使用 GaN 进行系统和器件设计

在本章，我们将介绍设计氮化镓 (GaN) 功率放大器 (PA) 以及其他 GaN 应用的一些技术，并描述 GaN 在许多射频 (RF) 前端中的应用。我们还将探讨技术领导者如何在分立式、单芯片微波集成电路 (MMIC) 以及高度集成模块中使用 GaN 技术，以满足许多应用领域需求。我们还将说明 GaN 热建模在应用中的一些重要方面和优势。

使用 GaN 技术进行设计

过去，GaN PA 设计一直依靠大致的起点、丰富的经验和专业知识来完成。使用 S 参数和负载牵引数据可以提高设计的成功率。有了 GaN 分立式产品，使用精确的非线性模型也有助于更快地生成设计数据。对于分立式实现来说，建模有助于获得更精确的半导体行为数据，并获得针对特定应用的更好结果。

对于工程师来说，设计 GaN PA 的第一步就是获得半导体制造商的产品数据手册 ；第二部就是查看 S 参数。PA 设计工程师还可以利用测得的负载牵引数据确定最佳负载阻抗目标值，以便在指定频率下实现精确的功率和效率值。

有条件时，设计人员可使用负载牵引数据和仿真模型获得更好的结果。图 3-1 显示了如何针对 GaN PA 设计创建仿真模型。这些相同的模型用于生成 PA 参考设计。

图 3-1 ：Qorvo/Modelithics 非线性仿真模型流程示例

这些分立式非线性 GaN 模型都具有可变偏置、温标、自热效应、固有电流 - 电压 (I-V) 感应和焊线设置等功能（若适用）。在最基本的层面上，非线性 GaN 晶体管模型必须捕获晶体管在不同工作电平下的电流 - 电压特性曲线（I-V 曲线）。I-V 曲线决定了器件的基本功耗、效率和其他主要性能驱动因素。

一个模型预测 PA 晶体管非线性行为的能力主要基于几个方面 ：

» 电压依赖性电流源 (I_ds) 的表示
» 电压依赖性电容，主要是栅极 - 源极 (C_gs)、漏极 - 源极 (C_ds) 和 漏极 - 栅极 (C_dg)
» 电压依赖性二极管模型，与击穿电压的预测相关
» 器件寄生电感、电容和电阻，代表器件的总体频率依赖性行为

作为一种相对较新的技术，与其他半导体相比，GaN 需要使用一些不同的建模和设计技术。GaN 具有更高的最大电流能力，可在更高的静态电压和更高的电压下运行，从而能够有效地扩展 I-V 曲线的边界值。

在任何情况下，都必须向工程师提供相关数据，以便于其优化设计，使其设计能够在目标应用电压、电流和负载条件下运行。这些数据可加快设计流程，帮助工程师在第一次就能够进行正确的布局，而不用担心是否需要昂贵的项目变更。

GaN 和射频前端

早期，GaN 被用作放大射频前端 (RFFE) 发射信号的 PA，主要裸片形式提供或用作法兰晶体管。但将 GaN 用于其他 RFFE 组件也会带来明显的好处。如今，GaN 还作为单独的分立元件或 MMIC 用于低噪声放大器 (LNA)、混频器和开关。本节将回顾 GaN 用于这些 RFFE 组件所带来的好处。

GaN PA

GaN 是实现大多数高功率应用所需功率水平和效率的首选。它可在非常小的外设中实现出色的耐久性和较高的饱和功率。此外，它还提供许多无线基站、商业和军事雷达应用等所需的高效率。

GaN 开关

GaN 开关适用于许多射频开关应用。它们具有高击穿电压、低导通电阻和低断开状态电容。这显著提高了其电源处理能力。

砷化镓 (GaAs) 场效应晶体管 (FET) 开关广泛应用于射频行业，通常用于功率水平为几瓦或更少的应用。GaN FET 可以使用相同的电路架构来处理更高的功率水平（几十瓦）。GaN 开关可实现较低的开关损耗、较高隔离度、较高线性度和出色的功率处理能力。随着对更高电流、电压能力、功率密度、温度、效率和频率范围系统的需求，硅基开关即将接近其极限。因此，在需要这些独特功能的应用中，GaN 开关开始取代硅开关。

