GaN HEMT非線性輸出電容寄生參數(shù)研究

孫世滔，蔡 斐，李 川，呂國(guó)強(qiáng)*

(1.合肥工業(yè)大學(xué)特種顯示技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥230009;2.合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，合肥230009;3.合肥工業(yè)大學(xué)光電技術(shù)研究院，合肥230009)

射頻功率放大器作為現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)中最核心的部件之一，在保證功率的同時(shí)，對(duì)其效率指標(biāo)的要求也越來(lái)越高。功放的高效率工作能保證系統(tǒng)的低損耗、低熱量、高可靠性。GaN HEMT因高截止頻率，高功率密度等優(yōu)點(diǎn)，在高功率、高效率器件制造中的應(yīng)用越來(lái)越普遍［1-2］，但其非線性寄生參數(shù)對(duì)器件性能的影響卻不可忽略［3］。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，非線性寄生參數(shù)的考慮與處理是影響放大器效率一個(gè)至關(guān)重要的因素，如果處理不好往往會(huì)導(dǎo)致效率功率變差，甚至影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。所以研究GaN HEMT非線性寄生參數(shù)，提高功率放大器的效率是一項(xiàng)很有實(shí)用價(jià)值的研究活動(dòng)。

近年來(lái)，學(xué)術(shù)界提出很多種提高功率放大器效率的設(shè)計(jì)方法，但其中很少有考慮到晶體管輸出端寄生參數(shù)的設(shè)計(jì)思想。如開關(guān)類E類、F類和逆F類放大器［4-6］，三者在結(jié)構(gòu)和原理上都比較相似，都是通過(guò)在晶體管輸入輸出端設(shè)計(jì)諧波控制電路，使諧波匹配到絕對(duì)的開路短路狀態(tài)，以此控制漏極端輸出電壓電流波形來(lái)提高效率。但是，由于在設(shè)計(jì)中沒(méi)有考慮到晶體管寄生輸出電容Cout對(duì)地短路的影響，此開關(guān)類功放在高頻大功率條件下很難將偶次及3次以上諧波匹配到應(yīng)有的狀態(tài)，這樣就造成實(shí)際輸出功率和效率比理論值下降很多。另外一種情況是考慮到了Cout的影響但把它當(dāng)做線性來(lái)處理。Grebennikov［6］考慮到輸出寄生電容影響，把它當(dāng)做固定值代入解析法設(shè)計(jì)的功率放大器雖然具有相對(duì)較高的效率，但功率被極大壓縮，在高效率的同時(shí)無(wú)法保證功率指標(biāo)。2009 年，S.C.Cripps［7］提出的J類放大器也是假設(shè)輸出寄生電容是線性的情況下設(shè)計(jì)的。因此J類放大器輸出端電壓電流波形具有一定的相位差，導(dǎo)致輸出效率功率偏低，和傳統(tǒng)的AB類放大器在效率和功率上相比無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)。

本文從理論和仿真兩方面詳細(xì)分析了大信號(hào)下晶體管非線性寄生輸出電容Cout特性，選用Cree公司CGH40010 GaN HEMT，基于非線性模型分析結(jié)果，設(shè)計(jì)了S波段高效率功率放大器。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示該放大器在輸出功率和效率方面都表現(xiàn)出優(yōu)越性能，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，驗(yàn)證了理論分析的可靠性。

1 非線性輸出電容行為模式分析

功放高效率運(yùn)行的關(guān)鍵在于晶體管輸出波形的控制上，要使輸出電壓電流波形的重疊區(qū)域最小化，這樣在晶體管內(nèi)部損耗的功率就減小，效率也隨之提高［5］。由于晶體管可看成電壓控制的電流源，電流波形主要由輸入電壓和器件本身物理特性決定，所以輸出電流波形里可含無(wú)限次諧波，而電壓波形通常由電流和負(fù)載阻抗決定，因此電壓控制的諧波次數(shù)一般只到3次。經(jīng)理論分析［8］，利用晶體管非線性輸出電容Cout和外部電路的共同作用能產(chǎn)生類似輸出電壓半正弦波電流方波，且波形之間幾乎沒(méi)有相位差，因此效率被大大提高。

