高功率GaN模型库的器件和PA电路级验证

Device and PA Circuit Level Validations of a High Power GaN Model Library

Larry Dunleavy和Hugo Morales，Modelithics Inc.

Charles Suckling和Kim Tran，Qorvo Inc.

Modelithics和Qorvo正合作扩展用于GaN功率晶体管最新的高精度模型，供设计人员免费使用。现有和开发中的GaN模型库支持基于仿真的功率放大器（PA）设计流程，其输出功率需求为5W至500W。本文概述了模型库的内容、功能和器件以及全新模型的电路级“闭环”PA验证。

多年来，微波功率放大器设计一直是热门的研发主题。这一主题之所以能够引发关注并持续发展，就在于它将全新应用与具有挑战性的要求相结合，同时多年来，这些技术也在不断变化，已经从硅发展到GaAs，随后又发展成GaN（有少量应用又返回使用硅）。GaN已经发展成高功率/高频率应用的绝对技术赢家，并且全球GaN设备和GaN功率放大器市场获得了可观的投资，产品更新非常迅速。

过去，微波功率放大器设计一直由众多专业人员来完成，极少采用计算机仿真。对许多人而言，这种基于负载线分析的“新技术”¹简单但却极其实用，足以提供简单的起点设计。设计人员首先构建起点，然后去实验室，让技术熟练的技术员和工程师利用他们的专业知识，在电路板级进行调整，直至满足所需的规格。

其它人则完全依靠负载牵引数据来定义他们的设计标准，在输出功率、效率和线性度之间实现所需的折中选择，满足功率放大器输出匹配目标。但也存在局限性，获取各个频率下的负载牵引数据非常昂贵，并且新设计可能不一定总能获得所需频率的负载牵引数据。通常，仍然需要通过调试来实现所需的性能目标。

“老一代”PA设计的课堂显然就是功率测试平台，能够帮助“学员”了解如何在试验电路中移动电容和线圈，实现所需的目标。这其实是一种非常值得了解的技巧，许多PA大师都宣称自己真正了解如何利用这些方法，制造一流的功率放大器产品；然而，这种制板-测试-调试方法有时效率并不高。

精确的非线性模型^2,3结合强大的EDA工具，如Keysight Technologies的高级设计系统和类似工具，改变了功率放大器的设计模式，缩短了实验调试的时间。相反，越来越多的PA设计师开始使用支持模型的非线性仿真设计流程，这可更多实现“一次性通过”制造和测试，满足设计目标，并且只需很少的调整，或者不需要任何调试。采用支持模型的完整PA电路仿真，可针对窄带或宽带的复杂PA目标组合，优化非线性电路性能。非线性模型为需要快速完成设计的设计人员带来了显著的优势，但可能没有目标频率下的负载牵引测量数据。这种仿真功能对于指导制造后调试非常有帮助，如果需要，可改善或微调性能。因此，当模型不可用时，许多现代设计人员甚至都不会考虑使用新型PA晶体管。另一个趋势就是，对于想要使用“波形工程”⁴来优化B类、AB类、F类和J类等高效PA工作模式的许多设计人员，他们需要访问固有电压和电流端口。

Modelithics-Qorvo GaN模型库的创建可满足PA设计人员对GaN器件精确化非线性模型不断增长的需求。本文描述了这一不断扩充的模型库的内容、优势和全新功能，并展示了验证案例，以验证器件和电路级别的模型质量和精确度。此模型库当前可用于Keysight高级设计系统（ADS）和NI-AWR设计环境。我们将使用Keysight ADS EDA软件来演示此模型库、模型功能和验证流程。

GaN模型库描述

当前版本（1.7）的模型库包括17个裸片和35个封装器件的模型，还有更多模型正在开发中。此模型库提供简单的“点击”安装流程，并可在仿真器内部访问详细的模型信息数据表，为设计人员提供了最大便利性。例如，在Keysight ADS中，只需单击模型参数弹出窗口中的“帮助”按钮即可。GaN模型库由Modelithics免费提供、免费支持，并由Qorvo提供赞助。这种配置的其中一个优势就是拥有专业管理软件支持、版本控制和频率更新。借助提供的每个更新、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软件版本。

GaN模型本身目前基于定制版本的Chalmers Angelov模型⁵。这些模型的高级定制功能可以为设计人员提供以下优势：

•       扩展工作电压（V_dsQ）

•       环境温度和部分或全部开/关自热效应

•       访问固有电压/电流节点，实现波形优化

•       根据适用的裸片模型，切换至开/关焊线。

图1显示了一个典型裸片模型的ADS符号，其显示了模型的用户输入参数。这个特定模型的V_dsQ可以从12V扩展至28V，而模型库中其它模型的值可能高达50V，具体取决于器件的正常工作偏置条件。这可看作是模型的一个“可扩展”最佳点。与典型的非线性模型不同，尽管它们天生具备偏置可扩展性，但经过调整，通常可以在特定工作电压发挥最佳性能。此偏置可扩展功能可提高不同偏置条件的准确性，例如，如图2a的模型结果所示，采用不同的V_dsQ值脉冲数据时，用于构建模型的I-V脉冲数据是不同的。

