GaN HEMT非线性输出电容寄生参数研究

孙世滔，蔡 斐，李 川，吕国强*

(1.合肥工业大学特种显示技术教育部重点实验室，合肥230009;2.合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，合肥230009;3.合肥工业大学光电技术研究院，合肥230009)

射频功率放大器作为现代无线通信系统中最核心的部件之一，在保证功率的同时，对其效率指标的要求也越来越高。功放的高效率工作能保证系统的低损耗、低热量、高可靠性。GaN HEMT因高截止频率，高功率密度等优点，在高功率、高效率器件制造中的应用越来越普遍［1-2］，但其非线性寄生参数对器件性能的影响却不可忽略［3］。在设计过程中，非线性寄生参数的考虑与处理是影响放大器效率一个至关重要的因素，如果处理不好往往会导致效率功率变差，甚至影响整个系统的正常工作。所以研究GaN HEMT非线性寄生参数，提高功率放大器的效率是一项很有实用价值的研究活动。

近年来，学术界提出很多种提高功率放大器效率的设计方法，但其中很少有考虑到晶体管输出端寄生参数的设计思想。如开关类E类、F类和逆F类放大器［4-6］，三者在结构和原理上都比较相似，都是通过在晶体管输入输出端设计谐波控制电路，使谐波匹配到绝对的开路短路状态，以此控制漏极端输出电压电流波形来提高效率。但是，由于在设计中没有考虑到晶体管寄生输出电容Cout对地短路的影响，此开关类功放在高频大功率条件下很难将偶次及3次以上谐波匹配到应有的状态，这样就造成实际输出功率和效率比理论值下降很多。另外一种情况是考虑到了Cout的影响但把它当做线性来处理。Grebennikov［6］考虑到输出寄生电容影响，把它当做固定值代入解析法设计的功率放大器虽然具有相对较高的效率，但功率被极大压缩，在高效率的同时无法保证功率指标。2009 年，S.C.Cripps［7］提出的J类放大器也是假设输出寄生电容是线性的情况下设计的。因此J类放大器输出端电压电流波形具有一定的相位差，导致输出效率功率偏低，和传统的AB类放大器在效率和功率上相比无明显优势。

本文从理论和仿真两方面详细分析了大信号下晶体管非线性寄生输出电容Cout特性，选用Cree公司CGH40010 GaN HEMT，基于非线性模型分析结果，设计了S波段高效率功率放大器。实测结果显示该放大器在输出功率和效率方面都表现出优越性能，达到预期目标，验证了理论分析的可靠性。

1 非线性输出电容行为模式分析

功放高效率运行的关键在于晶体管输出波形的控制上，要使输出电压电流波形的重叠区域最小化，这样在晶体管内部损耗的功率就减小，效率也随之提高［5］。由于晶体管可看成电压控制的电流源，电流波形主要由输入电压和器件本身物理特性决定，所以输出电流波形里可含无限次谐波，而电压波形通常由电流和负载阻抗决定，因此电压控制的谐波次数一般只到3次。经理论分析［8］，利用晶体管非线性输出电容Cout和外部电路的共同作用能产生类似输出电压半正弦波电流方波，且波形之间几乎没有相位差，因此效率被大大提高。

图1 饱和放大器简化电路模型

为了说明Cout产生谐波电压原理，本文利用ADS仿真软件建立非线性等效电路模型对放大器电路和Cout进行分析。图1是饱和功率放大器的简化电路结构，晶体管模型包含两个必须的非线性部分:非线性输出电容Cout和漏极等效电流源。Cout代表了晶体管输出端非线性电容的总和，包括漏-源电容Cds，漏-栅电容Cgd。在GaN HEMT器件中，随着漏极电压的变化，Cds表现为轻微的非线性，Cgd却表现为高度的非线性。于是可以得到如下计算输出电容Cout的公式［9-10］:

其中，Cout0=1.9，A=1 192.4，B=-0.059 471 4，C=-2.946 96。图2所示为Cout随着漏极电压变化的特性曲线，随着漏极电压升高，Cout迅速减小直至趋向于某一定值。

图2 输出电容非线性特性曲线

图3 线性和非线性电容谐波电压产生特性

图3所示为利用ADS分析等效电路模型时线性和非线性电容产生电压的对比。Cout的值是基于Cree公司提供的裸芯CGH60015的ADS大信号模型。图3(a)为流经线性非线性Cout的电流，图3(b)、图3(c)分别为Cout两端合成电压波形在时域和频域

其中，Q(tx)是电容Cout经过时间tx的充电量，当有负电流i(t)时，Q(tx)减小，VDS(tx)也随着减小，所以Cout迅速增大。当电压接近最小值时，VDS(tx)因为电容Cout的迅速增大以及有限的驱动电流，所以改变不会太大。这也就是说Q(tx)/COUT(VDS(tx))在整个区域内会接近是一个常数，所以电压波形在低电压区会比较平滑，就如图3(b)中所示的半正弦波。

