高功率GaN模型庫的器件和PA電路級(jí)驗(yàn)證

2017-05-01  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

Modelithics和Qorvo正合作擴(kuò)展用于GaN功率晶體管最新的高精度模型,供設(shè)計(jì)人員免費(fèi)使用?，F(xiàn)有和開發(fā)中的GaN模型庫支持基于仿真的功率放大器(PA)設(shè)計(jì)流程,其輸出功率需求為5W至500W。本文概述了模型庫的內(nèi)容、功能和器件以及全新模型的電路級(jí)“閉環(huán)”PA驗(yàn)證。

多年來,微波功率放大器設(shè)計(jì)一直是熱門的研發(fā)主題。這一主題之所以能夠引發(fā)關(guān)注并持續(xù)發(fā)展,就在于它將全新應(yīng)用與具有挑戰(zhàn)性的要求相結(jié)合,同時(shí)多年來,這些技術(shù)也在不斷變化,已經(jīng)從硅發(fā)展到GaAs,隨后又發(fā)展成GaN(有少量應(yīng)用又返回使用硅)。GaN已經(jīng)發(fā)展成高功率/高頻率應(yīng)用的絕對(duì)技術(shù)贏家,并且全球GaN設(shè)備和GaN功率放大器市場(chǎng)獲得了可觀的投資,產(chǎn)品更新非常迅速。

過去,微波功率放大器設(shè)計(jì)一直由眾多專業(yè)人員來完成,極少采用計(jì)算機(jī)仿真。對(duì)許多人而言,這種基于負(fù)載線分析的“新技術(shù)”1簡單但卻極其實(shí)用,足以提供簡單的起點(diǎn)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員首先構(gòu)建起點(diǎn),然后去實(shí)驗(yàn)室,讓技術(shù)熟練的技術(shù)員和工程師利用他們的專業(yè)知識(shí),在電路板級(jí)進(jìn)行調(diào)整,直至滿足所需的規(guī)格。

其它人則完全依靠負(fù)載牽引數(shù)據(jù)來定義他們的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),在輸出功率、效率和線性度之間實(shí)現(xiàn)所需的折中選擇,滿足功率放大器輸出匹配目標(biāo)。但也存在局限性,獲取各個(gè)頻率下的負(fù)載牽引數(shù)據(jù)非常昂貴,并且新設(shè)計(jì)可能不一定總能獲得所需頻率的負(fù)載牽引數(shù)據(jù)。通常,仍然需要通過調(diào)試來實(shí)現(xiàn)所需的性能目標(biāo)。

“老一代”PA設(shè)計(jì)的課堂顯然就是功率測(cè)試平臺(tái),能夠幫助“學(xué)員”了解如何在試驗(yàn)電路中移動(dòng)電容和線圈,實(shí)現(xiàn)所需的目標(biāo)。這其實(shí)是一種非常值得了解的技巧,許多PA大師都宣稱自己真正了解如何利用這些方法,制造一流的功率放大器產(chǎn)品;然而,這種制板-測(cè)試-調(diào)試方法有時(shí)效率并不高。

精確的非線性模型2,3結(jié)合強(qiáng)大的EDA工具,如Keysight Technologies的高級(jí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)和類似工具,改變了功率放大器的設(shè)計(jì)模式,縮短了實(shí)驗(yàn)調(diào)試的時(shí)間。

相反,越來越多的PA設(shè)計(jì)師開始使用支持模型的非線性仿真設(shè)計(jì)流程,這可更多實(shí)現(xiàn)“一次性通過”制造和測(cè)試,滿足設(shè)計(jì)目標(biāo),并且只需很少的調(diào)整,或者不需要任何調(diào)試。采用支持模型的完整PA電路仿真,可針對(duì)窄帶或?qū)拵У膹?fù)雜PA目標(biāo)組合,優(yōu)化非線性電路性能。非線性模型為需要快速完成設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)人員帶來了顯著的優(yōu)勢(shì),但可能沒有目標(biāo)頻率下的負(fù)載牽引測(cè)量數(shù)據(jù)。這種仿真功能對(duì)于指導(dǎo)制造后調(diào)試非常有幫助,如果需要,可改善或微調(diào)性能。因此,當(dāng)模型不可用時(shí),許多現(xiàn)代設(shè)計(jì)人員甚至都不會(huì)考慮使用新型PA晶體管。另一個(gè)趨勢(shì)就是,對(duì)于想要使用“波形工程”4來優(yōu)化B類、AB類、F類和J類等高效PA工作模式的許多設(shè)計(jì)人員,他們需要訪問固有電壓和電流端口。