GaN LNAs

GaN LNA 的功耗通常比 LNA 替代技术更低。选择将 GaN 用于 LNA 可降低噪声系数，并提高 LNA 所需的输入功率稳定性。

通常情况下，GaN 器件可耐受 2-4 瓦的输入功率水平。在许多应用中，高输入功率性能尤为重要。例如 ：在许多雷达应用中，在输入端增加一个限幅器或循环器可以降低高输入功率对接收器可能产生的影响。这确实有助于保护接收器，但会增加 LNA 处的噪声。这种限幅器或循环器方法也会降低接收器的灵敏度，从而对信号覆盖范围、吞吐量和性能产生不利影响。相比之下，GaN LNA 的极高输入功率性能意味着不需要使用限幅器或循环器，从而有助于提高接收器的整体性能。 

GaN 混频器

基于 GaN 的混频器具有高线性度，且与基于 GaAs 的混频器相比，可以处理更多的输入功率。通常情况下，这些基于 GaN 的高端混频器用于国防、卫星通信和仪表应用。GaN 的可用性为设计工程师在设计 RFEE 时提供了另一种可用技术。利用 这项附加技术可带来更多机会。

GaN 系统可靠性评估

众所周知，GaN 比其他技术更可靠，主要归因于其独特性能，如可靠的高功率功能和散热稳定性。即便如此，对于设计人员来说，还必须围绕该技术创建一个功能强大的解决方案，以获得最佳系统可靠性。

与所有功率晶体管技术一样，谨慎的热设计是确保可靠运行的关键。支持高电压和高效率的关键在于将热量从器件中排出，从而将结温保持在可接受范围，以实现可靠运行。这可以通过精确的热测量和选择具有最佳热性能的基板材料来实现，该基板材料可以立即将设备的热量排到散热器上。

铜块技术是散热器的替代散热解决方案。利用该方法，可在制造过程中将铜块嵌入到 PC 电路板 (PCB) 中，以实现从晶体管到安装了 PCB 的载体的高效热传递。与更昂贵的散热器或风扇相比，这种经济高效的方法可实现更好的热传递。

尽管铜块冷却方法可以实现实质性的器件问题改进，但对射频性能的影响比较小。此外，必须高度注意，以确保 PCB 表面保持平坦，并在铜块和器件封装的接地焊盘之间形成良好接触。

GaN 与 TWTA 之比较

GaN 工艺使用商用材料和可实现最佳可靠性、低成本和高性能的制造平台，如表 3-1 中所示。因此，与传统的行波管放大器 (TWTA) 技术相比，碳化硅 (SiC) 基 GaN 和硅 (Si) 基 GaN 可向工程师提供成本更低且具有竞争力的可靠解决方案。

例如，实践证明，在要求使用千兆赫工作频率范围的商业和军事雷达应用中，GaN 是理想解决方案，特别是在发射阶段。它已经在许多应用中取代了 TWTA。如今，使用有源电子扫描阵列 (AESA) 和相控阵模块的军事雷达可受益于 GaN，特别是因为它们可以使用 MMIC 技术，从而简化和缩小设计。

匹配 GaN 散热性能与应用

提高功率意味着增加热管理挑战。高工作温度会导致器件性能下降，服务寿命缩短。因此，设计工程师会始终评估热因素的影响，以消除器件和系统层面的潜在问题。

许多需要在高温和极端环境下运行的应用都在考虑使用 GaN，因为它具有出色的散热性能。GaN 极高的运行通道温度 (225℃ ) 使系统设计人员可以不用从散热角度进行设计。例如，当使用横向扩散金属氧化物半导体 (LDMOS) 或 GaAs 实现时，一些需要液体冷却的应用可以在使用 GaN 时转而采用空气冷却。

尽管 GaN 的散热性能优于许多半导体技术，但工程师仍必须充分了解散热设计和分析，以便构建稳定可靠的最终产品。在进入产品设计展示之前，完全了解 GaN 的散热性能至关重要。

估算 T_CH,MAX

GaN 等半导体的可靠性是通过估算器件的最高信道温 (T_{CH, MAX})，进而估算器件的生命周期来确定的。这些数值是通过测量热阻、器件功耗和热传递，并据此建模来获取的。对于半导体器件，主要使用红外 (IR) 成像显微镜进行测量。这些红外范围有助于识别最终可能导致半导体上出现故障区域的设备热点。

因为与大多数半导体材料相比，GaN 技术可以在更高温度条件下运行，所以更准确地测量信道温度至关重要。因此，一些 GaN 设计人员和半导体制造商选择执行红外扫描之外的额外测量。

为什么？空间分辨率限制、反射面成像困难和芯片表面结构（如空气桥）限制了红外成像在测量 GaN 信道温度方面的准确度。此外，即使获得了准确的红外图像值，但最高信道温度实际上是器件栅级下方某个位置的值，如右图 3-2 所示。

