一種GaN寬禁帶功率放大器的設計
0 引言
半導體功率器件按材料劃分大體經歷了三個階段。第一代半導體功率器件以Si雙極型功率晶體管為主要代表,主要應用在S波段及以下波段中。Si雙極型功率晶體管在L波段脈沖輸出功率可以達到數百瓦量級,而在S波段脈沖功率則接近200W。第二代半導體功率器件以GaAs場效晶體管為代表,其最高工作頻率可以達到30~100 GHz。GaAs場效應晶體管在C波段最高可輸出功率接近100W,而在X波段則可達到25 W。第三代半導體功率器件以SiC場效應晶體管和GaN高電子遷移率晶體管為主要代表。同第一代、第二代半導體材料相比,SiC和GaN半導體材料具有寬禁帶、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率以及抗輻射能力強等優(yōu)點,特別適合應用于高頻、高功率、抗輻射的功率器件,并且可以在高溫惡劣環(huán)境下工作。由于具備這些優(yōu)點,寬禁帶半導體功率器件可以明顯提高電子信息系統(tǒng)的性能,廣泛應用于人造衛(wèi)星、火箭、雷達、通訊、戰(zhàn)斗機、海洋勘探等重要領域。
本文基于Agilent ADS仿真軟件設計實現一款高效GaN寬禁帶功率放大器,詳細說明設計步驟并對放大器進行了測試,結果表明放大器可以在2.3~2.4 GHz內實現功率15W以上,附加效率超過67%的輸出。
1 GaN寬禁帶功率放大器的設計
1.1 放大器設計指標
在2.3~2.4 GHz工作頻段內,要求放大器連續(xù)波工作,輸出功率大于10 W,附加效率超過60%。
1.2 功率管的選擇
根據放大器要求的設計指標,設計選用的是某進口公司提供的SiC基GaN寬禁帶功率管,其主要性能參數見表1。
1.3 放大器電路設計
圖1為功率放大器原理框圖。圖1中,IMN&Bias和OMN&Bias分別為輸入匹配網絡及輸入偏置電路和輸出匹配網絡及偏置電路,VGS和VDS分別為柵極-源極工作電壓和漏極-源極工作電壓。采取的設計思路是:對功率管進行直流分析確定放大器靜態(tài)工作電壓;進行穩(wěn)定性分析和設計;利用源牽引(Source Pull)和負載牽引(Load Pull)方法確定功率管匹配電路的最佳源阻抗ZS和最佳負載阻抗ZL(ZS和ZL的定義見圖1);
根據獲得的源阻抗與負載阻抗進行輸入、輸出匹配電路設計以及偏置電路設計;加工、調試及改版。
1.3.1 直流分析
對功率放大器進行直流分析的目的是通過功率管的電流-電壓(I-V)曲線確定功率管的靜態(tài)工作電壓。由于廠家提供了功率管的ADS模型,因此設計中直接利用該模型進行仿真設計(下同)。
圖2為在Agilent ADS軟件中對器件模型進行直流分析的結果。根據廠家給出的器件規(guī)格參數以及圖2中的I-V曲線,選用VDS=28 V,VGS=-2.5 V作為放大器的工作電壓。為使放大器能夠實現較高的效率,這里選取靜態(tài)電壓讓放大器在C類條件下工作。
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