本文內(nèi)容翻譯自一篇Qorvo的應(yīng)用筆記，雖然標(biāo)題是針對GaN偏置電路設(shè)計的一些基本準(zhǔn)則，但實際上對GaAs也是適用的。基于化合物半導(dǎo)體做射頻功放的同學(xué)應(yīng)該都是有概念的，正好這篇文章做了總結(jié)，就隨手分享共同學(xué)習(xí)一下。

一、上電/下電順序

基本上GaN大功率射頻功放管都是耗盡型的，即零柵壓時管子是完全導(dǎo)通狀態(tài)，需要給柵極加負(fù)壓才能工作在適當(dāng)?shù)钠?a href="http://m.xsypw.cn/tags/電流/" target="_blank">電流，否則大電流必然造成器件燒毀。因此必須通過硬件或者軟件措施嚴(yán)格控制柵壓和漏壓的上電和下電順序：

上電順序：

1、設(shè)置柵壓VG到-關(guān)斷電壓（具體值視晶體管要求而定）；

2、將漏極電流ID限制為靜態(tài)電流目標(biāo)值IDQ的兩倍左右；

3、漏極電壓VD上電；

4、緩慢調(diào)整柵極電壓VG使漏極電流ID達(dá)到靜態(tài)電流目標(biāo)值IDQ；

5、將漏極電流ID限制為比大信號工作電流稍大的值；

6、輸入射頻激勵信號。

下電順序：

1、關(guān)閉射頻輸入信號；

2、關(guān)閉漏極電源VD；

3、等兩秒以確保漏極的儲能電容已完全泄放；

4、關(guān)閉柵極電源VG。

二、設(shè)置偏置電流

用戶都是通過調(diào)整柵源電壓VGS來調(diào)節(jié)靜態(tài)工作電流IDQ的，但由于GaN晶體管的柵壓閾值波動較大，這就意味著每一只晶體管的柵壓都需要調(diào)整才能達(dá)到相同的靜態(tài)偏置電流；反之，如果施加固定柵壓，將會導(dǎo)致不同晶體管的靜態(tài)電流IDQ差異非常大，甚至可能完全沒有電流或者很大的電流。過小或過大的電流都會影響放大器的性能，甚至損壞晶體管。

通常靜態(tài)電流的選取都是參考器件手冊，但用戶可以以在參數(shù)允許的范圍內(nèi)進(jìn)行微調(diào)，以獲得期望的增益、效率、線性度、穩(wěn)定性等。

溫度會影響晶體管的閾值電壓，如果使用固定柵壓偏置則會導(dǎo)致電流隨溫度波動，如下圖所示：

反之如果想偏置電流固定，不隨溫度變化，則應(yīng)柵壓應(yīng)該隨溫度調(diào)節(jié)，如下圖所示：

三、偏置旁路網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

為確保器件安全穩(wěn)定工作，防止意外損壞，偏置網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計中有幾個方面需要注意。給射頻器件饋電的偏置網(wǎng)絡(luò)必須可靠去耦，旁路電容不僅可以濾除電源的噪聲和紋波，同時還充當(dāng)器件的電荷源，它也降低了電源引線寄生電感的影響。偏置網(wǎng)絡(luò)會與器件相互作用，從而影響器件的性能和穩(wěn)定性，因此有時候設(shè)計人員還需要通過給旁路電容串聯(lián)電阻來降低其Q值。

所有的GaN FET分立功放管的柵極都需要串聯(lián)一個最小5~10Ω的電阻來確保電路的穩(wěn)定性，但串聯(lián)電阻一定會對射頻性能有不良影響，因此在保證穩(wěn)定性的前提下串聯(lián)電阻要盡量小。一個典型的功放偏置電路（QPD1020 2.7-3.1GHz）如圖所示，GaN MMIC通常都把柵極串聯(lián)電阻集成在片內(nèi)了，因此外部就不再需要串聯(lián)電阻了。

四、柵極偏置電流設(shè)計

電源和偏置電路設(shè)計需要與器件的柵極電流兼容，需要既能給柵極提供也能從柵極吸入電流（即電流可正可負(fù)）。柵極漏電流的方向是從器件的柵極流出到偏置電路。在較高功率下，由于柵極寄生二極管對射頻驅(qū)動信號的整流作用，電流會從偏置電路流進(jìn)器件柵極。柵極漏電流的大小跟器件的尺寸正相關(guān)，大功率的管子漏電流比小功率管子更大。僅測試少量器件的漏電流來指導(dǎo)柵極偏置電路是不具有代表性的，應(yīng)該參考器件手冊或者咨詢生產(chǎn)商的應(yīng)用工程師。

如果偏置電路與GaN器件柵極之間有較大的等效電阻，柵極的漏電流就會在電阻上形成較大壓降，從而影響柵極偏置電壓。當(dāng)電阻壓降很大時，柵壓上升導(dǎo)致漏極電流ID顯著上升甚至燒毀器件。通常柵極電流在mA量級，假設(shè)一個管子的柵極電流是-1mA，串聯(lián)1kΩ電阻就會產(chǎn)生1V的壓降，即柵壓比期望值偏高+1V。因此柵極的串聯(lián)電阻既不能太大（壓降）也不能太小（影響射頻性能和穩(wěn)定性）。對于有源偏置電路，還應(yīng)該考察其自身的穩(wěn)定性。

正向的柵極電流，通常在高驅(qū)動功率時出現(xiàn)，也許要在設(shè)計中加以考慮。有源偏置電路必須要提供足夠的正向電流有效值，旁路電容可用于在脈沖或調(diào)制應(yīng)用的峰值驅(qū)動條件下提供正向電流來源。輸入功率越大柵極電流越大，正向偏置電流的最壞情況發(fā)生在低溫下，因此最低工作溫度下、最大輸入功率下的最大柵極電流容量應(yīng)該在有源偏置電路設(shè)計中進(jìn)行考慮。

審核編輯：湯梓紅