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基于模型的GAN PA設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí):GAN晶體管S參數(shù)、線性穩(wěn)定性分析與電阻穩(wěn)定性

發(fā)布時(shí)間:2021-11-16 來(lái)源:Qorvo 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】在簡(jiǎn)單的線性射頻/微波放大器設(shè)計(jì)中,一般利用s參數(shù)匹配使增益和增益平坦度最大。同樣也會(huì)利用這些 S 參數(shù)數(shù)據(jù)來(lái)開(kāi)發(fā)匹配網(wǎng)絡(luò),以解決放大器穩(wěn)定性問(wèn)題。本文討論在設(shè)計(jì)氮化鎵 (GaN) 功率放大器 (PA) 過(guò)程中,使用模型模擬基本的 S 參數(shù)和穩(wěn)定性分析的重要性。文中介紹使用模型和電阻穩(wěn)定性技術(shù)來(lái)幫助避免設(shè)備不穩(wěn)定,從而避免影響非線性和線性仿真。


在這篇博文中,我們著重介紹線性 S 參數(shù)計(jì)算中使用的簡(jiǎn)單的雙端口穩(wěn)定性分析。我們將使用 Modelithics Qorvo GaN 庫(kù)中的非線性 Qorvo GaN 功率晶體管模型,并配合使用仿真模板和 Keysight 高級(jí)設(shè)計(jì)系統(tǒng) (ADS) 軟件。

基于模型的 GaN PA 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)


Qorvo 與 Modelithics 合作,共同說(shuō)明非線性模型和 Modelithics Qorvo GaN 庫(kù)如何幫助您改進(jìn) PA 設(shè)計(jì)。


點(diǎn)擊此處,查看第一批博文:


第 1 部分:GaN HEMT 模型初階入門

第 2 部分:I-V 曲線中有什么?

第 3 部分:內(nèi)部電流-電壓 (I-V) 波形的定義及其必要性

 

穩(wěn)定性解讀


穩(wěn)定性是指 PA 抵抗?jié)撛诘碾s散振蕩的能力。振蕩可能是全功率大信號(hào)問(wèn)題,也可能是未經(jīng)正確分析,無(wú)法覺(jué)察的隱蔽頻譜問(wèn)題。甚至是預(yù)期頻率范圍以外的無(wú)用信號(hào),都可能導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩和增益性能下降。


穩(wěn)定性可以分為兩種類型,您可以采用一些方法來(lái)分析您的系統(tǒng)中的 PA 的穩(wěn)定性。


●     有條件的穩(wěn)定性 – 系統(tǒng)設(shè)計(jì)在輸入和輸出呈現(xiàn)預(yù)期的特性阻抗 Z0(50Ω 或 75Ω)時(shí)保持穩(wěn)定,但可能因?yàn)槠渌斎牖蜉敵鲎杩苟艿秸袷帲ㄝ斎牖蜉敵龆丝陲@示負(fù)阻抗)。 

 

●     無(wú)條件的穩(wěn)定性 – 在史密斯圓圖內(nèi)任何可能的正實(shí)部阻抗下,系統(tǒng)都保持穩(wěn)定。注意,任何系統(tǒng)設(shè)計(jì)在遭遇負(fù)實(shí)部阻抗(史密斯圓圖以外)時(shí),都會(huì)發(fā)生振蕩。但是,一般來(lái)說(shuō),如果系統(tǒng)被定義為無(wú)條件保持穩(wěn)定,那么它在所有頻率(設(shè)備能獲得增益)和所有正實(shí)部阻抗下,都能保持穩(wěn)定。 


穩(wěn)定性測(cè)量


我們先來(lái)看看眾所周知的“K 系數(shù)”和穩(wěn)定性度量參數(shù) “b”,以此確定在給定偏置下引起不穩(wěn)定的頻率范圍。這些數(shù)值由以下公式計(jì)算得出1


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無(wú)條件穩(wěn)定性用 k > 1 和 b > 0 表示。


但是,因?yàn)檫@個(gè)標(biāo)準(zhǔn)需要采用兩個(gè)參數(shù)來(lái)檢查無(wú)條件穩(wěn)定性,因此可提供一個(gè)更加簡(jiǎn)潔的公式,使用下方的 “mu-prime”參數(shù)2進(jìn)行計(jì)算:


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如果 mu_prime > 1,表示無(wú)條件保持(線性)穩(wěn)定。 

 

利用匹配和調(diào)諧來(lái)獲得穩(wěn)定性


如上所述,可利用 S 參數(shù)數(shù)據(jù)來(lái)開(kāi)發(fā)匹配網(wǎng)絡(luò)以獲得放大器穩(wěn)定性。圖 1 顯示單級(jí)放大器配置,以及影響增益和穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)。在無(wú)條件保持穩(wěn)定區(qū)域,通過(guò)將 Γs 和 ΓL 設(shè)置為在兩個(gè)端口實(shí)現(xiàn)同時(shí)共軛匹配來(lái)獲得最大增益。1


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圖 1. 

