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从氮化镓晶体管表征到系统级应用：复杂而艰巨的旅程

Nicolas Labrousse and Wissam Saabe, AMCAD Engineering

电信业的发展经历了一系列重大变革，在高效射频功率放大器(PA)、5G及更先进的无线技术和物联网等关键领域取得了重大进展。这些进步得益于晶体管技术的不断改进，以及功率密度更高的GaN HEMT晶体管的日益广泛应用。这些发展带来了更高的集成度，并支持5G和6G应用所需的高频段。使用先进的设计工具和可靠的仿真软件，工程师可以准确、高效地开发初始设计。

GaN HEMT晶体管的紧凑建模

紧凑型模型以电测量结果为基础。这种建模方法的优点是执行速度快、可扩展性强，并且可以添加额外的影响因素。这些影响因素可能包括外部温度、自热以及捕获效应等。

GaN HEMT晶体管的典型拓扑结构如图1所示。¹ 该模型由外在参数组成，考虑了栅极和漏极电容以及栅极、漏极和源极电阻和电感特性。该模型集成了处理电容、二极管和输出电流源的线性和非线性模型。附加的热模型可计算瞬时耗散功率。然后，通过多单元RC电路，利用耗散功率来评估结温变化。最后，还插入了一个捕获模型，用于根据捕获和发射等瞬态现象监控输出电流源。

图1：AMCAD紧凑型建模工具预发布的GaN HEMT晶体管模型。

值得一提的是，非线性建模使用的是Verilog-A代码。这一标准在许多EDA工具中得到广泛应用，便于在不同软件平台之间传输。有了紧凑的建模提取，就有必要进行各种类型的测量，以提取不同的模型参数。

表征用于射频应用的GaN HEMT晶体管

I-V特性对于估计射频功率晶体管的性能至关重要。²为了克服自热问题，表征是在脉冲模式测量中进行的。脉冲I-V系统与矢量网络分析仪(VNA)相结合，可获得每个脉冲偏置点的散射参数。利用这种技术，可以从所有I-V特性中提取线性模型，并推导出非线性模型。

热效应是射频功率晶体管的关键问题。³在处理可能具有短期和长期记忆效应的调制信号时，这些效应尤为重要。目前已开发出测量这些热效应的电学方法。这些技术基于在不同卡盘温度下进行的脉冲和/或直流I-V测量。其目的是将导通电阻、栅极或漏极电流等给定参数作为耗散功率和卡盘温度的函数进行表征。

陷阱现象是氮化镓HEMT晶体管需要考虑的另一个重要方面。陷阱对氮化镓技术的可实现性能有重大影响。这些陷阱来自晶格或表面的杂质或缺陷。采用脉冲模式测量技术可以在避免热效应的同时，对元件中陷阱引起的瞬态效应进行表征。

GaN HEMT晶体管的紧凑模型提取与仿真

提取紧凑型模型的过程是循序渐进的。这一过程涉及CAD软件，该软件可嵌入直流、交流、瞬态、谐波平衡和其他不同类型的仿真引擎。利用这些工具，可以在接近实际特性测量的条件下计算模型的电路响应。

模型提取过程首先要确定线性和非线性模型元件。⁴ 这些元件包括二极管、输出电流源和非线性电容器。然后，添加热模型和陷阱模型。⁵通过瞬态仿真，可以获得模型对脉冲刺激的响应。

最后，将该模型与使用基于VNA的负载-牵引系统获得的大信号测量结果进行比较。谐波平衡分析用于计算周期性稳态响应，以获得不同负载阻抗和接近最终应用条件下的AM-AM和AM-PM特性。图2a显示了在负载阻抗导致最大输出功率压缩3dB增益时，建模和测量的大信号性能和等值线的比较。图2b显示了相同的建模和实测大信号性能以及负载阻抗下的等值线，该负载阻抗可在3dB压缩时产生最大功率增加效率（PAE）。测量是在3.6GHz频率下，在具有四个栅极指和220µm栅极宽度的GaN-on-SiC HEMT器件上进行的。等值线显示测量结果与模型之间存在良好的一致性。图形显示了输出功率(P_out)、PAE、增益(G_p)和输出电流(I_out)与特定负载阻抗下的输入功率(P_in)的函数关系图。