▲图1  裸片模型原理图（a）和带参考层的裸片（b）。

▲图2  图1模型的静态偏置电压（V_dsQ）扩展（a）和自热效应（b）。V_gs范围是-4V至+1V，步进为0.5V。

这些模型还允许设计人员考虑环境和自热效应。图2b显示仿真图1的“自热参数”设置为0（没有自热效应）和1（完全自热，用于静态偏置/CW条件）时的I-V数据情况。和其它高级自定义功能一样，可以通过将自热参数设置为等于占空比，利用0和1之间的中间值估测脉冲信号的近似部分自热效应。可以通过输入模型的“温度”来提供环境温度变量，对于这个模型，这非常适合25至85℃范围内的温度变化数据。此范围可能会根据各个模型的模型信息数据表中的信息而有所变化。

焊线效应消除功能适用于采用带焊线固件开发的裸片模型。这允许用户轻松重建焊线随附模型信息数据表中显示的相同仿真验证，或者消除焊线效应，将模型嵌入到它们自有的独特电路环境中。此功能不适用于封装设备，而是用于可直接进行晶圆探测的裸片模型以及其它裸片模型，后者是在较小裸片尺寸的基础上开发的、基于测量模型的扩展版本。

根据设计人员的反馈，模型库中的所有模型都可访问固有电压和电流节点，以便用于波形分析和优化。图3显示了这一概念。我们的目标是让设计人员访问模型漏极-源极电流生成器层的电压/电流节点，同时消除所有寄生效应。如图3b所示，寄生阻抗会导致仿真动态负载线在I-V层的限制范围之外摆动，甚至可在负电流中摆动；但正确提取的固有波形不会这样。图4显示了仿真固有电压和电流的波形。可以看到A类、B类和AB类电流按照我们通常所期待的那样工作，即全波形A类电流、半波形B类整流等等，但要针对AB类电流提供较小“导通角”⁶波形。

▲图3  固有波形感测概念（a）以及外部（蓝色）和内部（红色）节点上封装晶体管的仿真动态负载线结果（b）。

▲图4  在功率回退情况下，TGF2023-2-01晶体管裸片在A类（红色）、AB类（蓝色）和B类（绿色）偏置下固有参考层的固有电压（a）和电流（b）波形。

器件级验证

上面提到的模型信息数据表是理解模型库中包含的各个模型详细信息的关键。这些详细信息包含模型功能框图、详细的器件级验证，有的还包括采用参考设计的PA电路级验证。数据表通常包含15至20页（或更多）信息。示例器件验证包括电流-电压（I-V）特性、多偏置S-参数、负载牵引数据和Pout/PAE/Gt功率扫描数据的仿真模型与应用测量结果一致。一些器件模型还包括针对噪声参数数据的配置。

图5包含一些数据表中此类信息的快照，有一个最近添加的基于0.15μm技术工艺的GaN裸片器件。如模型功能框图（参见图5a）中的总结，这个特定的Qorvo TGF2935器件模型已经通过了40GHz S-参数验证，并且在大信号负载牵引平台上通过了10和18GHz高功率性能验证。

▲图5  大信号版本TGF2935裸片模型的模型数据表信息：功能框图（a）、I-V模型和测量（b）、固件组件（c）、10GHz单音功率扫描、功率匹配（d）。

同时提供了两种温度下仿真和测量I-V性能的快照（参见图5b）。装配图详细说明了参考层和焊线的详细信息（参见图5c）。扫描转换增益（Gt）和效率与输出功率关系图，用于对比验证模型的高功率行为和实测数据（参见图5d）。大信号和小信号模型还可用于0.15μm工艺裸片芯片，用于准确预测高达26GHz的噪声参数。

针对封装器件模型提供的相似信息（如图6所示），其中包含从模型数据表中选择的285W Qorvo T1G2028536-FL-001器件的信息。此模型功能框图（参见图6a）显示其已经通过直到3GHz的S-参数验证，具备温度可扩展功能，并且通过了1和1.5 GHz时的高功率数据验证。另外还显示了负载牵引和功率向上驱动的仿真和测量数据图。

▲图6  针对Qorvo T1G2028536-FL-001器件的负载牵引和功率向上驱动验证（a）、模型功能框图（b）、带功率调整负载的功率扫描验证（1GHz）（c）、5Ω史密斯图、+35dBm输入功率下的负载牵引（1GHz）（d）。

PA电路级验证

除了上面讨论的器件级模型验证，还要执行功率放大器电路级验证。这里将讨论四个基于仿真的PA参考设计示例，其模型已经用于GaN模型库中的其它模型验证。这些PA设计范围从中等功率到高功率，采用模型库中的多个独特的设备模型，每个模型都为实现一次性成功设计发挥各自的价值。在首次组装后的测试中，所有显示的设计都无需在板调试或偏置调整。

针对此类放大器示例中初始测量和仿真的“闭环”，关注无源匹配和偏置电路建模时的细节信息，与预测这些放大器的频率相关行为的非线性模型一样重要。与电路板相关的差异对于所有表面封装的无源组件（使用时）使用准确的寄生模型同样重要。这些均采用Modelithics CLR Library™模型进行建模。⁷

