【導讀】在本章，我們將介紹設計氮化镓 (GaN) 功率放大器 (PA) 以及其他 GaN 應用的一些技術，並描述 GaN 在許多射頻 (RF) 前端中的應用。我們還將探討技術領導者如何在分立式、單芯片微波集成電路 (MMIC) 以及高度集成模塊中使用 GaN 技術
，以滿足許多應用領域需求。我們還將說明 GaN 熱建模在應用中的一些重要方麵和優勢。

使用 GaN 技術進行設計

過去
，GaN PA 設計一直依靠大致的起點
、豐富的經驗和專業知識來完成。使用 S 參數和負載牽引數據可以提高設計的成功率。有了 GaN 分(fen)立(li)式(shi)產(chan)品(pin)，使(shi)用(yong)精(jing)確(que)的(de)非(fei)線(xian)性(xing)模(mo)型(xing)也(ye)有(you)助(zhu)於(yu)更(geng)快(kuai)地(di)生(sheng)成(cheng)設(she)計(ji)數(shu)據(ju)。對(dui)於(yu)分(fen)立(li)式(shi)實(shi)現(xian)來(lai)說(shuo)，建(jian)模(mo)有(you)助(zhu)於(yu)獲(huo)得(de)更(geng)精(jing)確(que)的(de)半(ban)導(dao)體(ti)行(xing)為(wei)數(shu)據(ju)，並(bing)獲(huo)得(de)針(zhen)對(dui)特(te)定(ding)應(ying)用(yong)的(de)更(geng)好(hao)結(jie)果(guo)。

對於工程師來說，設計 GaN PA 的第一步就是獲得半導體製造商的產品數據手冊 ；第二部就是查看 S 參數。PA 設計工程師還可以利用測得的負載牽引數據確定最佳負載阻抗目標值，以便在指定頻率下實現精確的功率和效率值。

有條件時
，設計人員可使用負載牽引數據和仿真模型獲得更好的結果。圖 3-1 顯示了如何針對 GaN PA 設計創建仿真模型。這些相同的模型用於生成 PA 參考設計。

圖 3-1 ：Qorvo/Modelithics 非線性仿真模型流程示例

這些分立式非線性 GaN 模型都具有可變偏置、溫標、自熱效應、固有電流 - 電壓 (I-V) 感應和焊線設置等功能（若適用）。在最基本的層麵上，非線性 GaN 晶體管模型必須捕獲晶體管在不同工作電平下的電流 - 電壓特性曲線（I-V 曲線）。I-V 曲線決定了器件的基本功耗
、效率和其他主要性能驅動因素。

一個模型預測 PA 晶體管非線性行為的能力主要基於幾個方麵 ：

» 電壓依賴性電流源 (Ids) 的表示

» 電壓依賴性電容
，主要是柵極 - 源極 (Cgs)、漏極 - 源極 (Cds) 和 漏極 - 柵極 (Cdg)

» 電壓依賴性二極管模型，與擊穿電壓的預測相關

» 器件寄生電感、電容和電阻，代表器件的總體頻率依賴性行為

作為一種相對較新的技術
，與其他半導體相比

，GaN 需要使用一些不同的建模和設計技術。GaN 具有更高的最大電流能力，可在更高的靜態電壓和更高的電壓下運行，從而能夠有效地擴展 I-V 曲線的邊界值。

在任何情況下，都必須向工程師提供相關數據，以便於其優化設計
，使其設計能夠在目標應用電壓
、電(dian)流(liu)和(he)負(fu)載(zai)條(tiao)件(jian)下(xia)運(yun)行(xing)。這(zhe)些(xie)數(shu)據(ju)可(ke)加(jia)快(kuai)設(she)計(ji)流(liu)程(cheng)，幫(bang)助(zhu)工(gong)程(cheng)師(shi)在(zai)第(di)一(yi)次(ci)就(jiu)能(neng)夠(gou)進(jin)行(xing)正(zheng)確(que)的(de)布(bu)局(ju)，而(er)不(bu)用(yong)擔(dan)心(xin)是(shi)否(fou)需(xu)要(yao)昂(ang)貴(gui)的(de)項(xiang)目(mu)變(bian)更(geng)。

