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；負載牽引；源牽引；ADS

中圖分類號：TN95 文獻標識碼：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。

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)和漏電流小；

（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， 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中源牽引和負載牽引確定功率管匹配電路的最佳源阻抗ZS和最佳負載阻抗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，因此晶體管達到了絕對穩(wěn)定狀態(tài)。

1.2.3 源牽引和負載牽引分析

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中源牽引和負載牽引法得到匹配點。源/負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/負載牽引法獲得的最佳源阻抗和最佳負載阻抗依據(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載牽引原理相同，這里就不再復(fù)述。負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