Modelithics-Qorvo GaN模型庫的創(chuàng)建可滿足PA設(shè)計(jì)人員對(duì)GaN器件精確化非線性模型不斷增長的需求。本文描述了這一不斷擴(kuò)充的模型庫的內(nèi)容、優(yōu)勢(shì)和全新功能,并展示了驗(yàn)證案例,以驗(yàn)證器件和電路級(jí)別的模型質(zhì)量和精確度。此模型庫當(dāng)前可用于Keysight高級(jí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)(ADS)和NI-AWR設(shè)計(jì)環(huán)境。我們將使用Keysight ADS EDA軟件來演示此模型庫、模型功能和驗(yàn)證流程。

GaN模型庫描述

當(dāng)前版本(1.7)的模型庫包括17個(gè)裸片和35個(gè)封裝器件的模型,還有更多模型正在開發(fā)中。此模型庫提供簡單的“點(diǎn)擊”安裝流程,并可在仿真器內(nèi)部訪問詳細(xì)的模型信息數(shù)據(jù)表,為設(shè)計(jì)人員提供了最大便利性。例如,在Keysight ADS中,只需單擊模型參數(shù)彈出窗口中的“幫助”按鈕即可。GaN模型庫由Modelithics免費(fèi)提供、免費(fèi)支持,并由Qorvo提供贊助。這種配置的其中一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是擁有專業(yè)管理軟件支持、版本控制和頻率更新。借助提供的每個(gè)更新、新增模型及模型更新,所有模型都可保持最新,并可使用最新EDA軟件版本。

GaN模型本身目前基于定制版本的Chalmers Angelov模型5。這些模型的高級(jí)定制功能可以為設(shè)計(jì)人員提供以下優(yōu)勢(shì):

? 擴(kuò)展工作電壓(VdsQ)

? 環(huán)境溫度和部分或全部開/關(guān)自熱效應(yīng)

? 訪問固有電壓/電流節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)波形優(yōu)化

? 根據(jù)適用的裸片模型,切換至開/關(guān)焊線。

圖1顯示了一個(gè)典型裸片模型的ADS符號(hào),其顯示了模型的用戶輸入?yún)?shù)。這個(gè)特定模型的VdsQ可以從12V擴(kuò)展至28V,而模型庫中其它模型的值可能高達(dá)50V,具體取決于器件的正常工作偏置條件。這可看作是模型的一個(gè)“可擴(kuò)展”最佳點(diǎn)。與典型的非線性模型不同,盡管它們天生具備偏置可擴(kuò)展性,但經(jīng)過調(diào)整,通?？梢栽谔囟üぷ麟妷喊l(fā)揮最佳性能。此偏置可擴(kuò)展功能可提高不同偏置條件的準(zhǔn)確性,例如,如圖2a的模型結(jié)果所示,采用不同的VdsQ值脈沖數(shù)據(jù)時(shí),用于構(gòu)建模型的I-V脈沖數(shù)據(jù)是不同的。