GaN 和射頻前端

早期，GaN 被用作放大射頻前端 (RFFE) 發射信號的 PA
，主要裸片形式提供或用作法蘭晶體管。但將 GaN 用於其他 RFFE 組件也會帶來明顯的好處。如今
，GaN 還作為單獨的分立元件或 MMIC 用於低噪聲放大器 (LNA)、混頻器和開關。本節將回顧 GaN 用於這些 RFFE 組件所帶來的好處。

GaN PA

GaN 是(shi)實(shi)現(xian)大(da)多(duo)數(shu)高(gao)功(gong)率(lv)應(ying)用(yong)所(suo)需(xu)功(gong)率(lv)水(shui)平(ping)和(he)效(xiao)率(lv)的(de)首(shou)選(xuan)。它(ta)可(ke)在(zai)非(fei)常(chang)小(xiao)的(de)外(wai)設(she)中(zhong)實(shi)現(xian)出(chu)色(se)的(de)耐(nai)久(jiu)性(xing)和(he)較(jiao)高(gao)的(de)飽(bao)和(he)功(gong)率(lv)。此(ci)外(wai)，它(ta)還(hai)提(ti)供(gong)許(xu)多(duo)無(wu)線(xian)基(ji)站(zhan)、商業和軍事雷達應用等所需的高效率。

GaN 開關

GaN 開關適用於許多射頻開關應用。它們具有高擊穿電壓、低導通電阻和低斷開狀態電容。這顯著提高了其電源處理能力。

砷化镓 (GaAs) 場效應晶體管 (FET) 開關廣泛應用於射頻行業，通常用於功率水平為幾瓦或更少的應用。GaN FET 可以使用相同的電路架構來處理更高的功率水平（幾十瓦）。GaN 開關可實現較低的開關損耗、較高隔離度
、較高線性度和出色的功率處理能力。隨著對更高電流

、電壓能力、功率密度、溫度
、效率和頻率範圍係統的需求，矽基開關即將接近其極限。因此，在需要這些獨特功能的應用中，GaN 開關開始取代矽開關。

GaN LNAs

GaN LNA 的功耗通常比 LNA 替代技術更低。選擇將 GaN 用於 LNA 可降低噪聲係數
，並提高 LNA 所需的輸入功率穩定性。

通常情況下
，GaN 器件可耐受 2-4 瓦的輸入功率水平。在許多應用中，高輸入功率性能尤為重要。例如 ：在(zai)許(xu)多(duo)雷(lei)達(da)應(ying)用(yong)中(zhong)
，在(zai)輸(shu)入(ru)端(duan)增(zeng)加(jia)一(yi)個(ge)限(xian)幅(fu)器(qi)或(huo)循(xun)環(huan)器(qi)可(ke)以(yi)降(jiang)低(di)高(gao)輸(shu)入(ru)功(gong)率(lv)對(dui)接(jie)收(shou)器(qi)可(ke)能(neng)產(chan)生(sheng)的(de)影(ying)響(xiang)。這(zhe)確(que)實(shi)有(you)助(zhu)於(yu)保(bao)護(hu)接(jie)收(shou)器(qi)，但(dan)會(hui)增(zeng)加(jia) LNA 處的噪聲。這種限幅器或循環器方法也會降低接收器的靈敏度
，從而對信號覆蓋範圍
、吞吐量和性能產生不利影響。相比之下，GaN LNA 的極高輸入功率性能意味著不需要使用限幅器或循環器，從而有助於提高接收器的整體性能。 

GaN 混頻器

基於 GaN 的混頻器具有高線性度
，且與基於 GaAs 的混頻器相比，可以處理更多的輸入功率。通常情況下，這些基於 GaN 的高端混頻器用於國防、衛星通信和儀表應用。GaN 的可用性為設計工程師在設計 RFEE 時提供了另一種可用技術。利用 這項附加技術可帶來更多機會。

