【導讀】GaN HEMT 為功率放大器設計者提供了對 LDMOS
、GaAs 和 SiC 技術的許多改進。更有利的特性包括高電壓操作
、高擊穿電壓、功率密度高達 8 W/mm、fT 高達 25 GHz 和低靜態電流。另一方麵，GaN RF 功率器件具有自加熱特性，並且元件參數的非線性與信號電平
、熱效應和環境條件之間存在複雜的依賴關係。這些因素往往給準確預測器件大信號性能造成更多困難。

為了確保器件性能，測試設備通常用於測量器件在所需應用中的性能，但這種傳統方法存在缺點：需要開發測試硬件，並且必須進行耗時的負載牽引測量。

出於若幹原因
，比物理測試更受青睞的是
，與實際器件的測量性能緊密匹配的大信號模型。它降低了開發成本，允許進行更深入的“假設”分析，以在進行後續工作之前確定器件是否合適
；基於縮短的表征時間和將布局優化與最終性能聯係起來的能力
，帶來更短的設計周期。結果是讓更多設計首次測試便獲得通過。

#1 Wolfspeed GaN HEMT 大信號模型特性 

Wolfspeed 為其基於 SiC 襯底的 GaN HEMT 器件開發了極其精確的 3 端口大信號模型，該 GaN HEMT 器件具有高效率、高增益和匹配相對更容易的特點。

圖 1：Wolfspeed 3 端口大信號 HEMT 模型和 FET 等效電路

圖 1 顯示了大信號模型原理圖和本征 FET 等效物。該模型基於已確立的等效電路方法。數據提取相對簡單；Wolfspeed 使shi用yong各ge種zhong測ce試shi夾jia具ju和he測ce試shi電dian路lu，包bao括kuo基ji波bo和he諧xie波bo上shang的de負fu載zai牽qian引yin。在zai各ge種zhong頻pin率lv和he器qi件jian尺chi寸cun下xia
，還hai驗yan證zheng了le大da信xin號hao負fu載zai牽qian引yin和he功gong率lv驅qu動dong，以yi確que保bao精jing確que的de大da信xin號hao縮suo放fang。

weilechenggongdiandabilisuofang，bixujiangdanweijinggemoxingyusuoyoucaozuoquyudeceliangshujufeichangzhunquedipipeiqilai。youlezhunqueqiekekuozhandedaxinhaomoxing，jiukenengshejichugengdagonglvdejingtiguan。3 端口 HEMT 模型在比例因子大於 100 比 1 的設計中取得了成功。非線性模型在使用 CW 條件進行測量的偏壓範圍內擬合小信號參數。

除了三個 FET 端口（柵極、源極和漏極）之外，該模型還提供本征漏電流和漏電壓波形以及芯片結溫。在設計複雜的 PA 架構（如 F 類）時，本征漏電流和電壓波形至關重要

，因為它們允許設計者優化基本頻率和諧波頻率下的器件匹配。

genjuxuyao，gaimoxinghaijuyoudangeyuanjiandeneizhiguochenglingminduhefeixianxing。liru，loudianliuyuanshiqijianfeixianxingdezhuyaoyinsu。zhajidianliugongshibaokuojichuanhezhengxiangchuandao
，jishengdianrongdesuoyoudianyabianhuadouyanshengzidianhegongshi。

準確的封裝模型是另一關鍵因素。已經開發了一種封裝寄生互連的物理衍生建模方法，該方法包括許多不同的工具
，其中包括 s 參數。

#2 模型數據與測量數據的比較

小信號和大信號行為建模的準確性至關重要。

小信號建模對於設計者預測功率放大器設計方案的增益、回波損耗和穩定性很關鍵。Wolfspeed 模型根據不同柵寬
、指尖數和偏壓範圍上的測量數據進行評估，以確保所有三個關鍵領域的模型精度：DC-IV、小信號和大信號行為。

