我们来检验一下这些内部I‑V 波形的预期值和细微差别。

A 类:我们预期电流和电压本质上都是正弦波形,此时信号电平达到电流或电压波形(或者两者)均在I‑V “足球场”局限区域内的边缘出现削波时的点。这与上图所示的波形是一致的,电流和电压波形都是正弦曲线。由于电流在正弦波周期的整个360‑度范围内导电(非零),A 类有时被描述为具有360 度的“导通角”

B 类:对于非削波信号,我们预计电压波形是完整的正弦波,电流波形是半整流的正弦波。对于B 类,因为在夹断电压位置会立刻偏置,我们预计电流在正弦波的半个周期内都为非零,或者导电。因此,B 类的导通角为180 度。从上图中,我们可以看出电流呈现半正弦曲线,在半个周期内的0 A 位置削波。在电压波形中可以看到一些非正弦失真。

AB 类:这种偏置正好设置在夹断点以上,所以电流在电压的超过一半正弦波周期内都导电。对于AB 类,导通角介于180 度和360 度之间。仿真AB 类波形显示为失真极小的正弦电压和半正弦电流。可以看出,电流在超过半个周期内都导电。

C 类: 偏置正好设置在夹断点以下,所以电流在不到一半的电压正弦波周期内导电。对于C 类,导通角小于180 度。此类型一般用在Doherty 放大器峰值一侧的设备中。从仿真波形中可以看出,电流的导电范围明显不到一半正弦波周期,电压出现失真,并且在摆幅的低压部分开始出现削波。

功率放大器的其他两个工作类型是F 类和J 类,它们适用于更高级的工作模式,这些模式以实现更高效率为主要目标:

F 类: 电压实际上通过在适当的相位和振幅中反映第三次谐波,借此按平方计算,使电流/电压重叠进一步最小化。该设备在B 类偏置点上偏置,且匹配网络中使用了谐波调谐。如果处理得当,可以实现大幅增强功率附加效率(PAE) 的功率放大器设计。

J 类:J 类代表一系列工作模式,通过使用具有重要的反应组件的基本负载,以及可以通过设备输出电容实现的反应谐波终端来实现。设备在B 类或AB 类的偏置点偏置。如果处理得当,可以实现在合理的带宽内大幅增强功率附加效率(PAE) 的功率放大器设计。

内部和外部端口的“意外结果 (gotchas)

之前的图显示了理想的PA 类的波形。但有一点要注意的是:在不同的位置进行有效的I‑V 波形仿真,例如在内部或外部端口,会产生不同的效果。设备的寄生效应让这一点变得非常重要,寄生效应可能包括焊盘的电容、焊线、封装寄生电容以及其他可能影响设备的性能和设计的因素。

下一个图表说明内部和外部栅极、漏极和源端口之间的区别。

为了进一步说明内部和外部端口之间的差异,下图采用仿真GaN HEMT 模型的一个较小的设备“芯片”格式来说明动态负载线路图示例,显示了当输入信号完成整个周期的摆动时,内部(红色)和外部(蓝色)RF I-V 波形的轨迹。请注意外部周期是如何超越I‑V 曲线的极限的,以及由于外部寄生效应而导致负电流波动。

下图以F 类放大器设计为例,重点说明了内部和外部I‑V 波形之间的差异:

在这个例子中,我使用了NI AWR 设计环境,以及在以前的PA 类示例中使用的相同QPD0060 GaN 设备模型。

然后我们调谐了第三谐波负载条件,使其“按平方计算”内部电压波形,由此产生了图示的F 类的波形。

从I-V 波形的角度来看,这个示例表明,内部波形遵循了正弦输入信号的预期趋势,获得了合理偏置且匹配的功率放大器,但外部波形却没有。

右下方的图清楚表明,外部波形因封装设备的寄生电容和电感而扭曲失真。