 

線性穩(wěn)定性分析


未調(diào)諧晶體管的穩(wěn)定性測(cè)量


我們來(lái)看一個(gè)示例。圖 2 顯示對(duì) Qorvo 的 T2G6003028-FS GaN HEMT 器件(包括在 Modelithics Qorvo GaN 模型庫(kù)中)的非線性模型實(shí)施線性 S 參數(shù)分析的仿真設(shè)置。


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圖 2.


注意:這里所有仿真的偏置條件都設(shè)置為 Vds = 28 V、Vgs = -3.02 V,這相當(dāng)于約 200 mA 漏極電流。


在上述示意圖中,符號(hào)表示可以利用器件的 S 參數(shù)計(jì)算出的參數(shù),包括穩(wěn)定性 k、b 和 mu_prime?!癕axGain1”參數(shù)表示最大可用增益?!癕axGain1”參數(shù)計(jì)算在器件保持無(wú)條件穩(wěn)定的頻率范圍內(nèi)的最大可用增益,并顯示表示最大穩(wěn)定增益的值。在有條件保持穩(wěn)定的區(qū)域,該值通過(guò)簡(jiǎn)單的 |S21|/|S12| 計(jì)算得出。


圖 3 顯示 MaxGain1 參數(shù)、50Ω 增益(S21,單位:dB)和穩(wěn)定性系數(shù) k,以及從圖 2 的示意圖(m5 時(shí))計(jì)算得出的 b 和 mu_prime 的測(cè)量值。此圖顯示,穩(wěn)定性測(cè)量值 b> 0,穩(wěn)定性系數(shù) k > 1。在約 1.85 GHz (m5) 時(shí),穩(wěn)定性測(cè)量參數(shù)顯示有一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。這是有條件和無(wú)條件保持穩(wěn)定區(qū)域之間的轉(zhuǎn)換頻率。3.5 GHz 時(shí),此仿真參數(shù)表示的最大增益約為 18.4 dB(對(duì)應(yīng)圖 3 中的標(biāo)記 m3)。注意:在約 10.4 GHz 時(shí),最大可用增益達(dá)到 0 dB;這個(gè)頻率表示為最大頻率或 fmax分析從極低頻率到至少 fmax范圍內(nèi)的穩(wěn)定性是非常不錯(cuò)的做法,這也是為什么在此示例中,設(shè)置為在 25 MHz 至 12 GHz 之間掃頻的原因。


根據(jù)此分析,我們可以得出:


●     高于 1.85 GHz 時(shí),器件無(wú)條件保持穩(wěn)定。

●     低于 1.85 GHz 頻率時(shí),器件有條件保持穩(wěn)定。

 

從仿真示意圖(圖 2)得出的 S 參數(shù)如圖 4 所示。S11 和 S22 顯示在史密斯圓圖中,極區(qū)圖則用于顯示 S21 和 S12。


注意 50Ω 輸入與輸出(|S21|,單位:dB)的增益和 MaxGain1 值之間差異極大。這是由 50Ω 系統(tǒng)中與 S11 和 S22 相關(guān)的不匹配引起的。


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圖 3.


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圖 4.


在輸入和輸出平面內(nèi)繪制穩(wěn)定性圈可以提供更多見(jiàn)解。圖 2 所示的示意圖中也包括 “S_StabCircle”和 “L_StabCircle”的符號(hào),它們對(duì)應(yīng)輸入和輸出平面中穩(wěn)定性圈的計(jì)算值。


這些圈的含義如下所述。在 25 MHz 時(shí),輸入穩(wěn)定性圈在圖 5 中用標(biāo)記 14 表示,該圈上的每個(gè)點(diǎn)都表示一個(gè) Γs 值,按照如下公式,每個(gè)值都可以得出一個(gè)等于 1 的 Γout 值。