GaN 係統可靠性評估

眾所周知，GaN 比bi其qi他ta技ji術shu更geng可ke靠kao，主zhu要yao歸gui因yin於yu其qi獨du特te性xing能neng

，如ru可ke靠kao的de高gao功gong率lv功gong能neng和he散san熱re穩wen定ding性xing。即ji便bian如ru此ci，對dui於yu設she計ji人ren員yuan來lai說shuo，還hai必bi須xu圍wei繞rao該gai技ji術shu創chuang建jian一yi個ge功gong能neng強qiang大da的de解jie決jue方fang案an，以yi獲huo得de最zui佳jia係xi統tong可ke靠kao性xing。

與yu所suo有you功gong率lv晶jing體ti管guan技ji術shu一yi樣yang，謹jin慎shen的de熱re設she計ji是shi確que保bao可ke靠kao運yun行xing的de關guan鍵jian。支zhi持chi高gao電dian壓ya和he高gao效xiao率lv的de關guan鍵jian在zai於yu將jiang熱re量liang從cong器qi件jian中zhong排pai出chu，從cong而er將jiang結jie溫wen保bao持chi在zai可ke接jie受shou範fan圍wei
，以yi實shi現xian可ke靠kao運yun行xing。這zhe可ke以yi通tong過guo精jing確que的de熱re測ce量liang和he選xuan擇ze具ju有you最zui佳jia熱re性xing能neng的de基ji板ban材cai料liao來lai實shi現xian

，該gai基ji板ban材cai料liao可ke以yi立li即ji將jiang設she備bei的de熱re量liang排pai到dao散san熱re器qi上shang。

銅塊技術是散熱器的替代散熱解決方案。利用該方法，可在製造過程中將銅塊嵌入到 PC 電路板 (PCB) 中，以實現從晶體管到安裝了 PCB 的載體的高效熱傳遞。與更昂貴的散熱器或風扇相比，這種經濟高效的方法可實現更好的熱傳遞。

盡管銅塊冷卻方法可以實現實質性的器件問題改進
，但對射頻性能的影響比較小。此外
，必須高度注意，以確保 PCB 表麵保持平坦，並在銅塊和器件封裝的接地焊盤之間形成良好接觸。

GaN 與 TWTA 之比較

GaN 工藝使用商用材料和可實現最佳可靠性、低成本和高性能的製造平台，如表 3-1 中所示。因此，與傳統的行波管放大器 (TWTA) 技術相比
，碳化矽 (SiC) 基 GaN 和矽 (Si) 基 GaN 可向工程師提供成本更低且具有競爭力的可靠解決方案。

例如，實踐證明
，在要求使用千兆赫工作頻率範圍的商業和軍事雷達應用中
，GaN 是理想解決方案，特別是在發射階段。它已經在許多應用中取代了 TWTA。如今，使用有源電子掃描陣列 (AESA) 和相控陣模塊的軍事雷達可受益於 GaN
，特別是因為它們可以使用 MMIC 技術
，從而簡化和縮小設計。

匹配 GaN 散熱性能與應用

提ti高gao功gong率lv意yi味wei著zhe增zeng加jia熱re管guan理li挑tiao戰zhan。高gao工gong作zuo溫wen度du會hui導dao致zhi器qi件jian性xing能neng下xia降jiang，服fu務wu壽shou命ming縮suo短duan。因yin此ci，設she計ji工gong程cheng師shi會hui始shi終zhong評ping估gu熱re因yin素su的de影ying響xiang
，以yi消xiao除chu器qi件jian和he係xi統tong層ceng麵mian的de潛qian在zai問wen題ti。

許多需要在高溫和極端環境下運行的應用都在考慮使用 GaN，因為它具有出色的散熱性能。GaN 極高的運行通道溫度 (225℃ ) 使係統設計人員可以不用從散熱角度進行設計。例如
，當使用橫向擴散金屬氧化物半導體 (LDMOS) 或 GaAs 實現時，一些需要液體冷卻的應用可以在使用 GaN 時轉而采用空氣冷卻。

盡管 GaN 的(de)散(san)熱(re)性(xing)能(neng)優(you)於(yu)許(xu)多(duo)半(ban)導(dao)體(ti)技(ji)術(shu)