▲圖1 裸片模型原理圖(a)和帶參考層的裸片(b)。

▲圖2 圖1模型的靜態(tài)偏置電壓(VdsQ)擴(kuò)展(a)和自熱效應(yīng)(b)。Vgs范圍是-4V至+1V,步進(jìn)為0.5V。

這些模型還允許設(shè)計(jì)人員考慮環(huán)境和自熱效應(yīng)。圖2b顯示仿真圖1的“自熱參數(shù)”設(shè)置為0(沒有自熱效應(yīng))和1(完全自熱,用于靜態(tài)偏置/CW條件)時(shí)的I-V數(shù)據(jù)情況。和其它高級(jí)自定義功能一樣,可以通過將自熱參數(shù)設(shè)置為等于占空比,利用0和1之間的中間值估測(cè)脈沖信號(hào)的近似部分自熱效應(yīng)。可以通過輸入模型的“溫度”來提供環(huán)境溫度變量,對(duì)于這個(gè)模型,這非常適合25至85℃范圍內(nèi)的溫度變化數(shù)據(jù)。此范圍可能會(huì)根據(jù)各個(gè)模型的模型信息數(shù)據(jù)表中的信息而有所變化。

焊線效應(yīng)消除功能適用于采用帶焊線固件開發(fā)的裸片模型。這允許用戶輕松重建焊線隨附模型信息數(shù)據(jù)表中顯示的相同仿真驗(yàn)證,或者消除焊線效應(yīng),將模型嵌入到它們自有的獨(dú)特電路環(huán)境中。此功能不適用于封裝設(shè)備,而是用于可直接進(jìn)行晶圓探測(cè)的裸片模型以及其它裸片模型,后者是在較小裸片尺寸的基礎(chǔ)上開發(fā)的、基于測(cè)量模型的擴(kuò)展版本。

根據(jù)設(shè)計(jì)人員的反饋,模型庫中的所有模型都可訪問固有電壓和電流節(jié)點(diǎn),以便用于波形分析和優(yōu)化。圖3顯示了這一概念。我們的目標(biāo)是讓設(shè)計(jì)人員訪問模型漏極-源極電流生成器層的電壓/電流節(jié)點(diǎn),同時(shí)消除所有寄生效應(yīng)。如圖3b所示,寄生阻抗會(huì)導(dǎo)致仿真動(dòng)態(tài)負(fù)載線在I-V層的限制范圍之外擺動(dòng),甚至可在負(fù)電流中擺動(dòng);但正確提取的固有波形不會(huì)這樣。圖4顯示了仿真固有電壓和電流的波形。可以看到A類、B類和AB類電流按照我們通常所期待的那樣工作,即全波形A類電流、半波形B類整流等等,但要針對(duì)AB類電流提供較小“導(dǎo)通角”6波形。

▲圖3 固有波形感測(cè)概念(a)以及外部(藍(lán)色)和內(nèi)部(紅色)節(jié)點(diǎn)上封裝晶體管的仿真動(dòng)態(tài)負(fù)載線結(jié)果(b)。

▲圖4 在功率回退情況下,TGF2023-2-01晶體管裸片在A類(紅色)、AB類(藍(lán)色)和B類(綠色)偏置下固有參考層的固有電壓(a)和電流(b)波形。

器件級(jí)驗(yàn)證

上面提到的模型信息數(shù)據(jù)表是理解模型庫中包含的各個(gè)模型詳細(xì)信息的關(guān)鍵。這些詳細(xì)信息包含模型功能框圖、詳細(xì)的器件級(jí)驗(yàn)證,有的還包括采用參考設(shè)計(jì)的PA電路級(jí)驗(yàn)證。數(shù)據(jù)表通常包含15至20頁(或更多)信息。示例器件驗(yàn)證包括電流-電壓(I-V)特性、多偏置S-參數(shù)、負(fù)載牽引數(shù)據(jù)和Pout/PAE/Gt功率掃描數(shù)據(jù)的仿真模型與應(yīng)用測(cè)量結(jié)果一致。一些器件模型還包括針對(duì)噪聲參數(shù)數(shù)據(jù)的配置。

圖5包含一些數(shù)據(jù)表中此類信息的快照,有一個(gè)最近添加的基于0.15μm技術(shù)工藝的GaN裸片器件。如模型功能框圖(參見圖5a)中的總結(jié),這個(gè)特定的Qorvo TGF2935器件模型已經(jīng)通過了40GHz S-參數(shù)驗(yàn)證,并且在大信號(hào)負(fù)載牽引平臺(tái)上通過了10和18GHz高功率性能驗(yàn)證。