14.png


公式1


這個(gè)圈設(shè)定了 Γout < 1 和 Γout > 1 之間的邊界,其意義在于,Γout > 1 對(duì)應(yīng)輸出端口的負(fù)阻抗,這種情況可能導(dǎo)致出現(xiàn)震蕩。之后,問(wèn)題變成,圈內(nèi)或者圈外是否是不穩(wěn)定 (Γout > 1) 區(qū)域。在 Γs = 0(即 50Ω 點(diǎn))時(shí),進(jìn)行快速檢查。注意,根據(jù)公式1,Γout = S22 時(shí), 對(duì)所有頻率下都小于 1 展開(kāi)分析。由此,我們可以斷定,圈外為穩(wěn)定區(qū)域,圈內(nèi)為不穩(wěn)定區(qū)域。


對(duì)輸出穩(wěn)定性圈的解釋基本與此相似,除了此時(shí)繪制的 ΓL 點(diǎn)的圈圖中,Γin = 1(根據(jù)公式2)。通過(guò)類似論證,我們可以斷定,圖 5 右側(cè)所示的圈圖內(nèi)部對(duì)應(yīng)的是不穩(wěn)定區(qū)域。注意,減少圖 2 中所示的頻譜計(jì)劃是為了減少圖 5 中顯示的圈的數(shù)量,以使其更清晰。


15.png


公式2


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圖 5. 

 

線性穩(wěn)定性分析


所以,當(dāng)器件無(wú)法達(dá)到無(wú)條件保持穩(wěn)定的要求時(shí)(例如,在我們的示例中,頻率低于 1.85 GHz),會(huì)怎么樣?


您可以采用幾種匹配方法來(lái)幫助穩(wěn)定您的電路。在本文中,我們介紹兩種方法。一種是利用阻抗,另一種是依賴頻率的穩(wěn)定。


●     R阻抗 – 使用匹配電阻提供穩(wěn)定性

●     依賴頻率 – 使用電阻、電感和電容來(lái)提供穩(wěn)定性

 

微波 PA 設(shè)計(jì)的阻抗穩(wěn)定性


在我們的示例中,可以采用匹配電阻來(lái)幫助穩(wěn)定大部分微波應(yīng)用中的高增益、低頻率晶體管。這些電阻可以在輸入或輸出端串聯(lián)或并聯(lián),可以置于并行反饋回路中,或者包含在偏置網(wǎng)絡(luò)中。對(duì)于 PA,我們想讓輸出功率最大化,因此最好避免在輸出網(wǎng)絡(luò)中采用電阻。反饋放大器不在本文的討論范圍內(nèi),所以,我們會(huì)著重介紹輸入網(wǎng)絡(luò)中的串聯(lián)和并聯(lián)電阻。


圖 6 顯示在輸入網(wǎng)絡(luò)中添加串聯(lián)和并聯(lián)電阻的位置。調(diào)整這些值,以在整個(gè) 0.025 至 12 GHz 頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)條件穩(wěn)定性。由此得出的穩(wěn)定性測(cè)量值如圖 7 所示。這些值顯示,晶體管在整個(gè)頻率范圍內(nèi)都具有無(wú)條件穩(wěn)定性。但是,注意,fmax 會(huì)從 10.3 GHz 下降至約 8.75 GHz。比較圖 7(設(shè)計(jì)頻率為 3.5 GHz [12.3 dB])中的最大增益估值和圖 3 的值(18.4 dB,不具備此穩(wěn)定性),我們可以看出,最大可用增益降低了約 6 dB。這是添加了純電阻輸入穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)造成的。電阻穩(wěn)定器件的 S 參數(shù)如圖 8 所示,與非穩(wěn)定器件的 S 參數(shù)重疊。我們可以看到,S11 和 S12 在整個(gè)頻率范圍內(nèi)都受到影響,S21 也降低,S22 變化最小。令人欣慰的是,從圖 9 可以看出,在添加電阻穩(wěn)定性網(wǎng)絡(luò)之后,在電源和負(fù)載平面中,穩(wěn)定性圈現(xiàn)在都落在史密斯圓圖之外。


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圖 6.(注意:分析設(shè)置與圖 2 相同)


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圖 7.


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圖 8.


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圖 9. 

 

依賴頻率的電阻穩(wěn)定性


如果設(shè)計(jì)頻率高于 1.85 GHz(例如 3.5 GHz),我們可以實(shí)施使用串聯(lián)-并聯(lián)穩(wěn)定性網(wǎng)絡(luò)、依賴頻率的電阻方法。我們來(lái)看看,是否可以使用此方法來(lái)減少上述增益損失。


在圖 10 中,我們將一個(gè)電阻 (R1) 集成到經(jīng)過(guò)更改的柵級(jí)偏置網(wǎng)絡(luò)中。此外,將一個(gè)電容 (C3) 放置到串聯(lián)穩(wěn)定性電阻 (R1) 上。可以通過(guò)調(diào)整此電容值來(lái)調(diào)節(jié)串行電阻 (R1) 的頻率,使之有效短路(使其不可“見(jiàn)”)。此舉可以幫助提高可用增益。


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圖 10.