，但(dan)工(gong)程(cheng)師(shi)仍(reng)必(bi)須(xu)充(chong)分(fen)了(le)解(jie)散(san)熱(re)設(she)計(ji)和(he)分(fen)析(xi)，以(yi)便(bian)構(gou)建(jian)穩(wen)定(ding)可(ke)靠(kao)的(de)最(zui)終(zhong)產(chan)品(pin)。在(zai)進(jin)入(ru)產(chan)品(pin)設(she)計(ji)展(zhan)示(shi)之(zhi)前(qian)，完(wan)全(quan)了(le)解(jie) GaN 的散熱性能至關重要。

估算 TCH,MAX

GaN 等半導體的可靠性是通過估算器件的最高信道溫 (TCH, MAX)，進而估算器件的生命周期來確定的。這些數值是通過測量熱阻、器件功耗和熱傳遞，並據此建模來獲取的。對於半導體器件，主要使用紅外 (IR) 成像顯微鏡進行測量。這些紅外範圍有助於識別最終可能導致半導體上出現故障區域的設備熱點。

因為與大多數半導體材料相比，GaN 技術可以在更高溫度條件下運行，所以更準確地測量信道溫度至關重要。因此，一些 GaN 設計人員和半導體製造商選擇執行紅外掃描之外的額外測量。

為什麼
？空間分辨率限製、反射麵成像困難和芯片表麵結構（如空氣橋）限製了紅外成像在測量 GaN 信道溫度方麵的準確度。此外，即使獲得了準確的紅外圖像值，但最高信道溫度實際上是器件柵級下方某個位置的值

，如右圖 3-2 所示。

為了獲得更準確的信道溫度測量值，一種方法是使用熱模型分析方法（也稱為有限元分析 (FEA)）。使用三維模型或 FEA jiehexianweilamanrechengxiangjishu
，bingjiangzhexiejieguoyushepinceshihehongwaichengxiangjinxingbijiao
，congerhuodezhunquederezhi。shiyongzhezhongzuheshujuji，keyiquedingfengzhuangqijiande FEA 模型
，從而提供準確的 TCH, MAX. 此外，如左圖 3-2 所suo示shi，與yu紅hong外wai圖tu像xiang光guang斑ban尺chi寸cun測ce量liang不bu同tong的de是shi，微wei型xing拉la曼man光guang斑ban尺chi寸cun支zhi持chi在zai柵zha極ji下xia的de不bu同tong位wei置zhi更geng精jing確que地di測ce量liang溫wen度du。這zhe可ke實shi現xian更geng精jing確que的de峰feng值zhi信xin道dao溫wen度du測ce量liang。

圖 3-2 ：使用顯微拉曼熱成像技術測量 TCH、MAX。

xianweilamanrechengxiangjishushiyizhongjiyulamansansheguangpudefeiqinrushiguangxuejishu，keshixianyaweimikongjianneidewenduceliang，shijianfenbianlvkedanamiaojibie。tatancecailiaozhongyouwenduyinqide、聲子相對於基準聲子頻率的偏移（聲子頻率在環境溫度下測定）。

為計算器件的預期使用壽命，確定器件的真正 TCH, MAX 是一個多步驟過程。首先，通過構建三維熱模型或進行有限元分析 (FEA)
，並bing與yu采cai用yong顯xian微wei拉la曼man熱re成cheng像xiang等deng技ji術shu得de到dao的de實shi證zheng測ce量liang結jie果guo進jin行xing比bi較jiao，確que定ding信xin道dao溫wen度du。然ran後hou通tong過guo射she頻pin測ce試shi和he紅hong外wai成cheng像xiang進jin行xing驗yan證zheng
，並bing使shi用yong組zu合he數shu據ju獲huo取qu GaN 信道溫度和器件可靠性的準確測量值。

FEA 是測量 GaN 的真正信道溫度和器件可靠性的組合方法。這是一種三管齊下的方法，通過器件背麵溫度
、裸片或產品貼裝的測量值以及紅外成 來創建 FEA 模型，從而準確估算 GaN 器件的使用壽命。

查看如何實現

想要查看該方法的詳細說明
？請觀看視頻教程“了解 GaN 熱分析”，網址：www.qorvo.com/design-hub/videos/understandinggan-thermal-analysis。