▲圖5 大信號(hào)版本TGF2935裸片模型的模型數(shù)據(jù)表信息:功能框圖(a)、I-V模型和測(cè)量(b)、固件組件(c)、10GHz單音功率掃描、功率匹配(d)。

同時(shí)提供了兩種溫度下仿真和測(cè)量I-V性能的快照(參見圖5b)。裝配圖詳細(xì)說明了參考層和焊線的詳細(xì)信息(參見圖5c)。掃描轉(zhuǎn)換增益(Gt)和效率與輸出功率關(guān)系圖,用于對(duì)比驗(yàn)證模型的高功率行為和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(參見圖5d)。大信號(hào)和小信號(hào)模型還可用于0.15μm工藝裸片芯片,用于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)高達(dá)26GHz的噪聲參數(shù)。

針對(duì)封裝器件模型提供的相似信息(如圖6所示),其中包含從模型數(shù)據(jù)表中選擇的285W Qorvo T1G2028536-FL-001器件的信息。此模型功能框圖(參見圖6a)顯示其已經(jīng)通過直到3GHz的S-參數(shù)驗(yàn)證,具備溫度可擴(kuò)展功能,并且通過了1和1.5 GHz時(shí)的高功率數(shù)據(jù)驗(yàn)證。另外還顯示了負(fù)載牽引和功率向上驅(qū)動(dòng)的仿真和測(cè)量數(shù)據(jù)圖。

▲圖6 針對(duì)Qorvo T1G2028536-FL-001器件的負(fù)載牽引和功率向上驅(qū)動(dòng)驗(yàn)證(a)、模型功能框圖(b)、帶功率調(diào)整負(fù)載的功率掃描驗(yàn)證(1GHz)(c)、5Ω史密斯圖、+35dBm輸入功率下的負(fù)載牽引(1GHz)(d)。

PA電路級(jí)驗(yàn)證

除了上面討論的器件級(jí)模型驗(yàn)證,還要執(zhí)行功率放大器電路級(jí)驗(yàn)證。這里將討論四個(gè)基于仿真的PA參考設(shè)計(jì)示例,其模型已經(jīng)用于GaN模型庫中的其它模型驗(yàn)證。這些PA設(shè)計(jì)范圍從中等功率到高功率,采用模型庫中的多個(gè)獨(dú)特的設(shè)備模型,每個(gè)模型都為實(shí)現(xiàn)一次性成功設(shè)計(jì)發(fā)揮各自的價(jià)值。在首次組裝后的測(cè)試中,所有顯示的設(shè)計(jì)都無需在板調(diào)試或偏置調(diào)整。

針對(duì)此類放大器示例中初始測(cè)量和仿真的“閉環(huán)”,關(guān)注無源匹配和偏置電路建模時(shí)的細(xì)節(jié)信息,與預(yù)測(cè)這些放大器的頻率相關(guān)行為的非線性模型一樣重要。與電路板相關(guān)的差異對(duì)于所有表面封裝的無源組件(使用時(shí))使用準(zhǔn)確的寄生模型同樣重要。這些均采用Modelithics CLR Library?模型進(jìn)行建模。7

表1概述了用于驗(yàn)證Qorvo TGF2819-FL分立式封裝GaN產(chǎn)品的Modelithics模型時(shí),首個(gè)PA設(shè)計(jì)示例的目標(biāo)和結(jié)果。組裝PA和仿真-測(cè)量比較如圖7所示。使用模型可“快速轉(zhuǎn)化”高功率、高效率PA的L-頻段參考設(shè)計(jì),提供超過150W的功率和超過60%的效率。

▲圖7 組裝TGF2819-FLPA(a),仿真和測(cè)量輸出功率(b)以及功率附加效率(c)。紅色=仿真;藍(lán)色=安裝在一個(gè)評(píng)估板上的五個(gè)器件樣品的測(cè)量平均值

