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晶體管功率放大器的輸入電路和設(shè)計(jì)這種電路的方法_3

文檔序號(hào):9550835閱讀:來源:國知局
盡型(即,d-FET)開關(guān)晶體管(例如,Q2和Q3),電感、電容或電阻是否在低電平處被組合而在高電平處被分離。對(duì)于所示的并聯(lián)可重配置的元件,針對(duì)低到高電平RF驅(qū)動(dòng),理論的電感和電阻在數(shù)值上的增加或理論的電容在數(shù)值上的減少在放大器10的輸入處改變。
[0045]輸入匹配網(wǎng)絡(luò)12還包括非可配置部分24,其具有如所示排列的電感L5和一對(duì)電容C6和C7。
[0046]輸入匹配網(wǎng)絡(luò)12的輸出16是通過電容C2耦合到晶體管14的柵極的RF交流電(AC)。由電壓Vg和Vd提供對(duì)晶體管柵極和漏極的偏置,這種偏置是分別通過電感L3和L4耦合到柵極和漏極的直流電(DC),此外,如所示出那樣分別通過電容C3和C4耦合到地的AC防止電源處的不需要的RF信號(hào)。
[0047]因此,放大器10是具有由功率電平感測(cè)電路18控制的可重配置輸入匹配網(wǎng)絡(luò)12的1級(jí)放大器。增益級(jí)包括:DC阻斷電容C2和C5 (限制Vg和Vd偏置移動(dòng))、DC偏置注入扼流圈L3和L4以及RF旁路電容C3和C4??芍嘏渲幂斎肫ヅ渚W(wǎng)絡(luò)12包括部分匹配網(wǎng)絡(luò),其包括固定值輸入匹配元件L5、C6和C7。開關(guān)晶體管Q2和Q3、柵極隔離電阻R1和R2、偏置下拉電阻R3和R4形成實(shí)際開關(guān)功能。功率電平感測(cè)電路18包括RF耦合元件(CN)、DC偏置網(wǎng)絡(luò)(BN)、包含整流二極管D1的檢測(cè)器電路、RF旁路電容C1和負(fù)載電阻R5。這產(chǎn)生有關(guān)觸發(fā)Q2和Q3開關(guān)的RF輸入幅度的可調(diào)整輸出信號(hào)。開關(guān)觸發(fā)閾值通過改變CN耦合因子、BN偏置電平以及使用電阻R1/R2和R5的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行調(diào)整。
[0048]現(xiàn)在參照?qǐng)D6,示出了用于生成本文要描述的結(jié)果的負(fù)載拉動(dòng)平臺(tái)裝置10。裝置10是由Maury制造的商用單元。本發(fā)明的發(fā)現(xiàn)是對(duì)具有場板的GaN FET在3GHz頻率處進(jìn)行負(fù)載拉動(dòng)測(cè)量的過程期間發(fā)生的。如圖6所示,該裝置包括測(cè)試下的設(shè)備(DUT)12,在該情況下,測(cè)試下的設(shè)備(DUT) 12是2.64mm(12X220um)GaN FET器件。在器件12的每個(gè)側(cè)上是用14和16表示的源和負(fù)載調(diào)諧器。裝置10還包括:RF源18、反射功率感測(cè)器20、定向耦合器22、柵極偏置T 24、源調(diào)諧器26、輸入電纜和探針28、漏極偏置T 32、輸出路徑34、功率表36、調(diào)諧器控制器38和用于柵極和漏極34的偏置系統(tǒng)。源調(diào)諧器14允許源的設(shè)置匹配器件12的輸入,而負(fù)載調(diào)諧器16可以被設(shè)置來掃描各種輸出負(fù)載匹配條件。系統(tǒng)軟件計(jì)算并繪出功率和效率兩者的輸出負(fù)載輪廓線。相似地,對(duì)于固定的輸出負(fù)載,系統(tǒng)允許確定最優(yōu)的源匹配。
[0049]實(shí)驗(yàn)室過程使用裝置10來執(zhí)行上述導(dǎo)致軟壓縮的器件負(fù)載拉動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)方式(或舊方式),而對(duì)于要描述的新過程,其減少或去除軟壓縮。這里將器件的Q點(diǎn)設(shè)置為28V和100ma/mm(暈安 / _米)。