经理论分析得出结论，只要外部电路二次谐波阻抗大于非线性Cout阻抗，非线性输出电容就能产生半正弦电压波形［9］，所以二次谐波阻抗具有很大的选择余地。但为了得到输出端为电流方波，电压半正弦波的最大效率波形图，二次谐波需要匹配到一个特定的阻抗，对基波和二次谐波阻抗就要进行适当的调谐。

2 非线性输出电容仿真分析和实测

为了验证第1部分关于Cout原理分析的可靠性，本文选用Cree公司GaN HEMT CGH40010，即包含裸芯CGH60015的封装芯片，仿真分析并制作了一款S波段高效率放大器。

对晶体管大信号模型进行基波和谐波负载牵引，结果显示在图4中，要点归纳在表1中。的响应。可以看出，当只有基波的电流流经电容时，非线性电容Cout产生的电压波形包括基波和很大一部分二次谐波电压以及少量的高次谐波电压，这一点与线性电容很不一样。在包含大量二、三次谐波电流成分的饱和电流源流经真实器件时，也能观测到相同的现象［11］，这些结果清楚说明了二次谐波电压主要是由非线性Cout产生，而不是像传统的E类F类放大器一样，通过匹配外部谐波阻抗到短路断路，利用外部阻抗和电流来产生电压波形。晶体管可看成电压控制的电流源，所以电容两端的电压与流经电容的电流的积分是成比例的，可由下式表示:

图4 大信号模型基波谐波负载牵引效率功率图

表1 负载牵引功率效率与阻抗关系表

图4中4个图为对基波，谐波阻抗负载牵引效率与功率曲线图。可以看到，图4(b)中二次谐波阻抗在比较大的范围内都能得到高效率，这进一步说明了谐波电压主要由非线性电容Cout而不是谐波电流和阻抗产生［10］。虽然只要外部电路二次谐波阻抗大于Cout阻抗就能产生半正弦电压波形，但上文已提到，为了得到最优效率波形仍然需要确定合适的基波和谐波阻抗。从表1也可以看出，当对外部电路二次谐波进行控制时，效率有一个非常明显的提升，谐波阶次越高，提升效果越不明显。根据结果，最后把基波，二、三次谐波阻抗分别设定在(15.03+j19.56)Ω，(1.02+j68.8)Ω，(48.2+j646.3)Ω。设计结构简单的微带电路，利用ADS中S参数仿真调谐，将二、三次谐波阻抗分别调谐至设定的阻抗点。直接利用调谐的方法而不是解析计算［12］后再微调的方法可以摒弃繁杂的计算，使设计过程更加简单高效。

最后对基波源和负载阻抗进行匹配，其中对源阻抗负载牵引后发现，源谐波阻抗控制对效率没有明显的提升，加上谐波电路反而会使电路结构更复杂，所以对源阻抗只是进行了基波的共轭匹配，为了适当增加带宽，采用渐近线匹配。整个电路框图如图5所示。

图5 功率放大器整体电路简化图

根据仿真制作了一款高效率放大器，采用Rogers4350基板，介电常数3.48，实际设计值采用3.66，板厚30 mil。图6为放大器实物图，以下是各参数实测和仿真对比结果。

图6 功率放大器实物图

图7为漏极端电压和电流波形图，可以看到非常接近电压半正弦波电流方波的波形图，验证了理论分析的正确性。图8为Vgs=-3.3 V，Vds=28 V情况下，中心频率处，实测和仿真输出功率及增益随输入功率变化的曲线图。可以看到，在输入功率为27 dBm时，实测结果可得到最大DE为81.7%，PAE为78.56%，此时饱和输出功率为41.16 dBm，增益为14.16 dB，在高效率的同时也实现了高功率输出。在输入功率范围在4 dBm～16 dBm时，增益曲线比较平坦，线性度较好。图 9为Vgs=-3.3 V，Vds=28 V，固定输入功率为27 dBm情况下，输出功率增益随频率变化曲线图。实测结果为在1.98 GHz～2.08 GHz范围内，PAE都可达到74.49%以上，此带宽内最高功率为41.55 dBm，最低功率40.35 dBm，实现了高功率输出。

图7 漏极端电压电流波形图

图8 实测和仿真输出功率效率与输入功率关系

图9 实测和仿真输出效率功率与频率关系

3 结论

本文通过建立非线性电路模型对GaN HEMT非线性寄生输出电容Cout的特性进行了详细的研究，理论与仿真结合说明了其在放大器高功率，高效率输出中所起的作用原理:利用Cout与外部合适的匹配电路结合能产生输出电压半正弦波形，电流方波的最优效率波形。最后制作的S波段放大器在输出功率为41.16 dBm时最高功率附加效率(PAE)可达78.56%。且在100 M带宽内功率在40.35 dBm以上，PAE在74.49%以上，这在延长放大器的使用寿命，节约能耗方面都具有重要的工程实用价值。

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［12］徐樱杰，王晶琦，朱晓维.GaN逆F类高效率功率放大器及线性化研究［J］.电子与信息学报，2012，34(4):981-985.