图2：(a)压缩3dB增益时的大信号性能。(b)压缩3dB增益时的PAE性能。

这些结果是模型工程师和设计工程师的宝贵信息来源。根据这些结果，可以对模型进行调整，使其更符合实际结果。得益于Verilog-A格式的多功能性，模型可以在这一步交给设计工程师，以完成射频PA的设计。

晶体管级到系统级仿真

EDA软件的最新进展彻底改变了日益复杂的电路设计。这既满足了日益复杂的现代电信技术的需求，也使其得以实现。例如，Doherty放大器等先进拓扑结构的采用提高了效率，但也使设计挑战更加复杂。现在，设计人员可以利用这些工具，在实际生产开始之前就对每个元件的性能进行细致的仿真和优化。这样做的目的是利用所有这些准备工作，实现全面的系统级评估，确保所有元件在预定的系统架构内协调运行。

行为模型在射频系统的整个设计周期中至关重要。最初，这些模型通过创建一个数字孪生模型来指导选择合适的现成元件，从而促进系统元件的规范化。随着设计周期的推进，这些模型成为信号处理算法、数字预失真技术和控制系统开发人员的宝贵工具。通过这些工具，开发人员可以根据实际和全面的电路损坏情况测试他们的解决方案。这种测试有助于确保系统的有效性和稳健性。最后，在系统组装之前，数字孪生模型会根据新设计的电路进行更新，从而进入初步验证阶段，将各种原型的测量结果纳入其中。

举例来说，现代通信信号中的峰均功率比（PAPR）很高，会引起强烈的振幅波动。这些振幅波动经PA等非线性器件放大后会导致信号失真。行为建模提供了一种可扩展的解决方案，可对PA的非线性、记忆效应和对不同信号条件的动态响应进行表征，而无需进行大量的物理原型设计。

PA行为模型提取和仿真

从EDA工具中的电路设计开始，可以在晶体管级别对PA进行建模，以确保捕捉到电子相互作用的每一个细微差别。这些设计通常在各种条件下进行仿真，其中可能包括扫描CW输入信号的功率和载波频率以及PA的负载阻抗，以生成能更好地描述放大器行为的综合数据集。图3a显示了带有参数化负载阻抗的2.65GHz PA负载-牵引增益特性的测量与建模响应。图3b显示了同一放大器在P_in=23dBm时的增益等值线的测量值与模型值的一致性。两图中显示的出色一致性部分归功于行为模型，它忠实地再现了为电信基站设计的PA的非线性特性。除非线性特性外，该模型还考虑了有源天线结构中可能引入的失配。

图3：(a) 2.65GHz时的CW增益。(b) P_in=23dBm时的CW增益等值线。

这些数据为行为模型提取奠定了基础，行为模型提取将PA的响应抽象为一个对象，可用于系统级仿真。提取行为模型需要对PA进行全面分析，尤其是描述其对调制信号的响应。这些信号通常会表现出受低频记忆效应影响的可变包络线。双音测试等技术有助于识别在一定频率和功率水平范围内表现出的非线性和记忆效应。

在科学文献中，Volterra序列等行为模型及其截断变体，如广义记忆多项式(GMP)，可有效捕捉给定信号的动态，并为PA线性化应用提供合适的框架。^6,7 这就要求在必要时根据信号特征的变化提取模型。对于系统仿真，则采用另一种与晶体管建模类似的方法。这种方法包括一次性提取系数，分别描述高频和低频的记忆效应。这被正式称为双路径记忆（TPM）模型或具有高频和低频记忆效应的单边大PA（HPA-U-HFLF）模型。⁸这种方法通过考虑预测所面临的各种信号特性，提高了预测的稳定性。这包括不同的PAPR水平，从小信号线性状态到显著的增益压缩，以及从kHz到几GHz的各种信号带宽。

图4显示了受16-QAM信号激励的PA下部和上部通道的ACPR测量和模型仿真结果，该信号的特点是4dB PAPR和50MHz带宽。结果显示出不对称现象，突出了PA的低频记忆效应。它们还显示了行为模型在较宽的平均功率范围内预测这些性能指标的能力。