[0050]用于設(shè)計(jì)器件12的輸入阻抗的過程如下:如之前一樣,負(fù)載被匹配為50歐姆,并且在器件12上執(zhí)行小信號(hào)源拉動(dòng)以確定最佳功率的最佳源匹配??蛇x地,還可以從在3GHz處的器件的S參數(shù)獲得源匹配在史密斯圖上的位置,3GHz是針對(duì)該實(shí)驗(yàn)所選的頻率。該源匹配也被稱為器件12的輸入的小信號(hào)共軛匹配。接下來,以該固定的源匹配,從低驅(qū)動(dòng)電平到高驅(qū)動(dòng)電平來執(zhí)行器件12的負(fù)載拉動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電平應(yīng)當(dāng)足夠高以將輸出驅(qū)動(dòng)進(jìn)入壓縮至少3dB。但是,與舊過程不同的是,現(xiàn)在器件12的輸出在其最優(yōu)功率目標(biāo)處,并且源拉動(dòng)是以大信號(hào)輸入驅(qū)動(dòng)電平在器件12上被執(zhí)行,并且在功率和效率負(fù)載目標(biāo)處獲得Pout對(duì)Pin傳輸曲線。系統(tǒng)還記錄Gt和Gp (轉(zhuǎn)換器增益和功率增益)、來自器件輸入(S11)的反射功率,或在有關(guān)參數(shù)的數(shù)個(gè)其它測(cè)量之間的回波損耗。發(fā)現(xiàn)新的源匹配(大信號(hào)源匹配)位置在史密斯圖上從小信號(hào)共軛匹配點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了大約10到15度。可以按照相同步驟在效率負(fù)載條件下獲得大信號(hào)源匹配的位置。已發(fā)現(xiàn)這些大信號(hào)源匹配點(diǎn)的位置在史密斯圖上彼此緊密靠近,從而可以將它們認(rèn)為是一個(gè)位置并且是相同的位置。接下來,該源匹配被固定,并且針對(duì)功率和效率負(fù)載目標(biāo)執(zhí)行功率掃描(傳輸曲線)。該掃描指示,對(duì)于兩種負(fù)載條件,都相當(dāng)大地減少了軟壓縮。針對(duì)原始小信號(hào)源匹配與新的大信號(hào)源匹配之間的周期性間隔的點(diǎn)來獲得傳輸曲線。該相同的技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到X帶處的GaN晶體管,并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)源輸入匹配同樣大約順時(shí)針旋轉(zhuǎn)10度是正確的。
[0051]因此,提供了一種用于設(shè)計(jì)GaN晶體管器件的輸入網(wǎng)絡(luò)的方法。該方法包括:用相對(duì)大的輸入信號(hào)功率電平通過輸入網(wǎng)絡(luò)E來驅(qū)動(dòng)器件;以器件處于預(yù)定輸出功率電平處的輸出來改變輸入網(wǎng)絡(luò)E的參數(shù)。也就是說,E是輸入調(diào)諧器,其允許將整個(gè)史密斯圖上的各種匹配呈現(xiàn)給器件。同樣地,Η是輸出調(diào)諧器并且也可以被改變;測(cè)量器件的傳輸函數(shù)性能參數(shù)作為被改變的輸入網(wǎng)絡(luò)參數(shù);以及,從測(cè)量的傳輸函數(shù)性能參數(shù)來選擇輸入網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。
[0052]測(cè)量的分析
[0053]已經(jīng)觀察到具有場板的GaN FET展示出軟增益壓縮特性,軟壓縮的程度根據(jù)向器件呈現(xiàn)的輸出負(fù)載阻抗而改變。例如,已經(jīng)觀察到,與功率負(fù)載阻抗匹配的器件具有非常軟的壓縮特性,而與效率負(fù)載匹配的器件展示出有相當(dāng)大提高的壓縮特性。對(duì)于功率和效率負(fù)載的情況,這在圖7和8中從Pout對(duì)Pin測(cè)量的負(fù)載拉動(dòng)數(shù)據(jù)來說明。注意,圖7和8給出了 GaN FET的針對(duì)兩種不同的輸出負(fù)載匹配條件(功率和效率)的測(cè)量的負(fù)載拉動(dòng)數(shù)據(jù)。兩張圖都繪出了對(duì)于Pin的Pout、增益和效率。每個(gè)圖中的虛線對(duì)應(yīng)于導(dǎo)致軟壓縮的小信號(hào)源匹配條件。實(shí)曲線說明了在大信號(hào)狀態(tài)下設(shè)置了輸入源匹配時(shí),軟壓縮如何被減少。兩張圖中的圖7(其中,F(xiàn)ET輸出匹配于功率負(fù)載)更清楚地說明了軟壓縮的問題。在FET于其輸出處匹配于效率負(fù)載的圖8中,這種情況較不嚴(yán)重。
