高功率GaN模型庫的器件和PA電路級驗證

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

Modelithics和Qorvo正合作擴展用于GaN功率晶體管最新的高精度模型,供設(shè)計人員免費使用。現(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“閉環(huán)”PA驗證。

多年來,微波功率放大器設(shè)計一直是熱門的研發(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)用的絕對技術(shù)贏家,并且全球GaN設(shè)備和GaN功率放大器市場獲得了可觀的投資,產(chǎn)品更新非常迅速。

過去,微波功率放大器設(shè)計一直由眾多專業(yè)人員來完成,極少采用計算機仿真。對許多人而言,這種基于負載線分析的“新技術(shù)”1簡單但卻極其實用,足以提供簡單的起點設(shè)計。設(shè)計人員首先構(gòu)建起點,然后去實驗室,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,在電路板級進行調(diào)整,直至滿足所需的規(guī)格。

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

“老一代”PA設(shè)計的課堂顯然就是功率測試平臺,能夠幫助“學(xué)員”了解如何在試驗電路中移動電容和線圈,實現(xiàn)所需的目標。這其實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-測試-調(diào)試方法有時效率并不高。

精確的非線性模型2,3結(jié)合強大的EDA工具,如Keysight Technologies的高級設(shè)計系統(tǒng)和類似工具,改變了功率放大器的設(shè)計模式,縮短了實驗調(diào)試的時間。

相反,越來越多的PA設(shè)計師開始使用支持模型的非線性仿真設(shè)計流程,這可更多實現(xiàn)“一次性通過”制造和測試,滿足設(shè)計目標,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,可針對窄帶或?qū)拵У膹?fù)雜PA目標組合,優(yōu)化非線性電路性能。非線性模型為需要快速完成設(shè)計的設(shè)計人員帶來了顯著的優(yōu)勢,但可能沒有目標頻率下的負載牽引測量數(shù)據(jù)。這種仿真功能對于指導(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,當模型不可用時,許多現(xiàn)代設(shè)計人員甚至都不會考慮使用新型PA晶體管。另一個趨勢就是,對于想要使用“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)計人員對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充的模型庫的內(nèi)容、優(yōu)勢和全新功能,并展示了驗證案例,以驗證器件和電路級別的模型質(zhì)量和精確度。此模型庫當前可用于Keysight高級設(shè)計系統(tǒng)(ADS)和NI-AWR設(shè)計環(huán)境。我們將使用Keysight ADS EDA軟件來演示此模型庫、模型功能和驗證流程。

GaN模型庫描述

當前版本(1.7)的模型庫包括17個裸片和35個封裝器件的模型,還有更多模型正在開發(fā)中。此模型庫提供簡單的“點擊”安裝流程,并可在仿真器內(nèi)部訪問詳細的模型信息數(shù)據(jù)表,為設(shè)計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免費提供、免費支持,并由Qorvo提供贊助。這種配置的其中一個優(yōu)勢就是擁有專業(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。這些模型的高級定制功能可以為設(shè)計人員提供以下優(yōu)勢:

? 擴展工作電壓(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,實現(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顯示了一個典型裸片模型的ADS符號,其顯示了模型的用戶輸入?yún)?shù)。這個特定模型的VdsQ可以從12V擴展至28V,而模型庫中其它模型的值可能高達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“可擴展”最佳點。與典型的非線性模型不同,盡管它們天生具備偏置可擴展性,但經(jīng)過調(diào)整,通常可以在特定工作電壓發(fā)揮最佳性能。此偏置可擴展功能可提高不同偏置條件的準確性,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,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)擴展(a)和自熱效應(yīng)(b)。Vgs范圍是-4V至+1V,步進為0.5V。

這些模型還允許設(shè)計人員考慮環(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)時的I-V數(shù)據(jù)情況。和其它高級自定義功能一樣,可以通過將自熱參數(shù)設(shè)置為等于占空比,利用0和1之間的中間值估測脈沖信號的近似部分自熱效應(yīng)?？梢酝ㄟ^輸入模型的“溫度”來提供環(huán)境溫度變量,對于這個模型,這非常適合25至85℃范圍內(nèi)的溫度變化數(shù)據(jù)。此范圍可能會根據(jù)各個模型的模型信息數(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證,或者消除焊線效應(yīng),將模型嵌入到它們自有的獨特電路環(huán)境中。此功能不適用于封裝設(shè)備,而是用于可直接進行晶圓探測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、基于測量模型的擴展版本。

根據(jù)設(shè)計人員的反饋,模型庫中的所有模型都可訪問固有電壓和電流節(jié)點,以便用于波形分析和優(yōu)化。圖3顯示了這一概念。我們的目標是讓設(shè)計人員訪問模型漏極-源極電流生成器層的電壓/電流節(jié)點,同時消除所有寄生效應(yīng)。如圖3b所示,寄生阻抗會導(dǎo)致仿真動態(tài)負載線在I-V層的限制范圍之外擺動,甚至可在負電流中擺動;但正確提取的固有波形不會這樣。圖4顯示了仿真固有電壓和電流的波形?？梢钥吹紸類、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AB類電流提供較小“導(dǎo)通角”6波形。