圖1 飽和放大器簡(jiǎn)化電路模型

為了說(shuō)明Cout產(chǎn)生諧波電壓原理，本文利用ADS仿真軟件建立非線性等效電路模型對(duì)放大器電路和Cout進(jìn)行分析。圖1是飽和功率放大器的簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，晶體管模型包含兩個(gè)必須的非線性部分:非線性輸出電容Cout和漏極等效電流源。Cout代表了晶體管輸出端非線性電容的總和，包括漏-源電容Cds，漏-柵電容Cgd。在GaN HEMT器件中，隨著漏極電壓的變化，Cds表現(xiàn)為輕微的非線性，Cgd卻表現(xiàn)為高度的非線性。于是可以得到如下計(jì)算輸出電容Cout的公式［9-10］:

其中，Cout0=1.9，A=1 192.4，B=-0.059 471 4，C=-2.946 96。圖2所示為Cout隨著漏極電壓變化的特性曲線，隨著漏極電壓升高，Cout迅速減小直至趨向于某一定值。

圖2 輸出電容非線性特性曲線

圖3 線性和非線性電容諧波電壓產(chǎn)生特性

圖3所示為利用ADS分析等效電路模型時(shí)線性和非線性電容產(chǎn)生電壓的對(duì)比。Cout的值是基于Cree公司提供的裸芯CGH60015的ADS大信號(hào)模型。圖3(a)為流經(jīng)線性非線性Cout的電流，圖3(b)、圖3(c)分別為Cout兩端合成電壓波形在時(shí)域和頻域

其中，Q(tx)是電容Cout經(jīng)過(guò)時(shí)間tx的充電量，當(dāng)有負(fù)電流i(t)時(shí)，Q(tx)減小，VDS(tx)也隨著減小，所以Cout迅速增大。當(dāng)電壓接近最小值時(shí)，VDS(tx)因?yàn)殡娙軨out的迅速增大以及有限的驅(qū)動(dòng)電流，所以改變不會(huì)太大。這也就是說(shuō)Q(tx)/COUT(VDS(tx))在整個(gè)區(qū)域內(nèi)會(huì)接近是一個(gè)常數(shù)，所以電壓波形在低電壓區(qū)會(huì)比較平滑，就如圖3(b)中所示的半正弦波。

經(jīng)理論分析得出結(jié)論，只要外部電路二次諧波阻抗大于非線性Cout阻抗，非線性輸出電容就能產(chǎn)生半正弦電壓波形［9］，所以二次諧波阻抗具有很大的選擇余地。但為了得到輸出端為電流方波，電壓半正弦波的最大效率波形圖，二次諧波需要匹配到一個(gè)特定的阻抗，對(duì)基波和二次諧波阻抗就要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)諧。

2 非線性輸出電容仿真分析和實(shí)測(cè)

為了驗(yàn)證第1部分關(guān)于Cout原理分析的可靠性，本文選用Cree公司GaN HEMT CGH40010，即包含裸芯CGH60015的封裝芯片，仿真分析并制作了一款S波段高效率放大器。

對(duì)晶體管大信號(hào)模型進(jìn)行基波和諧波負(fù)載牽引，結(jié)果顯示在圖4中，要點(diǎn)歸納在表1中。的響應(yīng)?？梢钥闯?，當(dāng)只有基波的電流流經(jīng)電容時(shí)，非線性電容Cout產(chǎn)生的電壓波形包括基波和很大一部分二次諧波電壓以及少量的高次諧波電壓，這一點(diǎn)與線性電容很不一樣。在包含大量二、三次諧波電流成分的飽和電流源流經(jīng)真實(shí)器件時(shí)，也能觀測(cè)到相同的現(xiàn)象［11］，這些結(jié)果清楚說(shuō)明了二次諧波電壓主要是由非線性Cout產(chǎn)生，而不是像傳統(tǒng)的E類F類放大器一樣，通過(guò)匹配外部諧波阻抗到短路斷路，利用外部阻抗和電流來(lái)產(chǎn)生電壓波形。晶體管可看成電壓控制的電流源，所以電容兩端的電壓與流經(jīng)電容的電流的積分是成比例的，可由下式表示:

圖4 大信號(hào)模型基波諧波負(fù)載牽引效率功率圖

表1 負(fù)載牽引功率效率與阻抗關(guān)系表

圖4中4個(gè)圖為對(duì)基波，諧波阻抗負(fù)載牽引效率與功率曲線圖?？梢钥吹?，圖4(b)中二次諧波阻抗在比較大的范圍內(nèi)都能得到高效率，這進(jìn)一步說(shuō)明了諧波電壓主要由非線性電容Cout而不是諧波電流和阻抗產(chǎn)生［10］。雖然只要外部電路二次諧波阻抗大于Cout阻抗就能產(chǎn)生半正弦電壓波形，但上文已提到，為了得到最優(yōu)效率波形仍然需要確定合適的基波和諧波阻抗。從表1也可以看出，當(dāng)對(duì)外部電路二次諧波進(jìn)行控制時(shí)，效率有一個(gè)非常明顯的提升，諧波階次越高，提升效果越不明顯。根據(jù)結(jié)果，最后把基波，二、三次諧波阻抗分別設(shè)定在(15.03+j19.56)Ω，(1.02+j68.8)Ω，(48.2+j646.3)Ω。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的微帶電路，利用ADS中S參數(shù)仿真調(diào)諧，將二、三次諧波阻抗分別調(diào)諧至設(shè)定的阻抗點(diǎn)。直接利用調(diào)諧的方法而不是解析計(jì)算［12］后再微調(diào)的方法可以摒棄繁雜的計(jì)算，使設(shè)計(jì)過(guò)程更加簡(jiǎn)單高效。

最后對(duì)基波源和負(fù)載阻抗進(jìn)行匹配，其中對(duì)源阻抗負(fù)載牽引后發(fā)現(xiàn)，源諧波阻抗控制對(duì)效率沒(méi)有明顯的提升，加上諧波電路反而會(huì)使電路結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，所以對(duì)源阻抗只是進(jìn)行了基波的共軛匹配，為了適當(dāng)增加帶寬，采用漸近線匹配。整個(gè)電路框圖如圖5所示。

圖5 功率放大器整體電路簡(jiǎn)化圖

根據(jù)仿真制作了一款高效率放大器，采用Rogers4350基板，介電常數(shù)3.48，實(shí)際設(shè)計(jì)值采用3.66，板厚30 mil。圖6為放大器實(shí)物圖，以下是各參數(shù)實(shí)測(cè)和仿真對(duì)比結(jié)果。

圖6 功率放大器實(shí)物圖

圖7為漏極端電壓和電流波形圖，可以看到非常接近電壓半正弦波電流方波的波形圖，驗(yàn)證了理論分析的正確性。圖8為Vgs=-3.3 V，Vds=28 V情況下，中心頻率處，實(shí)測(cè)和仿真輸出功率及增益隨輸入功率變化的曲線圖?？梢钥吹?，在輸入功率為27 dBm時(shí)，實(shí)測(cè)結(jié)果可得到最大DE為81.7%，PAE為78.56%，此時(shí)飽和輸出功率為41.16 dBm，增益為14.16 dB，在高效率的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了高功率輸出。在輸入功率范圍在4 dBm～16 dBm時(shí)，增益曲線比較平坦，線性度較好。圖 9為Vgs=-3.3 V，Vds=28 V，固定輸入功率為27 dBm情況下，輸出功率增益隨頻率變化曲線圖。實(shí)測(cè)結(jié)果為在1.98 GHz～2.08 GHz范圍內(nèi)，PAE都可達(dá)到74.49%以上，此帶寬內(nèi)最高功率為41.55 dBm，最低功率40.35 dBm，實(shí)現(xiàn)了高功率輸出。

圖7 漏極端電壓電流波形圖

圖8 實(shí)測(cè)和仿真輸出功率效率與輸入功率關(guān)系

圖9 實(shí)測(cè)和仿真輸出效率功率與頻率關(guān)系

3 結(jié)論

本文通過(guò)建立非線性電路模型對(duì)GaN HEMT非線性寄生輸出電容Cout的特性進(jìn)行了詳細(xì)的研究，理論與仿真結(jié)合說(shuō)明了其在放大器高功率，高效率輸出中所起的作用原理:利用Cout與外部合適的匹配電路結(jié)合能產(chǎn)生輸出電壓半正弦波形，電流方波的最優(yōu)效率波形。最后制作的S波段放大器在輸出功率為41.16 dBm時(shí)最高功率附加效率(PAE)可達(dá)78.56%。且在100 M帶寬內(nèi)功率在40.35 dBm以上，PAE在74.49%以上，這在延長(zhǎng)放大器的使用壽命，節(jié)約能耗方面都具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。

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