[0054]虛曲線的源匹配是對(duì)器件的輸入的標(biāo)準(zhǔn)小信號(hào)共軛匹配。測(cè)量下的器件是具有以24V、100ma/mm偏置的場/伽瑪柵極的2.5mm GaN FET,并且CW測(cè)量是在3GHz處執(zhí)行。
2.5mm GaN FET的Pout對(duì)Pin特性具有共軛小信號(hào)源匹配(虛線)和大信號(hào)源匹配(實(shí)線)。器件在最大功率的負(fù)載中終止。
[0055]非常明顯,特別是根據(jù)圖7,在小信號(hào)源匹配的情況下,器件展示出相當(dāng)大程度的軟壓縮。當(dāng)器件的輸入在大信號(hào)驅(qū)動(dòng)條件下被重新匹配時(shí),壓縮特性如實(shí)線所示更“正?!?。軟壓縮的測(cè)量是增益隨著輸入驅(qū)動(dòng)而下降的速率。如果我們進(jìn)一步分析圖7中的數(shù)據(jù),我們發(fā)現(xiàn)對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)源匹配情況(虛線),器件在Pin = 15dBm處命中l(wèi)dB壓縮點(diǎn)。從Pin =15dBm到25dBm,增益以0.3dB/dB的速率下降并且之后以0.9dB/dB的速率下降。對(duì)于大信號(hào)源匹配條件(實(shí)線),器件在Pin = 21dBm處達(dá)到ldB壓縮,然后增益以0.9dB/dB的速率下降,這非常接近通常接受的增益下降測(cè)量值ldB/dB,并且是通常用GaAs pHEMT所觀察到的值。從該數(shù)據(jù)中還注意到,對(duì)于大信號(hào)匹配情況,PAE峰值發(fā)生在器件是4.4dB壓縮、15.6dB的增益的情況下,而在小信號(hào)輸入匹配的情況下,在PAE峰值處的器件的增益是12.9dB并且器件是7.ldB壓縮。這種不同意味著以這種方式,2級(jí)功率放大器(PA)在每級(jí)的輸入處被匹配,F(xiàn)ET在放大器中被設(shè)置大小,并因此影響到功率放大器的效率。
[0056]在圖9中的史密斯圖中說明了小信號(hào)源匹配和大信號(hào)源匹配阻抗的位置。源阻抗從小信號(hào)源匹配位置經(jīng)歷至少10度的順時(shí)針旋轉(zhuǎn),而在大信號(hào)條件下,可以旋轉(zhuǎn)15度以獲得最佳源匹配。對(duì)于給定的大信號(hào)Pin,隨著將源匹配從小信號(hào)旋轉(zhuǎn)到大信號(hào)的情況,軟壓縮的程度如之前在圖7中說明的從“不好”變?yōu)檎!R簿褪钦f,饋送晶體管的輸入網(wǎng)絡(luò)通過以下方式來設(shè)計(jì):將柵極的復(fù)共軛在阻抗史密斯圖上繪制成晶體管的源阻抗;然后,在阻抗史密斯圖上將所繪的圖順時(shí)針旋轉(zhuǎn)10-15度以獲得輸入網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗。
[0057]軟壓縮現(xiàn)象通常發(fā)生在高電壓器件(>15V工作)中,并且特別是發(fā)生在具有場板的GaN器件中。一種理解該情況的方式是根據(jù)圖10所示的GaN FET的小信號(hào)模型。通過三個(gè)固有參數(shù)Cgs-柵極源電容、Cgd-柵漏電容和gm-跨導(dǎo)將器件的輸入匹配控制在一階。Rs (源電阻)和Rg (柵極電阻)對(duì)輸入阻抗也有貢獻(xiàn),但是這些被認(rèn)為是寄生效應(yīng),并且不是偏置相關(guān)的。Cgs、Cgd和gm是強(qiáng)偏置相關(guān)的,即它們與Vds (漏-源電壓)和Vgs (柵源電壓)有關(guān)。例如,圖11說明了 Cgs如何隨Vgs和Vds變化。當(dāng)將大信號(hào)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)負(fù)載線(器件的AB類工作)疊加到Cgs平面時(shí),非常明顯的是,在Q點(diǎn)和小信號(hào)匹配條件處的Cgs值在高驅(qū)動(dòng)處不再有效。事實(shí)上,我們可以得到等價(jià)的大信號(hào)Cgs值。將對(duì)Cgd和gm保持類似分析??梢杂尚碌男⌒盘?hào)輸入驅(qū)動(dòng)依賴模型來表示器件在大信號(hào)狀態(tài)下的性能,其中可以將參數(shù)Cgs、gm和Cgd表示如下:
[0058]Cgs = Al+Bl*Pin + Cl*Pin2,gm = A2+B2*Pin + C2*Pin2
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