連續波與脈衝工作

另一個需要考慮的重要設計和可靠性因素就是 GaN 器件在係統中的運行方式。器件是始終開啟（連續波 [CW] 工作）還是通過脈衝開啟和關閉（脈衝波工作）。每一種工作方法都會影響 TCH, MAX 值，這取決於具體的工作條件
，並隨著所選脈衝寬度和占空比的變化而變化。例如：在 CW 工作期間，係統達到熱穩定狀態運行後，TCH, MAX 達到最高點。

GaN 封裝形式評估

GaN 可以采用裸片形式，也可以采用一些封裝形式 ：預匹配晶體管

、內部匹配場效應晶體管 (IMFET)、功率放大器模塊 (PAM) 或 MMIC。每種形式都有其優點和利弊權衡

，如圖 3-3 中所示。每一種形式都可以為特定應用提供一流的熱、尺寸和參數性能。

圖 3-3 ：GaN 形式類型比較

以下是如何使用這些 GaN 形式類型的快速說明 ：

» 未匹配或預匹配晶體管 ：這些器件適用於工程師需要設計靈活性的應用
，例如 ：能夠優化係統以滿足特定頻率範圍或帶寬要求。這些器件還允許工程師使用 Doherty PA 設計來創建解決方案，如 5G 遠程無線電頭端或高級陣列係統設計。

» IMFET ：這些是適用於大功率解決方案的分立式晶體管或電源棒。這些內部匹配的 GaN FET 常用於雷達和無線基礎設施應用中。

» PAM ：PAM 旨在支持大功率應用，如商用 5G 多輸入多輸出 (MIMO) 和國防雷達。它們是內部匹配 50 歐姆輸入和輸出的兩級或多級放大器。它們是專門為減小係統的尺寸
、重量
、功率和成本 (SWaP-C) 而設計的
，同時可簡化設計
，並縮短上市時間。

» MMIC 和前端模塊 (FEM) ：這些可以將多個功能集成到一個小型封裝內的同一裸片上。MMIC 通常用於高頻率操作應用，其中功率附加效率 (PAE) 和低射頻損耗是重要的係統目標。FEM 為係統級封裝 (SIP) 解決方案，有助於設計人員利用 GaN 的高功率密度、熱導率和小尺寸。

探索 GaN 係統設計和實現

像 GaAs 這樣的成熟技術可以支持大帶寬和高頻頻段
，但它們的功率密度比 GaN 低。因此
，對於可接受每個元件更低的傳輸功率，且接收鏈噪聲數字比較關鍵的應用，GaAs 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 仍是發射和接收組件的可行解決方案。

GaAs 柵極長度繼續減少，有助於降低噪聲係數，從而可以擴大射頻範圍，提高靈敏度。在所有其他因素保持不變的情況下，GaAs 上較短的柵極長度有助於提高性能，但這是以犧牲靜電放電 (ESD) 靈敏度和輸入電源生存性為代價的。然而，與 GaAs 相比，GaN on SiC 具有帶寬寬


、功率密度更高以及輸入功率更高的優點，有助於提高生存性，降低噪聲係數。此外，GaN 的高輸入阻抗允許在係統上輕鬆實現射頻匹配。

使用功率密度更高的 GaN 晶體管可簡化設計


，並減少係統中的匹配組件。這也意味著
，與 GaAs 和 LDMOS 相比，使用的係統組件更少，從而可以降低射頻鏈損耗。GaN 具有更高的發射功率和較低的接收噪聲係數
，可以實現更長的射頻範圍和更高的信號分辨率。

在雷達應用中

，這意味著係統可以看到更遠處的較小目標

，從而有更多的時間對目標的移動作出反應。傳統雷達係統要求短脈衝寬度、窄瞬時帶寬和較小的占空比。而如今
，所有雷達頻段都有一個驅動，可以將占空比增加三到五倍
，達到 50% 或更高占空比，在某些情況下接近連續波操作。

雷達 AESA 係統可能會使用數百到數萬個放大器。使用 GaN 可提高每個陣列元件的功率，從而擴大範圍。或者
，與 GaAs 和 LDMOS 等其他技術相比
，每個元件可以使用更少的 GaN 器件來實現所需的輸出功率
，從而降低成本和複雜性。