▲圖3 固有波形感測概念(a)以及外部(藍色)和內(nèi)部(紅色)節(jié)點上封裝晶體管的仿真動態(tài)負載線結(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。

器件級驗證

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模型詳細信息的關(guān)鍵。這些詳細信息包含模型功能框圖、詳細的器件級驗證,有的還包括采用參考設(shè)計的PA電路級驗證。數(shù)據(jù)表通常包含15至20頁(或更多)信息。示例器件驗證包括電流-電壓(I-V)特性、多偏置S-參數(shù)、負載牽引數(shù)據(jù)和Pout/PAE/Gt功率掃描數(shù)據(jù)的仿真模型與應(yīng)用測量結(jié)果一致。一些器件模型還包括針對噪聲參數(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),這個特定的Qorvo TGF2935器件模型已經(jīng)通過了40GHz S-參數(shù)驗證,并且在大信號負載牽引平臺上通過了10和18GHz高功率性能驗證。

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

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

針對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)驗證,具備溫度可擴展功能,并且通過了1和1.5 GHz時的高功率數(shù)據(jù)驗證。另外還顯示了負載牽引和功率向上驅(qū)動的仿真和測量數(shù)據(jù)圖。

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

PA電路級驗證

除了上面討論的器件級模型驗證,還要執(zhí)行功率放大器電路級驗證。這里將討論四個基于仿真的PA參考設(shè)計示例,其模型已經(jīng)用于GaN模型庫中的其它模型驗證。這些PA設(shè)計范圍從中等功率到高功率,采用模型庫中的多個獨特的設(shè)備模型,每個模型都為實現(xiàn)一次性成功設(shè)計發(fā)揮各自的價值。在首次組裝后的測試中,所有顯示的設(shè)計都無需在板調(diào)試或偏置調(diào)整。

針對此類放大器示例中初始測量和仿真的“閉環(huán)”,關(guān)注無源匹配和偏置電路建模時的細節(jié)信息,與預(yù)測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)的差異對于所有表面封裝的無源組件(使用時)使用準確的寄生模型同樣重要。這些均采用Modelithics CLR Library?模型進行建模。7

表1概述了用于驗證Qorvo TGF2819-FL分立式封裝GaN產(chǎn)品的Modelithics模型時,首個PA設(shè)計示例的目標和結(jié)果。組裝PA和仿真-測量比較如圖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,提供超過150W的功率和超過60%的效率。

▲圖7 組裝TGF2819-FLPA(a),仿真和測量輸出功率(b)以及功率附加效率(c)。紅色=仿真;藍色=安裝在一個評估板上的五個器件樣品的測量平均值

另一個PA驗證電路如表2所述,其詳細信息顯示在圖8中,可用于驗證Qorvo T2G6000528-Q3 GaN產(chǎn)品。這是一個10W的設(shè)計,針對5至6 GHz工作頻率,模型測量一致性良好。此設(shè)計擁有55%的效率和13dB增益。此外,此示例還通過預(yù)測Qorvo的典型器件性能,展示了用于“生產(chǎn)設(shè)計”的Modelithics大信號模型的附加值。用于各個放大器的五個器件擁有兩年的數(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)測使用大信號模型的多個放大器的平均性能。

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

表3和圖9概述了第三個示例,Qorvo構(gòu)建的2至2.7 GHz設(shè)計可以使用第二個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PA驗證電路示例的詳細信息。這是一個5.8GHz和30W輸出功率的窄帶設(shè)計,可實現(xiàn)50%功率附加效率和14dB增益。除了中心頻率略微偏移設(shè)計目標之外,仿真和測量結(jié)果具有較好的一致性。近期的一篇應(yīng)用筆記詳細討論了此電路使用Keysight ADS的電路級建模流程8。

▲圖9 10W、2至2.7 GHz PA(a)、3dB壓縮時的仿真與測量性能(b)。實線=仿真,符號=測量。

▲圖10 30W、5.8GHz PA(a)8,仿真與測量增益和輸出功率(b)以及功率附加效率(c)。實線=仿真,符號=測量。

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

結(jié)論

Qorvo和Modelithics之間的高效合作推進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。每個模型都有詳細論述,并通過了模型信息數(shù)據(jù)表中所述的豐富的器件級驗證。我們已采用一系列功率放大器參考設(shè)計來驗證實際PA設(shè)計模型的實用性和準確性。這項工作顯示,全新PA設(shè)計模式已經(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,目標是用仿真和優(yōu)化來取代“老一代”平臺調(diào)試,從而實現(xiàn)一次性通過的“仿真-構(gòu)建-測試-完成”PA設(shè)計流程。

致謝

作者感謝Modelithics工程團隊的辛勤工作,他們開發(fā)并維護Modelithics-Qorvo GaN模型庫以及本文中討論的相關(guān)驗證。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)商合作伙伴計劃的上述模型庫。

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

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