一種GaN的C類功率放大器設(shè)計

鄭麗群+楊維明

摘 要：目前，在材料方面的研究領(lǐng)域中，氮化鎵作為最新半導(dǎo)體材料的重要代表之一，其具有寬禁帶、高飽和電子漂移速率、高擊穿場強等優(yōu)點，已成為人們炙手可熱的研究對象。為了探索GaN功率放大器的特點，文中選擇CREE公司的功率管CGH40010。首先闡述了其設(shè)計步驟，利用ADS仿真軟件并采用負(fù)載牽引和源牽引技術(shù)實現(xiàn)了輸入輸出端口的阻抗匹配，再對整體電路進行仿真分析，并用數(shù)據(jù)說明了放大器在1.76～1.84 GHz內(nèi)可實現(xiàn)功率輸出42 dBm以上，功率附加效率超過75%。結(jié)果表明，GaN放大器具有高效率與高增益等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：GaN半導(dǎo)體；功率放大器；負(fù)載牽引；源牽引；ADS

中圖分類號：TN95 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）06-00-04

0 引 言

隨著現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，對功率放大器的輸出功率、帶寬、效率、線性度和可靠性等方面都有了更高的要求[1，2]。在射頻領(lǐng)域中，功率放大器作為無線通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分而成為研究熱點。尤其功率附加效率（PAE）、線性度和輸出功率是微波功率放大器特別關(guān)注的性能指標(biāo)。

以硅為主的晶體管材料LDMOS管是國內(nèi)目前為止常用來研究的對象，它因為有較好的性能，低廉的價格而受到廣泛應(yīng)用。然而，它的功率密度低，容易被靜電擊毀；耐壓不高，容易被擊穿。而以GaN（Gallium Nitride，GaN）材料為主的功率放大器是一種高電子遷移率晶體管HEMT（High Electron Mobility Transistor，HEMT），它的寄生參數(shù)影響很小[3]，具體優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1） 擊穿電壓高，是砷化鎵（GaAs）和Si LDMOS的兩倍以上；

（2）功率密度大，同砷化鎵（GaAs）半導(dǎo)體相比高出5倍；在對應(yīng)同等功率晶體管體積下，由于GaN晶體管功率密度大的特性使得它的輸出功率大，效率高；

（3）擊穿電場高，端口寄生參數(shù)和漏電流??；

（4）電子飽和速率高及介電常數(shù)低，適合工作頻率較高的微波功率放大器。

本文將充分利用GaN HEMT高性能射頻功率晶體管的性能優(yōu)勢，采用GaN HEMT高性能射頻功率晶體管代替?zhèn)鹘y(tǒng)的LDMOS功率管，利用Agilent ADS 仿真軟件設(shè)計實現(xiàn)一款C類功率放大器， 在下面內(nèi)容中將詳細(xì)說明設(shè)計步驟并對放大器進行實驗仿真， 結(jié)果表明，放大器可以在1.8 GHz內(nèi)實現(xiàn)輸出功率大于42 dBm， 附加效率超過75%。

1 功率放大器的設(shè)計

本文設(shè)計一款功率放大器，其目標(biāo)參數(shù)為工作頻率1.76～1.84 GHz，輸出功率16 W，功率附加效率大于75%，功率增益大于14 dB，IMD3小于-13 dBc。

1.1 功率管的選擇

在本文中根據(jù)放大器要求的設(shè)計指標(biāo)， 選用CREE公司提供的型號為CGH40010的GaN HEMT功率管， 主要性能參數(shù)如表1所示。

1.2 功率放大器的設(shè)計步驟

在射頻功率放大器原理圖中主要分為三個組成部分，分別為輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)和偏置電路。本文中，VGS和VDS分別為柵極電壓和漏極電壓。整個電路設(shè)計過程中的主要思路是：首先對功率管進行直流分析確定放大器的靜態(tài)工作點；之后對其進行穩(wěn)定性分析；然后利用ADS中源牽引和負(fù)載牽引確定功率管匹配電路的最佳源阻抗ZS和最佳負(fù)載阻抗ZL，從而進行輸入輸出匹配電路設(shè)計。

1.2.1 靜態(tài)工作點的確定

設(shè)計的第一步是對晶體管的靜態(tài)工作點進行確定，而對于傳統(tǒng)功放而言，晶體管的工作方式由靜態(tài)工作點的不同來確定。本文通過采用直流掃描的方法來確定晶體管靜態(tài)工作點。圖1所示為直流掃描結(jié)果圖，從圖中可以看到晶體管不同的工作區(qū)所對應(yīng)的柵極和漏極電壓。因為該功放管在C類條件下工作，靜態(tài)工作點應(yīng)該選在截止區(qū)，所以選擇VDS=28 V，VGS=-2.8 V作為放大器的工作電壓。

1.2.2 穩(wěn)定性分析

通常可以采用小信號參數(shù)的仿真來判定功放是否處于穩(wěn)定性狀態(tài)，在ADS軟件中，S參數(shù)仿真原理圖中加入穩(wěn)定性分析的控件StabFact，其穩(wěn)定性仿真如圖2所示。

由圖2可知，在1.0～3.0 GHz掃描頻段范圍內(nèi)穩(wěn)定系數(shù)StabFact>1，因此晶體管達(dá)到了絕對穩(wěn)定狀態(tài)。

1.2.3 源牽引和負(fù)載牽引分析

設(shè)計輸入輸出匹配電路首先要找到最佳輸入輸出匹配點，通常利用軟件ADS中源牽引和負(fù)載牽引法得到匹配點。源/負(fù)載牽引是一種與阻抗相關(guān)的測量技術(shù)，通過不斷調(diào)節(jié)輸入和輸出端的阻抗值，找到輸出功率最大的輸入、輸出匹配阻抗。同理也可以得到功率管效率最高的匹配阻抗，通過這種方法可以準(zhǔn)確測量出器件在大信號條件下的最優(yōu)性能。

從圖3中可讀出功率放大器的最佳源阻抗與最佳負(fù)載阻抗分別為ZS=（2.848+j×2.514）Ω與ZL=（8.422+j×11.619）Ω

1.2.4 匹配電路設(shè)計

匹配電路在功率放大器設(shè)計中占有舉足輕重的地位， 它不僅可以實現(xiàn)功率的理想傳輸，還可以增加電路的穩(wěn)定性、減小噪聲干擾、提高功放線性度和效率等功能。利用源/負(fù)載牽引法獲得的最佳源阻抗和最佳負(fù)載阻抗依據(jù)阻抗變換原理將其匹配到50 ?，輸出匹配電路如圖4所示，然后運用Linecacl工具，將之前利用Smit chart所匹配電路的理想微帶線通過計算轉(zhuǎn)化為更接近實際的微帶線[4]，并對輸出匹配電路進行仿真優(yōu)化。采用源牽引法得到最佳源阻抗值進行輸入匹配的過程與負(fù)載牽引原理相同，這里就不再復(fù)述。負(fù)載牽引和源牽引仿真結(jié)果如圖3所示。在本文的設(shè)計中，微帶線采用的襯底材料選擇美國羅杰斯的RO4350，介質(zhì)基片相對介電常數(shù)為2.94，厚度為0.508 mm，損耗角正切為1e-4。endprint