利用電感 (L1) 和電容 (C1) 構(gòu)建低通濾波器。這可以防止電阻 (R1) 在更高的 RF 頻率或更低的頻率下發(fā)揮作用,以便實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性。有關(guān)此解決方案的增益、穩(wěn)定性和 S 參數(shù)分析,請(qǐng)參考圖 11、圖 12 和圖 13。如圖所示,依賴頻率的穩(wěn)定性網(wǎng)絡(luò)在整個(gè)頻率范圍內(nèi)提供無(wú)條件的穩(wěn)定性,同時(shí)降低在 3.5 GHz 時(shí)對(duì)最大可用增益的影響。注意,與非穩(wěn)定器件相比,在 3.5 GHz 時(shí)增益僅降低約 1dB,而 fmax 則與非穩(wěn)定器件基本持平 (~10.4 GHz)。在查看與圖 12 中非穩(wěn)定器件的 S 參數(shù)比較結(jié)果時(shí),我們發(fā)現(xiàn),與電阻穩(wěn)定器件不同,S 參數(shù)在整個(gè)頻率范圍內(nèi)都未發(fā)生改變,僅在頻率更低時(shí)改變(根據(jù)需要)。通過(guò)圖 13 只能確認(rèn),對(duì)于無(wú)條件穩(wěn)定電路,無(wú)論是在源平面還是在負(fù)載平面,穩(wěn)定圓都不會(huì)與史密斯圖重疊。


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圖 11.


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圖 12.


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圖 13. 

 

主要結(jié)果


所以,主要有哪些發(fā)現(xiàn)?如下方的數(shù)據(jù)所示,使用依賴頻率的穩(wěn)定性時(shí),穩(wěn)定性和增益都得到優(yōu)化


●     無(wú)穩(wěn)定性 – 3.5 GHz 時(shí)最大可用增益為 18.373 dB– 圖 3


- 高于 1.85 GHz 時(shí),無(wú)條件保持穩(wěn)定

- 低于 1.85 GHz 時(shí),有條件保持穩(wěn)定

 

●     符合電阻穩(wěn)定性 – 3.5 GHz 時(shí)最大可用增益為 12.334 dB – 圖 7


- 在整個(gè) 0.025 至 12 GHz 頻率范圍內(nèi),無(wú)條件保持穩(wěn)定

- 最大可用增益降低 6 dB


●     最優(yōu)結(jié)果 – 符合依賴頻率的穩(wěn)定性 – 3.5 GHz 時(shí)最大可用增益為 17.5 dB– 圖 11


- 在整個(gè) 0.025 至 12 GHz 頻率范圍內(nèi),無(wú)條件保持穩(wěn)定

- 最大可用增益增加,高于電阻穩(wěn)定性 5.166 dB


總結(jié)


建??梢詭椭趯?shí)際測(cè)試應(yīng)用之前,解決穩(wěn)定性等常見(jiàn)的設(shè)計(jì)問(wèn)題。通過(guò)準(zhǔn)確建模和實(shí)施穩(wěn)定性技術(shù),我們可以在保持無(wú)條件穩(wěn)定的同時(shí)進(jìn)行匹配和調(diào)諧,以優(yōu)化s參數(shù)的性能。


最后,請(qǐng)注意,這里討論的穩(wěn)定性網(wǎng)絡(luò)使用了理想的集總元件。在實(shí)際的微波設(shè)計(jì)中,您需要包含微帶互聯(lián)和所有 RLC 元件的準(zhǔn)確寄生模型,無(wú)論您是進(jìn)行 MMIC 設(shè)計(jì),還是進(jìn)行包括集總元件的基于板的混合設(shè)計(jì)。 

 

參考文獻(xiàn)


1. Guillermo Gonzales, Microwave Transistor Amplifiers: Analysis and Design, Second Edition, Prentice-Hall, 1997.

2. M. L. Edwards and J. H. Sinsky, "A new criterion for linear 2-port stability using geometrically derived parameters," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 40, No. 12, pp. 2303-2311, Dec. 1992.

3. A. Suarez and R. Quere, Stability Analysis of Nonlinear Microwave Circuits, Artech House, Norwood, MA, 2003.



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