另一個(gè)PA驗(yàn)證電路如表2所述,其詳細(xì)信息顯示在圖8中,可用于驗(yàn)證Qorvo T2G6000528-Q3 GaN產(chǎn)品。這是一個(gè)10W的設(shè)計(jì),針對(duì)5至6 GHz工作頻率,模型測(cè)量一致性良好。此設(shè)計(jì)擁有55%的效率和13dB增益。此外,此示例還通過預(yù)測(cè)Qorvo的典型器件性能,展示了用于“生產(chǎn)設(shè)計(jì)”的Modelithics大信號(hào)模型的附加值。用于各個(gè)放大器的五個(gè)器件擁有兩年的數(shù)據(jù)代碼差距,這表示它們具有良好的生產(chǎn)一致性。仿真能夠預(yù)測(cè)使用大信號(hào)模型的多個(gè)放大器的平均性能。

▲圖8 10W、5至6 GHz PA參考設(shè)計(jì)(a)、5.4GHz時(shí)的仿真與測(cè)量輸出功率(b)以及功率附加效率與頻率(c)。實(shí)線=仿真,虛線=五個(gè)PA的測(cè)量值。

表3和圖9概述了第三個(gè)示例,Qorvo構(gòu)建的2至2.7 GHz設(shè)計(jì)可以使用第二個(gè)PA示例中的相同器件,生成10W功率、50%效率和20dB增益。表4和圖10顯示了使用Qorvo T2G6003028-FS封裝產(chǎn)品模型的第四個(gè)PA驗(yàn)證電路示例的詳細(xì)信息。這是一個(gè)5.8GHz和30W輸出功率的窄帶設(shè)計(jì),可實(shí)現(xiàn)50%功率附加效率和14dB增益。除了中心頻率略微偏移設(shè)計(jì)目標(biāo)之外,仿真和測(cè)量結(jié)果具有較好的一致性。近期的一篇應(yīng)用筆記詳細(xì)討論了此電路使用Keysight ADS的電路級(jí)建模流程8。

▲圖9 10W、2至2.7 GHz PA(a)、3dB壓縮時(shí)的仿真與測(cè)量性能(b)。實(shí)線=仿真,符號(hào)=測(cè)量。

▲圖10 30W、5.8GHz PA(a)8,仿真與測(cè)量增益和輸出功率(b)以及功率附加效率(c)。實(shí)線=仿真,符號(hào)=測(cè)量。

在所有這四種設(shè)計(jì)中,由于所用模型的高精度以及制造前進(jìn)行電路和元件值的ADS仿真和優(yōu)化,最終實(shí)現(xiàn)一次性過關(guān)設(shè)計(jì)。

結(jié)論

Qorvo和Modelithics之間的高效合作推進(jìn)了用于分立式裸片和封裝晶體管的廣泛GaN模型庫的發(fā)展。每個(gè)模型都有詳細(xì)論述,并通過了模型信息數(shù)據(jù)表中所述的豐富的器件級(jí)驗(yàn)證。我們已采用一系列功率放大器參考設(shè)計(jì)來驗(yàn)證實(shí)際PA設(shè)計(jì)模型的實(shí)用性和準(zhǔn)確性。這項(xiàng)工作顯示,全新PA設(shè)計(jì)模式已經(jīng)開始充分應(yīng)用于器件模型并用于構(gòu)建所有無源網(wǎng)絡(luò)建模,目標(biāo)是用仿真和優(yōu)化來取代“老一代”平臺(tái)調(diào)試,從而實(shí)現(xiàn)一次性通過的“仿真-構(gòu)建-測(cè)試-完成”PA設(shè)計(jì)流程。

致謝

作者感謝Modelithics工程團(tuán)隊(duì)的辛勤工作,他們開發(fā)并維護(hù)Modelithics-Qorvo GaN模型庫以及本文中討論的相關(guān)驗(yàn)證。還要感謝Qorvo的Richard Martin和Neil Craig,他們積極協(xié)調(diào)合作,最終完成了屬于Modelithics供應(yīng)商合作伙伴計(jì)劃的上述模型庫。

文章出處:http://www.mwjournalchina.com/Detarticle.asp?id=3935

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