一种GaN宽禁带功率放大器的设计

0 引言

半导体功率器件按材料划分大体经历了三个阶段。第一代半导体功率器件以Si双极型功率晶体管为主要代表，主要应用在S波段及以下波段中。Si双极型功率晶体管在L波段脉冲输出功率可以达到数百瓦量级，而在S波段脉冲功率则接近200W。第二代半导体功率器件以GaAs场效晶体管为代表，其最高工作频率可以达到30～100 GHz。GaAs场效应晶体管在C波段最高可输出功率接近100W，而在X波段则可达到25 W。第三代半导体功率器件以SiC场效应晶体管和GaN高电子迁移率晶体管为主要代表。同第一代、第二代半导体材料相比，SiC和GaN半导体材料具有宽禁带、高击穿场强、高饱和电子漂移速率以及抗辐射能力强等优点，特别适合应用于高频、高功率、抗辐射的功率器件，并且可以在高温恶劣环境下工作。由于具备这些优点，宽禁带半导体功率器件可以明显提高电子信息系统的性能，广泛应用于人造卫星、火箭、雷达、通讯、战斗机、海洋勘探等重要领域。

本文基于Agilent ADS仿真软件设计实现一款高效GaN宽禁带功率放大器，详细说明设计步骤并对放大器进行了测试，结果表明放大器可以在2．3～2．4 GHz内实现功率15W以上，附加效率超过67％的输出。

1 GaN宽禁带功率放大器的设计

1．1 放大器设计指标

在2．3～2．4 GHz工作频段内，要求放大器连续波工作，输出功率大于10 W，附加效率超过60％。

1．2 功率管的选择

根据放大器要求的设计指标，设计选用的是某进口公司提供的SiC基GaN宽禁带功率管，其主要性能参数见表1。

1．3 放大器电路设计

图1为功率放大器原理框图。图1中，IMN＆Bias和OMN＆Bias分别为输入匹配网络及输入偏置电路和输出匹配网络及偏置电路，VGS和VDS分别为栅极-源极工作电压和漏极-源极工作电压。采取的设计思路是：对功率管进行直流分析确定放大器静态工作电压；进行稳定性分析和设计；利用源牵引(Source Pull)和负载牵引(Load Pull)方法确定功率管匹配电路的最佳源阻抗ZS和最佳负载阻抗ZL(ZS和ZL的定义见图1)；

根据获得的源阻抗与负载阻抗进行输入、输出匹配电路设计以及偏置电路设计；加工、调试及改版。

1．3．1 直流分析

对功率放大器进行直流分析的目的是通过功率管的电流-电压(I-V)曲线确定功率管的静态工作电压。由于厂家提供了功率管的ADS模型，因此设计中直接利用该模型进行仿真设计(下同)。

图2为在Agilent ADS软件中对器件模型进行直流分析的结果。根据厂家给出的器件规格参数以及图2中的I-V曲线，选用VDS=28 V，VGS=-2．5 V作为放大器的工作电压。为使放大器能够实现较高的效率，这里选取静态电压让放大器在C类条件下工作。

1．3．2 稳定性分析

稳定性是放大器设计中需要考虑的关键因素之一，它取决于晶体管的S参数和置端条件。功率放大器的不稳性将产生不希望出现的寄生振荡，导致结果失真，甚至设计失败。因此，在进行放大器阻抗匹配电路设计之前，必须进行稳定性分析与设计。

图3给出了功率管稳定系数随频率的变化曲线。图3中，稳定系数K与D分别定义为：

从图3可以看出，在设计频段内稳定系数K和D分别满足大于1和小于1的条件，所以功率管为无条件稳定。

1．3．3 源牵引与负载牵引分析

源牵引／负载牵引分析方法原理：放大器在大信号电平激励下，通过连续变换源阻抗／负载阻抗对功率管进行分析，然后在Smith阻抗圆图上画出等功率曲线和等增益曲线，并根据设计要求选择出最佳源阻抗／最佳负载阻抗准确设计出满足要求的功率放大器。

作者：张方迪 张 民 叶培大   来源：现代电子技术