为了获得更准确的信道温度测量值，一种方法是使用热模型分析方法（也称为有限元分析 (FEA)）。使用三维模型或 FEA 结合显微拉曼热成像技术，并将这些结果与射频测试和红外成像进行比较，从而获得准确的热值。使用这种组合数据集，可以确定封装器件的 FEA 模型，从而提供准确的 T_{CH, MAX}. 此外，如左图 3-2 所示，与红外图像光斑尺寸测量不同的是，微型拉曼光斑尺寸支持在栅极下的不同位置更精确地测量温度。这可实现更精确的峰值信道温度测量。

图 3-2 ：使用显微拉曼热成像技术测量 T_CH、MAX。

显微拉曼热成像技术是一种基于拉曼散射光谱的非侵入式光学技术，可实现亚微米空间内的温度测量，时间分辨率可达纳秒级别。它探测材料中由温度引起的、声子相对于基准声子频率的偏移（声子频率在环境温度下测定）。

为计算器件的预期使用寿命，确定器件的真正 T_{CH, MAX} 是一个多步骤过程。首先，通过构建三维热模型或进行有限元分析 (FEA)，并与采用显微拉曼热成像等技术得到的实证测量结果进行比较，确定信道温度。然后通过射频测试和红外成像进行验证，并使用组合数据获取 GaN 信道温度和器件可靠性的准确测量值。

FEA 是测量 GaN 的真正信道温度和器件可靠性的组合方法。这是一种三管齐下的方法，通过器件背面温度、裸片或产品贴装的测量值以及红外成 来创建 FEA 模型，从而准确估算 GaN 器件的使用寿命。

查看如何实现

想要查看该方法的详细说明？请观看视频教程“了解 GaN 热分析”，网址：www.qorvo.com/design-hub/videos/understandinggan-thermal-analysis。

连续波与脉冲工作

另一个需要考虑的重要设计和可靠性因素就是 GaN 器件在系统中的运行方式。器件是始终开启（连续波 [CW] 工作）还是通过脉冲开启和关闭（脉冲波工作）。每一种工作方法都会影响 T_{CH, MAX} 值，这取决于具体的工作条件，并随着所选脉冲宽度和占空比的变化而变化。例如：在 CW 工作期间，系统达到热稳定状态运行后，T_{CH, MAX} 达到最高点。

GaN 封装形式评估

GaN 可以采用裸片形式，也可以采用一些封装形式 ：预匹配晶体管、内部匹配场效应晶体管 (IMFET)、功率放大器模块 (PAM) 或 MMIC。每种形式都有其优点和利弊权衡，如图 3-3 中所示。每一种形式都可以为特定应用提供一流的热、尺寸和参数性能。

图 3-3 ：GaN 形式类型比较

以下是如何使用这些 GaN 形式类型的快速说明 ： 

» 未匹配或预匹配晶体管 ：这些器件适用于工程师需要设计灵活性的应用，例如 ：能够优化系统以满足特定频率范围或带宽要求。这些器件还允许工程师使用 Doherty PA 设计来创建解决方案，如 5G 远程无线电头端或高级阵列系统设计。

» IMFET ：这些是适用于大功率解决方案的分立式晶体管或电源棒。这些内部匹配的 GaN FET 常用于雷达和无线基础设施应用中。

» PAM ：PAM 旨在支持大功率应用，如商用 5G 多输入多输出 (MIMO) 和国防雷达。它们是内部匹配 50 欧姆输入和输出的两级或多级放大器。它们是专门为减小系统的尺寸、重量、功率和成本 (SWaP-C) 而设计的，同时可简化设计，并缩短上市时间。

» MMIC 和前端模块 (FEM) ：这些可以将多个功能集成到一个小型封装内的同一裸片上。MMIC 通常用于高频率操作应用，其中功率附加效率 (PAE) 和低射频损耗是重要的系统目标。FEM 为系统级封装 (SIP) 解决方案，有助于设计人员利用 GaN 的高功率密度、热导率和小尺寸。

探索 GaN 系统设计和实现

像 GaAs 这样的成熟技术可以支持大带宽和高频频段，但它们的功率密度比 GaN 低。因此，对于可接受每个元件更低的传输功率，且接收链噪声数字比较关键的应用，GaAs 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 仍是发射和接收组件的可行解决方案。

GaAs 栅极长度继续减少，有助于降低噪声系数，从而可以扩大射频范围，提高灵敏度。在所有其他因素保持不变的情况下，GaAs 上较短的栅极长度有助于提高性能，但这是以牺牲静电放电 (ESD) 灵敏度和输入电源生存性为代价的。然而，与 GaAs 相比，GaN on SiC 具有带宽宽、功率密度更高以及输入功率更高的优点，有助于提高生存性，降低噪声系数。此外，GaN 的高输入阻抗允许在系统上轻松实现射频匹配。

