《射频功放仿真基本方法》.docx

功率器件仿真基本方法对于微波大功率有源器件来说，其输入输出阻抗是一个关键的参数，且不易测量而在设 计中，没有这些参数，设计将无从下手目前微波大功率的有源器件大多采用金属氧化物半导 体场效应晶体管 (LDMOSFET-Lateral Diffused metallic oxide semiconductor field effect transistor)，因此本文以LDMOS1率管的仿真为例探讨微波有源器件仿真由于大家所公认的大功率器件仿真的难度， 特别是在器件模型建立方面的难度， 使得这一工作较其他电路如小信号电路仿真做的晚，且精度也较小信号电路低目前公司内部在这方面 所作的工作也相对较少随着技术的发展，目前的很多仿真软件已经做的很完善，如 ADS它可以提供各种数字和 模拟系统及电路的仿真平台，用户的主要任务就是给目标器件建模和搭建电路而目前我们使 用的主流LDMO麝件即Motorola的大部分器件均提供 AD航真的模型，我们只要直接使用，这 给我们的仿真工作带来了极大的方便，极大的减小了工作量，并提高了准确度本文主要探讨使用 ADS2002仿真计算大功率LDMO瑞件的工作点、输入输出阻抗及其对应 的线性指标、电流、增益等电参数。

1 LDMO雾件模型首先我们了解一下 Motorola的LDMO麝件库的情况图1.1是其在原理图中的符号MRF.MELMODELMRF3MODEL=MRF183TSNK=25RTM=-1CTH 二-1MRFJIET„PPJODEILMRF4MODEL二 MRF185TSNK = 25Rffl 二-1CTH=-1图 1.1 Motorola LDMOSG—MRF^ROOT MODELMRF5MODEL二 MRF183器件模型5卜MRF_ROOT_PP_MODELMRF6 MODEL=MRF185它的器件分为两类：单管(MRF_MET_MODEL MRF_ROOT_MOD稣管(MRF_MET_PP_MODEL& MRF_ROOT_PP_MODE以上面的名称我们可以看出，每一个管子有两个模型，即 MET模型和ROOTMET LDMOSI型(Moto Electro Thermal Model) 是一个经验大信号模型，它可以精确的描述在任意的偏置点和环境温度下的电流电压特性 其大信号和小信号模型分别如图 1.2和图1.3所示［1］ ROOT莫型是一种基于 HP Root FET Model generator 产生的数据库模型，该模型生成器根据小信号的S参数和测量得到的直流数据生成大信号模型。

ROO做型给出的器件特性是偏置点、频率和功率电平的函数该模型适用于已经有测量数据但是物理的或经验的模型还没有 建立的器件的仿真⑵ Vrg - GdgGate C 9——MA—臾 V+ 人 + Vgd - 如 /Y［虹 f(Vds,Vgs.T) - J 3 ld\|)吐I(liode_f=f(Vdsjldiodt_r=f(Vdio(le_rI)Qds=f(VdsJj溢购』} J孔Qgd=f(VgdJ) - $Ithcnn=f(VdSjVgSjVgdtVrgJVrdfVrs,VdiDdc_r)Rk Rd 卫g. Rdiodo 二 f(T} JSource+ Vrd --AV\r^ DrainRdc-ododw3 RQe0RdMA~o DrainForward Bins (VdsXL11 = Vgs * Gm/ exp(-.j01TAU) Reverse Blias (Vil\<=0. Gm| =l)}12 = Vgd * Gmi * exp(-JoTAU)图1.3小信号等效电路MET LDMOS莫型根据上面对 Motorola LDMOS器件库的认识，在下面的讨论中，我们首先选用目前使用比较多的中等功率管 MRF9045勺MET模型。

下面我们按照设计的一般步骤，对 MRF904础行仿真、设计2直流工作点仿真直流偏置仿真电路如图 2.1所示，该电路使用了 ADS内置的场效应管的直流仿真模块 FET Curve Tracer，使得该电路十分的简洁明了 该电路仿真常温（25 C）下漏级电流随栅源电压 VGS 和漏源电压 VDS的变化情况图中， Motorola LDMO蕾有三个参数:TSNK-Heat Sink Temp, RTH -Thermal Resistance coeff., CTH -Thermal Capacitance, 该电路均使用默认值DCFETSMIVGS stari=3_2 VGS]sfop=4 VGSjirts=9 VDSstart-0 VDSlstop=50VDS_poinis=51图2.1常温直流偏置仿真电路仿真结果如图2.2所示:Move Marker m1 to update values below:Device Power27.000 10.150VDS Consumption atm1 bias point,Watts在Motorola的MET模型中，可以模拟环境温度的变化下面固定漏源电压为 27V,仿真漏级电流随温度和栅源电压的变化情况，电路如图2.3，结果如图2.4所示。

