和大信號行為。
圖 2：建模（紅色）和物理（藍色）器件性能之間小信號
（左側(cè)）和大信號（右側(cè)）圖的比較
圖 2 比較了紅色的建模數(shù)據(jù)和藍色的測量數(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量數(shù)據(jù)非常接近。對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 的精確建模對于設計者了解給定應用的最大可用增益以及展現(xiàn)器件在頻率上的性能至關重要。右側(cè)的 Gmax 圖與測量數(shù)據(jù)密切相關。
模型必須以 VDS 跟蹤 IV 行為，以正確描述器件的大信號性能。了解 DC IV 特性是 RF PA 設計非常重要的一個方面。
GaN 器件在柵極脈沖開關過程中，由于表面陷阱電荷的存在，膝跳和電流崩潰是常見現(xiàn)象。作為模型提取過程的一部分，建模行為與脈沖 IV 數(shù)據(jù)相關。在各種頻率和器件尺寸下，還驗證了大信號負載牽引和功率驅(qū)動，以確保精確的大信號縮放。負載牽引曲線讓設計者了解需要向器件提供什么阻抗才能實現(xiàn)所需的功率和效率。
圖 3：大信號測量數(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 效率都和測量數(shù)據(jù)非常吻合，遠超 1 dB 和 3 dB 壓縮點。這對于 GaN 器件至關重要，因為與等效 LDMOS 器件不同，GaN HEMT 往往會產(chǎn)生超過 3 dB 壓縮點的最大額定功率輸出。
可訪問 Wolfspeed GaN RF 大信號模型界面，其中討論了如何使用該模型來優(yōu)化 PA 應用。給出了兩個示例。
當功率放大器調(diào)整為最大輸出功率時，DC IV 圖顯示負載線傳過器件的最大電流為 350 mA。
第二個應用使用該模型進行調(diào)整以達到最大效率。在此應用中，負載線穿過器件耗散最小功率的點，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，而不是原先設計為最大功率時溫度增加了 60 攝氏度。
在這兩種情況下，建模數(shù)據(jù)軌跡都與測量數(shù)據(jù)非常接近。
為了更好地了解大信號模型負載牽引數(shù)據(jù)驗證的過程，請參閱該應用說明。
#3 結(jié)論
Wolfspeed 開發(fā)了大信號 RF 模型，證明了與測量數(shù)據(jù)之間極其準確的一致性。Wolfspeed 的代工廠（Foundry）業(yè)務使用這些模型來確保更短的循環(huán)時間、更高的可靠性和更多首次便通過測試的設計。
設計者獲得的益處包括降低開發(fā)成本、減少 PA 設計迭代次數(shù)和更高的首次通過成功率。
最大的利好在于，這些模型可以免費提供給符合條件的企業(yè)。
有關更多信息，敬請訪問 Wolfspeed GaN RF 大信號模型界面：
https://www.wolfspeed.com/tools-and-support/rf/large-signal-models/
英文原稿，敬請訪問：
https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/gan-hemt-large-signal-models/
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