表1概述了用于验证Qorvo TGF2819-FL分立式封装GaN产品的Modelithics模型时，首个PA设计示例的目标和结果。组装PA和仿真-测量比较如图7所示。使用模型可“快速转化”高功率、高效率PA的L-频段参考设计，提供超过150W的功率和超过60%的效率。

▲图7  组装TGF2819-FLPA（a），仿真和测量输出功率（b）以及功率附加效率（c）。红色=仿真；蓝色=安装在一个评估板上的五个器件样品的测量平均值

另一个PA验证电路如表2所述，其详细信息显示在图8中，可用于验证Qorvo T2G6000528-Q3 GaN产品。这是一个10W的设计，针对5至6 GHz工作频率，模型测量一致性良好。此设计拥有55%的效率和13dB增益。此外，此示例还通过预测Qorvo的典型器件性能，展示了用于“生产设计”的Modelithics大信号模型的附加值。用于各个放大器的五个器件拥有两年的数据代码差距，这表示它们具有良好的生产一致性。仿真能够预测使用大信号模型的多个放大器的平均性能。

▲图8  10W、5至6 GHz PA参考设计（a）、5.4GHz时的仿真与测量输出功率（b）以及功率附加效率与频率（c）。实线=仿真，虚线=五个PA的测量值。

表3和图9概述了第三个示例，Qorvo构建的2至2.7 GHz设计可以使用第二个PA示例中的相同器件，生成10W功率、50%效率和20dB增益。表4和图10显示了使用Qorvo T2G6003028-FS封装产品模型的第四个PA验证电路示例的详细信息。这是一个5.8GHz和30W输出功率的窄带设计，可实现50%功率附加效率和14dB增益。除了中心频率略微偏移设计目标之外，仿真和测量结果具有较好的一致性。近期的一篇应用笔记详细讨论了此电路使用Keysight ADS的电路级建模流程⁸。

▲图9  10W、2至2.7 GHz PA（a）、3dB压缩时的仿真与测量性能（b）。实线=仿真，符号=测量。

▲图10  30W、5.8GHz PA（a）⁸，仿真与测量增益和输出功率（b）以及功率附加效率（c）。实线=仿真，符号=测量。

在所有这四种设计中，由于所用模型的高精度以及制造前进行电路和元件值的ADS仿真和优化，最终实现一次性过关设计。

结论

Qorvo和Modelithics之间的高效合作推进了用于分立式裸片和封装晶体管的广泛GaN模型库的发展。每个模型都有详细论述，并通过了模型信息数据表中所述的丰富的器件级验证。我们已采用一系列功率放大器参考设计来验证实际PA设计模型的实用性和准确性。这项工作显示，全新PA设计模式已经开始充分应用于器件模型并用于构建所有无源网络建模，目标是用仿真和优化来取代“老一代”平台调试，从而实现一次性通过的“仿真－构建－测试－完成”PA设计流程。

致谢

作者感谢Modelithics工程团队的辛勤工作，他们开发并维护Modelithics-Qorvo GaN模型库以及本文中讨论的相关验证。还要感谢Qorvo的Richard Martin和Neil Craig，他们积极协调合作，最终完成了属于Modelithics供应商合作伙伴计划的上述模型库。

参考文献

1. S. C. Cripps, “A Theory for the Prediction of GaAs Load-Pull Power Contours,” IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, Vol. 1, May 1983, pp. 221–223.

2. L. Dunleavy, C. Baylis II, W. Curtice and R. Connick, “Modeling GaN:Powerful But Challenging,” IEEE Microwave Magazine, Vol. 11, No. 6, October 2010, pp. 82–96.

3. M. Golio, L.Dunleavy and T. Gneiting, “History and State-of-the-Art in Large Signal Modeling for RF/Microwave Power Amplifier Development,” IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, May 2015, pp. 1–4.

4.P. J. Tasker, “Practical Waveform Engineering,” IEEE Microwave.Magazine, Vol. 10, No. 7, December 2009, pp. 65–76.

5. I. Angelov, H. Zirath and N. Rorsman, “A New Empirical Nonlinear Model for HEMT and MESFET Devices,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 40, No. 12, December 1992, pp. 2258–2266.

6. S. C. Cripps, “RF Power Amplifiers for Wireless Communications,” 2nd Edition, Artech House, 2006.

7. “Comprehensive Models for RLC Components to Accelerate PCB Designs,” Microwave Journal, Vol. 47, No. 5, May 2004.

8. “Analysis of a 30 W Power Amplifier Utilizing Modelithics’ Triquint T2G6003028-FS Model in Agilent ADS,” Modelithics Application Note 49, Web. www.modelithics.com.

联系信息

有关 Modelithics-Qorvo GaN模型库的信息，请访问www.modelithics.com/mvp/qorvo（面向Qorvo认证设计人员免费开放）。如果对模型库或PA验证电路有任何疑问，请联系support@modelithics.com。有关Modelithics CLR模型库或Modelithics COMPLETE模型库的信息，请联系sales@modelithics.com或访问www.modelithics.com。