GaN HEMT非線性輸出電容寄生參數研究

孫世滔，蔡 斐，李 川，呂國強*

(1.合肥工業大學特種顯示技術教育部重點實驗室，合肥230009;2.合肥工業大學儀器科學與光電工程學院，合肥230009;3.合肥工業大學光電技術研究院，合肥230009)

射頻功率放大器作為現代無線通信系統中最核心的部件之一，在保證功率的同時，對其效率指標的要求也越來越高。功放的高效率工作能保證系統的低損耗、低熱量、高可靠性。GaN HEMT因高截止頻率，高功率密度等優點，在高功率、高效率器件制造中的應用越來越普遍［1-2］，但其非線性寄生參數對器件性能的影響卻不可忽略［3］。在設計過程中，非線性寄生參數的考慮與處理是影響放大器效率一個至關重要的因素，如果處理不好往往會導致效率功率變差，甚至影響整個系統的正常工作。所以研究GaN HEMT非線性寄生參數，提高功率放大器的效率是一項很有實用價值的研究活動。

近年來，學術界提出很多種提高功率放大器效率的設計方法，但其中很少有考慮到晶體管輸出端寄生參數的設計思想。如開關類E類、F類和逆F類放大器［4-6］，三者在結構和原理上都比較相似，都是通過在晶體管輸入輸出端設計諧波控制電路，使諧波匹配到絕對的開路短路狀態，以此控制漏極端輸出電壓電流波形來提高效率。但是，由于在設計中沒有考慮到晶體管寄生輸出電容Cout對地短路的影響，此開關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有的狀態，這樣就造成實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的影響但把它當做線性來處理。Grebennikov［6］考慮到輸出寄生電容影響，把它當做固定值代入解析法設計的功率放大器雖然具有相對較高的效率，但功率被極大壓縮，在高效率的同時無法保證功率指標。2009 年，S.C.Cripps［7］提出的J類放大器也是假設輸出寄生電容是線性的情況下設計的。因此J類放大器輸出端電壓電流波形具有一定的相位差，導致輸出效率功率偏低，和傳統的AB類放大器在效率和功率上相比無明顯優勢。

本文從理論和仿真兩方面詳細分析了大信號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果，設計了S波段高效率功率放大器。實測結果顯示該放大器在輸出功率和效率方面都表現出優越性能，達到預期目標，驗證了理論分析的可靠性。

1 非線性輸出電容行為模式分析

功放高效率運行的關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域最小化，這樣在晶體管內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限次諧波，而電壓波形通常由電流和負載阻抗決定，因此電壓控制的諧波次數一般只到3次。經理論分析［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生類似輸出電壓半正弦波電流方波，且波形之間幾乎沒有相位差，因此效率被大大提高。

圖1 飽和放大器簡化電路模型

為了說明Cout產生諧波電壓原理，本文利用ADS仿真軟件建立非線性等效電路模型對放大器電路和Cout進行分析。圖1是飽和功率放大器的簡化電路結構，晶體管模型包含兩個必須的非線性部分: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表現為輕微的非線性，Cgd卻表現為高度的非線性。于是可以得到如下計算輸出電容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生特性

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

其中，Q(tx)是電容Cout經過時間tx的充電量，當有負電流i(t)時，Q(tx)減小，VDS(tx)也隨著減小，所以Cout迅速增大。當電壓接近最小值時，VDS(tx)因為電容Cout的迅速增大以及有限的驅動電流，所以改變不會太大。這也就是說Q(tx)/COUT(VDS(tx))在整個區域內會接近是一個常數，所以電壓波形在低電壓區會比較平滑，就如圖3(b)中所示的半正弦波。

經理論分析得出結論，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特定的阻抗，對基波和二次諧波阻抗就要進行適當的調諧。

2 非線性輸出電容仿真分析和實測

為了驗證第1部分關于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。

對晶體管大信號模型進行基波和諧波負載牽引，結果顯示在圖4中，要點歸納在表1中。的響應?？梢钥闯?，當只有基波的電流流經電容時，非線性電容Cout產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真實器件時，也能觀測到相同的現象［11］，這些結果清楚說明了二次諧波電壓主要是由非線性Cout產生，而不是像傳統的E類F類放大器一樣，通過匹配外部諧波阻抗到短路斷路，利用外部阻抗和電流來產生電壓波形。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電容的電流的積分是成比例的，可由下式表示:

圖4 大信號模型基波諧波負載牽引效率功率圖

表1 負載牽引功率效率與阻抗關系表

圖4中4個圖為對基波，諧波阻抗負載牽引效率與功率曲線圖?？梢钥吹剑瑘D4(b)中二次諧波阻抗在比較大的范圍內都能得到高效率，這進一步說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生［10］。雖然只要外部電路二次諧波阻抗大于Cout阻抗就能產生半正弦電壓波形，但上文已提到，為了得到最優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，當對外部電路二次諧波進行控制時，效率有一個非常明顯的提升，諧波階次越高，提升效果越不明顯。根據結果，最后把基波，二、三次諧波阻抗分別設定在(15.03+j19.56)Ω，(1.02+j68.8)Ω，(48.2+j646.3)Ω。設計結構簡單的微帶電路，利用ADS中S參數仿真調諧，將二、三次諧波阻抗分別調諧至設定的阻抗點。直接利用調諧的方法而不是解析計算［12］后再微調的方法可以摒棄繁雜的計算，使設計過程更加簡單高效。

最后對基波源和負載阻抗進行匹配，其中對源阻抗負載牽引后發現，源諧波阻抗控制對效率沒有明顯的提升，加上諧波電路反而會使電路結構更復雜，所以對源阻抗只是進行了基波的共軛匹配，為了適當增加帶寬，采用漸近線匹配。整個電路框圖如圖5所示。

圖5 功率放大器整體電路簡化圖

根據仿真制作了一款高效率放大器，采用Rogers4350基板，介電常數3.48，實際設計值采用3.66，板厚30 mil。圖6為放大器實物圖，以下是各參數實測和仿真對比結果。

圖6 功率放大器實物圖

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，實測和仿真輸出功率及增益隨輸入功率變化的曲線圖。可以看到，在輸入功率為27 dBm時，實測結果可得到最大DE為81.7%，PAE為78.56%，此時飽和輸出功率為41.16 dBm，增益為14.16 dB，在高效率的同時也實現了高功率輸出。在輸入功率范圍在4 dBm～16 dBm時，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。實測結果為在1.98 GHz～2.08 GHz范圍內，PAE都可達到74.49%以上，此帶寬內最高功率為41.55 dBm，最低功率40.35 dBm，實現了高功率輸出。

圖7 漏極端電壓電流波形圖

圖8 實測和仿真輸出功率效率與輸入功率關系

圖9 實測和仿真輸出效率功率與頻率關系

3 結論

本文通過建立非線性電路模型對GaN HEMT非線性寄生輸出電容Cout的特性進行了詳細的研究，理論與仿真結合說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合能產生輸出電壓半正弦波形，電流方波的最優效率波形。最后制作的S波段放大器在輸出功率為41.16 dBm時最高功率附加效率(PAE)可達78.56%。且在100 M帶寬內功率在40.35 dBm以上，PAE在74.49%以上，這在延長放大器的使用壽命，節約能耗方面都具有重要的工程實用價值。

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