圖 2：建模（紅色）和物理（藍色）器件性能之間小信號

（左側）和大信號（右側）圖的比較

圖 2 比(bi)較(jiao)了(le)紅(hong)色(se)的(de)建(jian)模(mo)數(shu)據(ju)和(he)藍(lan)色(se)的(de)測(ce)量(liang)數(shu)據(ju)。左(zuo)側(ce)的(de)史(shi)密(mi)斯(si)圖(tu)顯(xian)示(shi)，在(zai)不(bu)同(tong)的(de)柵(zha)寬(kuan)和(he)偏(pian)壓(ya)值(zhi)上(shang)，建(jian)模(mo)數(shu)據(ju)在(zai)幅(fu)值(zhi)和(he)相(xiang)位(wei)上(shang)都(dou)與(yu)測(ce)量(liang)數(shu)據(ju)非(fei)常(chang)接(jie)近(jin)。對(dui)於(yu)一(yi)係(xi)列(lie)不(bu)同(tong)的(de)電(dian)流(liu)偏(pian)壓(ya)條(tiao)件(jian)，這(zhe)兩(liang)種(zhong)結(jie)果(guo)非(fei)常(chang)接(jie)近(jin)。

最大增益 Gmax 的精確建模對於設計者了解給定應用的最大可用增益以及展現器件在頻率上的性能至關重要。右側的 Gmax 圖與測量數據密切相關。

模型必須以 VDS 跟蹤 IV 行為，以正確描述器件的大信號性能。了解 DC IV 特性是 RF PA 設計非常重要的一個方麵。

GaN 器件在柵極脈衝開關過程中
，由於表麵陷阱電荷的存在，膝跳和電流崩潰是常見現象。作為模型提取過程的一部分，建模行為與脈衝 IV 數shu據ju相xiang關guan。在zai各ge種zhong頻pin率lv和he器qi件jian尺chi寸cun下xia，還hai驗yan證zheng了le大da信xin號hao負fu載zai牽qian引yin和he功gong率lv驅qu動dong，以yi確que保bao精jing確que的de大da信xin號hao縮suo放fang。負fu載zai牽qian引yin曲qu線xian讓rang設she計ji者zhe了le解jie需xu要yao向xiang器qi件jian提ti供gong什shen麼me阻zu抗kang才cai能neng實shi現xian所suo需xu的de功gong率lv和he效xiao率lv。

圖 3：大信號測量數據與模型仿真的比較

圖 3 中的曲線圖顯示，建模的增益和 PA 效率都和測量數據非常吻合，遠超 1 dB 和 3 dB 壓縮點。這對於 GaN 器件至關重要
，因為與等效 LDMOS 器件不同，GaN HEMT 往往會產生超過 3 dB 壓縮點的最大額定功率輸出。

可訪問 Wolfspeed GaN RF 大信號模型界麵，其中討論了如何使用該模型來優化 PA 應用。給出了兩個示例。

當功率放大器調整為最大輸出功率時，DC IV 圖顯示負載線傳過器件的最大電流為 350 mA。

第(di)二(er)個(ge)應(ying)用(yong)使(shi)用(yong)該(gai)模(mo)型(xing)進(jin)行(xing)調(tiao)整(zheng)以(yi)達(da)到(dao)最(zui)大(da)效(xiao)率(lv)。在(zai)此(ci)應(ying)用(yong)中(zhong)
，負(fu)載(zai)線(xian)穿(chuan)過(guo)器(qi)件(jian)耗(hao)散(san)最(zui)小(xiao)功(gong)率(lv)的(de)點(dian)，以(yi)獲(huo)得(de)可(ke)接(jie)受(shou)的(de)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)。結(jie)果(guo)表(biao)明(ming)，雖(sui)然(ran)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)下(xia)降(jiang)了(le) 1 dB，但與最大功率情況相比，效率提高了 15%。溫度端口顯示溫度僅增加 12 攝氏度

，而不是原先設計為最大功率時溫度增加了 60 攝氏度。

在這兩種情況下，建模數據軌跡都與測量數據非常接近。

為了更好地了解大信號模型負載牽引數據驗證的過程，請參閱該應用說明。

#3 結論

Wolfspeed 開發了大信號 RF 模型，證明了與測量數據之間極其準確的一致性。Wolfspeed 的代工廠（Foundry）業務使用這些模型來確保更短的循環時間
、更高的可靠性和更多首次便通過測試的設計。

設計者獲得的益處包括降低開發成本、減少 PA 設計迭代次數和更高的首次通過成功率。

最大的利好在於
，這些模型可以免費提供給符合條件的企業。

有關更多信息
，敬請訪問 Wolfspeed GaN RF 大信號模型界麵：

https://www.wolfspeed.com/tools-and-support/rf/large-signal-models/

英文原稿，敬請訪問：

https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/gan-hemt-large-signal-models/

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