這是入門系列（兩部分）博客的第二部分，全面介紹基于模型的功率放大器 (PA) 設計。第一部分介紹了非線性GaN模型的基本概念。

作為一項相對較新的技術，氮化鎵(GaN)采用的一些技術和思路與其他半導體技術不同。

對于 GaN PA 設計新人來說，了解I-V曲線（亦稱為電流-電壓特性曲線）是一個很好的起點。本篇博客探討 I-V 曲線的重要性，及其在非線性 GaN 模型（如Modelithics Qorvo GaN庫里的模型）中的表示如何幫助您更精確、更高效地完成設計流程。

GaN：基礎知識

重溫 GaN 知識。

GaN For Dummies?

如何在不損壞器件的情況下偏置GaN晶體管：視頻教程

Modelithics Qorvo GaN庫

場范圍 (pitch) 是什么？

您可將 I-V 曲線看作一個足球場（有時也稱為“pitch”），其限值決定了微波信號的邊界，如下圖所示。簡而言之，一旦觸及邊界，就會發生信號削波，這會導致壓縮和非線性失真。邊界值由以下參數設置：

拐點電壓和最大電流(Imax)，由圖中角上的標記m1表示

零電流線，對應于柵極-源極夾斷電壓(Vpo)

擊穿電壓(VBR)，由右邊電流曲線的上升沿表示

拐點電壓、偏置條件和增益

該圖還顯示了以下信息：

標記m1表示拐點電壓 (Vk)。.

標記m2、m3和m4表示標稱靜態偏置條件，分別代表 A 級、AB 級和 B 級常規PA工作級或模式。當然，還有其他模式，例如 C 級偏置對應于比夾斷電壓更低的負柵極電壓，因此射頻電流導通時間小于柵極電壓輸入波形的半周期。

記住：GaN 器件的夾斷電壓始終是負電壓。了解更多 >

不同的曲線代表不同的柵極-源極電壓值，從夾斷值（本例中約為?4 V）到微正值 (Vgs = 1 V)。本器件允許的絕對最大電流 (Imax) 約為 900 mA，擊穿電壓 (VBR) 約為 118 V。

不同 Vgs 值的 I-V 曲線的間距與所謂的跨導(gm ≈ ΔIds/ΔVgs) 有關，跨導與增益有關。（圖中 Vgs 的階躍電壓為 0.2 V。）請注意，在m4（B 級偏置）附近，與m3（AB 級）相比，曲線間距更近。AB 級具有與 B 級相似的效率優勢，并且增益更高，這是其成為首選的原因之一。

符號術語表

Ids：漏極-源極電流

IdsQ：漏極-源極靜態電流

Imax：最大電流

VBR：擊穿電壓

Vd：漏極電壓

Vds：漏極-源極電壓

VdsQ：漏極-源極靜態電壓

Vg：柵極電壓

Vgs：柵極-源極電壓

VgsQ：柵極-源極靜態電壓

Vk：拐點電壓。I-V 曲線中電壓開始上升的位置。

Vpo：夾斷電壓。當器件在特定電壓下關斷的特定點。GaN 的夾斷電壓為負值。

可獲得多大的射頻功率？?

上圖還顯示了一條藍色虛線和一條深灰色實線，用于表示交流信號會往復擺動的負載線路。在理想意義上，深灰色線考慮到最大限度地利用I-V“運行場”，并允許信號充分利用最大電流和最大電壓擺幅。

在本例中，靜態偏置電壓原則上可設置為 61 V。但是，出于可靠性和設計裕量的考慮，我建議使用更低的標稱偏置電壓（始終小于擊穿電壓的一半）和不同的最佳負載線路（這里我們選擇了 28 V，在上圖中標記為 m2、m3 和 m4）。器件的潛在功率（對于 A 級和 B 級）可以簡單地用 0.25*(VdsQ-Vk)*Imax 來大致估算。此處所示器件的輸出功率約為5 W。

對于給定的工藝，擊穿電壓趨于恒定值，因此可以通過增加柵極寬度來獲得更高功率。這將引入一個衡量功率性能的常見參數，稱為功率密度，GaN 的功率密度為 5-10 瓦/毫米 (W/mm) 柵極寬度，GaAs 晶體管的功率密度為 0.5 至 1 W/mm。

簡而言之，為了在削波前使電流/電壓峰值達到最大值以優化功率輸出，負載電阻將是負載線路斜率的倒數（忽略器件和封裝的反應性寄生效應）。最佳功率負載總是不同于按照線性電路理論所得出的最大程度提高器件增益所需的功率負載。

GaN 擴大 I-V“運行場”的能力

回到對功率性能的簡單估算，0.25*(VdsQ-Vk)*Imax，因此，可以通過使用以下器件獲得更高功率：

Imax 值更高的器件

可在更高靜態電壓下運行的器件

兩者兼具（更高 Imax 和 VdsQ）的器件

商用 GaN 工藝的擊穿電壓在 100 V 和 200 V 之間，比 GaAs 的擊穿電壓高出一個數量級，也是典型 LDMOS 工藝的兩倍以上。GaN 有效地擴展了上述 I-V 運行場的邊界，對于高功率 PA 設計而言，這種 I-V 曲線擴展非常令人振奮。

是否存在讓我們擔擾的陷阱？

俘獲效應是影響 GaAs 和GaN HEMT器件工作的一個電學現象。它發生于器件的外延層，其中可用于增強 HEMT 溝道中電流的電子實質上被“陷”入缺陷狀態，該缺陷發生在 GaAs 或 GaN 格柵表面或內部。這種效應具有電壓依賴性，并隨時間推移會降低器件的運行性能，影響拐點電壓之類的參數。

GaN 俘獲效應的一個眾所周知的影響稱為拐點蠕變，它將使 I-V 曲線的拐點電壓右移，如下圖所示。

好消息是非線性 GaN 模型可幫助預測這種俘獲效應的行為。下圖顯示了 Modelithics Qorvo GaN 模型中捕獲的一個 Qorvo 裸片模型的 I-V 曲線。它顯示了在短脈沖條件下（例如 0.05% 占空比下 0.5 μs 脈沖寬度）的兩種不同靜態漏極電壓（12 V 和 28 V，下圖中標記為 VdsQ1 和 VdsQ2）的仿真。

您可看到拐點電壓和Imax如何受到與陷阱相關的拐點蠕變效應的影響。將自熱參數輸入值設置為零時，該模型數據很好地再現了在 12 V 和 28 V 靜態漏極電壓（VgsQ 設置為夾斷值）短脈沖條件下測得的 I-V 曲線。

我們從上述討論中得知，這兩個參數會相應地影響器件的最大功率，因此模型隨工作電壓而跟蹤 I-V 變化的能力將十分重要，具體取決于應用。

非線性模型可加快設計流程

了解 I-V 曲線的影響和細微差別及其對 PA 設計的基本限制和影響十分重要。如果您是這個領域的新手，希望本篇博客有助于您了解 I-V 曲線中許多有用的信息！

選擇負載條件以最大程度地提高大信號功率性能，這與線性共軛匹配的思路完全不同，因此在設計流程中使用非線性 GaN 模型可幫助您第一次就獲得正確設計。無需過多擔心與晶體管的輸出阻抗匹配，我們需要考慮的是如何最大程度地提高I-V“運行場”上的電流和電壓變化擺幅，這由 I-V 曲線的邊界值控制，從拐點電壓和最大電流沿著選定的負載線路下降至夾斷區域。

審核編輯黃昊宇