]V_DC+]_ SRC2-=-Vdc=27ftIPiobeIDSMOT TECH INCLUDEMTI - -1.6TfAisp0.0V_DCSRC1 \Afc=VGSIVRF一肝7T MODEL 肝IF彳 一MDDEL=IVRF9045TSNK=TempRTH= 1CTH= 1PARAMETER SWEEPIParamSweep | 思 ISweepl VAR1SweepM定"VGS* Temp=25SimlrkstanceNamep^DCV VGS=3.5817Sim Instanc eNam e[2]= Tf1=TempSimlr^tanceName[3]= Sim In&ianc eName[4]= SimlnstanceName[5]= SimlnstanceNamep]= Start=3.2 StopF4 Step=图2.3漏级电流随温度和栅源电压变化的仿真电路Temp图2.4漏级电流随温度和栅源电压变化的仿真结果DCDC1SweepVar="Temp"sywoStop^SOLin 二VGS=4.000从图2.4中，我们可以明显得看见固定 VGS的情况下，漏级电流随环境温度的变化情况。

工作点是用漏级电流来衡量的，因此上图也体现了工作点随温度的漂移，在实际的电路中必须采取措施进行补偿，即使 VGS随温度变化，使得静态漏级电流为一常数图 2.5的电路用于仿真在给定的漏级静态电流（350mA的情况下，栅源电压和温度的关系曲线（图 2.6 ）MOT LDMDS M1UDEPARAMETER SWEEP0 gDSI V_DC—Vdc=27 G L—+[ V_DC l一 T VdcWGS i当曲一TfMOT_TCCH_WCL11OE RiraitSweepGOALGoal OptrnGodl 1^12-0.001SweeplSw eepVarnenpOptimlM0[H=hfiF9045 raKFTemp RTHM CTH-1幅=HM001MeaslBs4J6.i*1000VAR2Idl^OOH2^350圄VARVARITenp=25VGSW5817 叩t{2to9}Tf1=Terrp图2.5给定漏极电流计算栅源电压随温度的变化图2.6栅源电压随温度的变化（ Vds=27V, Id=350mA ）通过直线拟合，可以得到温度补偿系数为 -1.98mV/ C补偿后静态电流如图 2.7所示，其工作点漏级电流的漂移量为 5.5mA,相对漂移量为1.59% （在-40 C〜80C范围内）。

图2.7米取温补措施后漏极电流随温度的变化对于不同的固定静态电流， 其栅源电压随温度的变化如图 2.8所示(为了方便比较其变化率，对其25C时的电压归一)图中给出了 Idu 200,350,500,800mA 四个工作点 VGS随温度的 变化情况图中明显看出，不同的工作点其变化斜率有微小的变化静态电流越大，其随温度 的变化就越小SGVLc%2 @eaxr^ov e^^uos ATaG nrdAT^Ia mIONV200mA,k=-2.06mV/ C350mA,k=-1.98mV/ C涤、一500mA,k=-1.9mV/ C800mA,k=-1.73mV/ C■■■5 4 3 2 o o o o098760 9 9 9 9-4-220406080Temp( C)图2.8归一化IV曲线随温度的变化3 LoadPull仿真计算输入输出阻抗从微波理论的角度看， 有源器件实际上可以看着一个双端口网络， 只是其端口阻抗不是我 们平时习惯运用的 50Q,而是一个很小的带有虚部的阻抗，如 1.5-j1.3 Q,不同的厂家，不同的 功率水平，该值必定有所不同如果我们可以使它的输出端口匹配，则根据二端口微波网络理论，根据其输入端的反射系数可以直接导出输入阻抗。

而输出端所接的负载的共轴值为其输出阻抗正是基于这一原理，Load-Pull的基本思想就是按照一定的原则， 让输出端的负载在一个给定的范围内变化，得到这些负载阻抗对应的各种指标（功率，增益，线性度等等） ，根据设计的需要从中选择所需的输出阻抗，并按此设计匹配输出电路而输入阻抗则直接从源与器件之 间的反射得到3.1 ADS中可变阻抗的实现设输出负载阻抗的变化范围在标准 50Q系统Smith圆图上如图3.1所示，其中心点反射系数为Sii,其圆半径为p,设一二维变量，即可遍历园中所有的点图3.1负载阻抗在50 Q系统Smith圆上的位置仿真时我们希望得到在某一个给定的阻抗范围内， 在给定的工作点和输出功率水平上， 任意输出负载阻抗对应管子的工作电流、效率、增益、线性指标、输入阻抗对应不同的信号源， 线性指标还有不同的表示方法下面给出的是 Motorola的LDMOS1 MRF904驰用于465MHz频段时，应用单音和双音分析选取其输出阻抗3.2 单音Load Pull 仿真单音Load Pull仿真原理图如图 3.2所示：l_ProbeIs highftftV_DCSRC1Vdc=VInw VDC-Feedlvin<1^ LProbe fTinDC_FeedDC_Feed2。