使用功率密度更高的 GaN 晶体管可简化设计，并减少系统中的匹配组件。这也意味着，与 GaAs 和 LDMOS 相比，使用的系统组件更少，从而可以降低射频链损耗。GaN 具有更高的发射功率和较低的接收噪声系数，可以实现更长的射频范围和更高的信号分辨率。

在雷达应用中，这意味着系统可以看到更远处的较小目标，从而有更多的时间对目标的移动作出反应。传统雷达系统要求短脉冲宽度、窄瞬时带宽和较小的占空比。而如今，所有雷达频段都有一个驱动，可以将占空比增加三到五倍，达到 50% 或更高占空比，在某些情况下接近连续波操作。

雷达 AESA 系统可能会使用数百到数万个放大器。使用 GaN 可提高每个阵列元件的功率，从而扩大范围。或者，与 GaAs 和 LDMOS 等其他技术相比，每个元件可以使用更少的 GaN 器件来实现所需的输出功率，从而降低成本和复杂性。

GaN PA 在饱和状态下具有最高效率。对于线性度，则相反 ：当输出功率较低或为回退模式时，工作的线性度最高。在 5G 系统中，线性度是一个关键参数。所以，为使高功率 5G 高级天线系统 (AAS) 的线性度最大化，可使用一种称为数字预失真 (DPD) 技术（见图 3-4）。

5G 基站的 PA 通常进行了效率优化，同时需要实现 50% 至 70% 的 PAE。然后可使用 DPD 来补偿线性度。由于信号输出功率和相关能耗较高，所以效率至关重要。附加好处在于，这些系统运行的温度更低，这一点很重要，因为它们安装在基站天线的顶部，而不是在结构底部的空调建筑内。

图 3-4 ：DPD 和 Doherty PA 配置。

DPD 是一种利用数字信号处理技术消除失真的硬件和软件解决方案。它使设计者能够优化 PA 以降低功耗，同时最大限度地提高输出功率，实现高线性度。

了解 GaN Doherty PA 和数字预失真

通过利用一些创新型射频系统，如 5G 基站，我们可以提高 PA 输出水平、效率和线性度。为了一次性有效地获得这三个参数，使用 DPD 是有益的。DPD 还可以最小化带外 PA 失真。

许多 GaN PA 使用 Doherty 配置来提高回退输出功率条件下的器件效率。通过使用 Doherty 配置，工程师可以最小化系统功耗，并获得 60% 或更高效率（在回退输出功率下），同时显著降低运行耗电量大的 PA 系统所需的能量。使用 Doherty 时，DPD 至关重要。如图 3-4 中所示，使用 DPD 和 Doherty 配置可实现更高效率和线性度。

高压 GaN 检查

对于有些应用来说，获得最高输出功率至关重要。如前所述，PA 在接近饱和或峰值输出功率时效率最高。增加 GaN 晶体管的漏极电压可提高饱和条件下的功率输出。然而，该技术可能适用于某些应用，但并不适用于其他应用。

雷达就是高压 GaN 开拓新时代中的一个应用。雷达系统通常需要实现几百到几千瓦的功率放大。它们通过组合多个固态功率晶体管或使用 TWTA 来实现千瓦级放大。

通过使用更高的工作电压，GaN 技术可以用比其他技术更少的晶体管来实现这些输出功率水平。例如，在 65 V 工作电压下，GaN 可以在保持较低散热要求的情况下实现千瓦放大。此外，与其他技术相比，它外形更小巧，并且可以使用更少的晶体管更可靠地实现敌我识别和距离测量的军事目标参数。

作为附加好处，高电压 GaN 可降低设计复杂性，因为它需要更少的晶体管来实现高功率水平。这些高电压、高功率晶体管的效率也很高，在某些情况下可实现 70% 至 80% 的效率。

下面是高电压 GaN 的一些关键优势 ：

» 高功率密度 ：它可减少晶体管数量，以及整体组件大小和重量。
» 更低功耗 ：它可以减少系统级电流损耗和对电源的需求。
» 更简单的匹配能力 ：可在保持可用输出阻抗的同时，提高输出功率。

如今，GaN 被设计为 28-32、48-50 或 65 V 漏极偏置（见图 2-2），但我们正在为新市场和现有市场探索更高的电压范围，以便在系统中实现进一步的性能提升。