图4：测量的和仿真的ACPR。

最近的工作使得在单一模型中考虑非线性以及高频和低频记忆效应和失配成为可能。这种增强型TPM模型，即具有高频和低频记忆效应的双边大PA（HPA-B-HFLF）模型，⁹首先在Keysight提供的PathWave ADS软件设计的PA电路上进行了测试。该模型通过谐波平衡仿真（负载-牵引和双音分析）提取，并使用带宽为160MHz的1024-QAM信号在包络瞬态仿真中进行了验证。该信号的PAPR为6.6dB，足以明显刺激PA的非线性响应特性。图5a显示了ACPR下部等值线，图5b显示了ACPR上部等值线。图6显示EVM等值线。这三幅图使用的是HPA-B-HFLF模型的仿真结果，测量时的平均输入功率为10dBm。这种新的行为模型使用不同的负载阻抗进行了测试，在预测频谱响应和关键指标（如图5所示的ACPR结果和图6所示的EVM结果）方面表现出了卓越的能力，适用于各种负载阻抗。

图5：(a)下部ACPR仿真结果。(b)上部ACPR仿真结果。

图6：EVM等值线

除了HPA-B-HFLF模型的性能外，仿真时间也被认为是合理的。与电路级仿真相比尤其如此。例如，使用HPA-B-HFLF模型仿真获得ACPR和EVM等值线的时间不到10分钟。而仅使用电路设计进行标称仿真则需要一个小时。仿真时间短是使用行为模型的主要原因之一。

结论

从氮化镓HEMT晶体管的表征到这些器件在实际系统中的应用，凸显了电信技术的巨大进步。这一进步说明，先进的建模和仿真技术在缩小微观电子行为与宏观系统性能之间的差距方面发挥着至关重要的作用。通过利用复杂的紧凑建模，工程师可以更准确地预测和优化PA的性能，从而开发出更高效、更强大的电信系统。此外，将行为模型集成到系统级评估中不仅能提高设计精度，还能缩短开发时间、降低成本，从而更快地投入市场。这种从晶体管级分析到系统级应用的综合方法，对于满足下一代无线技术不断增长的需求，确保新的电信基础设施既强大又可靠至关重要。

参考资料

1. C. Charbonniaud, A. Xiong, S. Dellier, O. Jardel and R. Quéré, “A Nonlinear Power HEMT Model Operating in Multi-bias Conditions,” 2010 European Microwave Integrated Circuits Conference Digest (EuMIC), pp. 34-137.
2. J. P. Teyssier, P. Bouysse, Z. Ouarch, D. Barataud, T. Peyretaillade and R. Quere, “40 GHz/150 ns Versatile Pulsed Measurement System for Microwave Transistor Isothermal Characterization,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 46, No. 12, December 1998, pp. 2043-2052.
3. J. A. Lonac, A. Santarelli, I. Melczarsky and F. Filicori, “A Simple Technique for Measuring the Thermal Impedance and the Thermal Resistance of HBTs,” 2005 European Gallium Arsenide and Other Semiconductor Application Symposium Digest, EGAAS, pp. 197-200.
4. G. Dambrine, A. Cappy, F. Heliodore and E. Playez, “A New Method for Determining the FET Small-Signal Equivalent Circuit,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 36, No. 7, July 1988, pp. 1151-1159.
5. O. Jardel, F. De Groote, T. Reveyrand, C. Charbonniaud, J.P. Teyssier, D. Floriot and R. Quéré, “An Electrothermal Model for AlGaN/GaN Power HEMTs Including Trapping Effects to Improve Large-Signal Simulation Results on High VSWR,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 55, No. 12, December 2007, pp. 2660-2669.
6. J. C. Pedro and S. A. Maas, “A Comparative Overview of Microwave and Wireless Power-Amplifier Behavioral Modeling Approaches”, IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques, Vol. 53, No. 4, pp. 1150-1163, April 2005.
7. D. Schreurs and al., RF Power Amplifier Behavioral Modeling, Cambridge, U.K: Cambridge Univ. Press, 2008.
8. E. Ngoya and S. Mons, “Progress for Behavioral Challenges”, IEEE Microwave Magazine, Vol. 15, No. 6, pp. 91-105, September 2014.
9. W. Saabe, C. Mazière, A. Delias, S. Mons, E. Ngoya, “RF Power Amplifier Model Extraction for Accurate and Fast Load Pull Simulations with Wideband Signals,” 103rd ARFTG Microwave Measurement Conference (ARFTG), Washington DC, USA, 2024.