GaN PA 在飽和狀態下具有最高效率。對於線性度
，則相反 ：當輸出功率較低或為回退模式時，工作的線性度最高。在 5G 係統中，線性度是一個關鍵參數。所以，為使高功率 5G 高級天線係統 (AAS) 的線性度最大化，可使用一種稱為數字預失真 (DPD) 技術（見圖 3-4）。

5G 基站的 PA 通常進行了效率優化
，同時需要實現 50% 至 70% 的 PAE。然後可使用 DPD 來lai補bu償chang線xian性xing度du。由you於yu信xin號hao輸shu出chu功gong率lv和he相xiang關guan能neng耗hao較jiao高gao，所suo以yi效xiao率lv至zhi關guan重zhong要yao。附fu加jia好hao處chu在zai於yu
，這zhe些xie係xi統tong運yun行xing的de溫wen度du更geng低di
，這zhe一yi點dian很hen重zhong要yao，因yin為wei它ta們men安an裝zhuang在zai基ji站zhan天tian線xian的de頂ding部bu，而er不bu是shi在zai結jie構gou底di部bu的de空kong調tiao建jian築zhu內nei。

圖 3-4 ：DPD 和 Doherty PA 配置。

DPD 是一種利用數字信號處理技術消除失真的硬件和軟件解決方案。它使設計者能夠優化 PA 以降低功耗，同時最大限度地提高輸出功率，實現高線性度。

了解 GaN Doherty PA 和數字預失真

通過利用一些創新型射頻係統，如 5G 基站，我們可以提高 PA 輸出水平、效率和線性度。為了一次性有效地獲得這三個參數，使用 DPD 是有益的。DPD 還可以最小化帶外 PA 失真。

許多 GaN PA 使用 Doherty 配置來提高回退輸出功率條件下的器件效率。通過使用 Doherty 配置，工程師可以最小化係統功耗
，並獲得 60% 或更高效率（在回退輸出功率下）
，同時顯著降低運行耗電量大的 PA 係統所需的能量。使用 Doherty 時

，DPD 至關重要。如圖 3-4 中所示
，使用 DPD 和 Doherty 配置可實現更高效率和線性度。

高壓 GaN 檢查

對於有些應用來說，獲得最高輸出功率至關重要。如前所述，PA 在接近飽和或峰值輸出功率時效率最高。增加 GaN 晶體管的漏極電壓可提高飽和條件下的功率輸出。然而，該技術可能適用於某些應用，但並不適用於其他應用。

雷達就是高壓 GaN 開拓新時代中的一個應用。雷達係統通常需要實現幾百到幾千瓦的功率放大。它們通過組合多個固態功率晶體管或使用 TWTA 來實現千瓦級放大。

通過使用更高的工作電壓，GaN 技術可以用比其他技術更少的晶體管來實現這些輸出功率水平。例如，在 65 V 工作電壓下
，GaN keyizaibaochijiaodisanreyaoqiudeqingkuangxiashixianqianwafangda。ciwai

，yuqitajishuxiangbi，tawaixinggengxiaoqiao，bingqiekeyishiyonggengshaodejingtiguangengkekaodishixiandiwoshibiehejuliceliangdejunshimubiaocanshu。

作為附加好處
，高電壓 GaN 可降低設計複雜性，因為它需要更少的晶體管來實現高功率水平。這些高電壓
、高功率晶體管的效率也很高，在某些情況下可實現 70% 至 80% 的效率。

下麵是高電壓 GaN 的一些關鍵優勢 ： 

» 高功率密度 ：它可減少晶體管數量
，以及整體組件大小和重量。

» 更低功耗 ：它可以減少係統級電流損耗和對電源的需求。

» 更簡單的匹配能力 ：可在保持可用輸出阻抗的同時，提高輸出功率。

如今，GaN 被設計為 28-32、48-50 或 65 V 漏極偏置（見圖 2-2），但我們正在為新市場和現有市場探索更高的電壓範圍
，以便在係統中實現進一步的性能提升。

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