高效率开关类功率放大器的晶体管建模方法技术

本发明专利技术提供了一种高效率开关类功率放大器的晶体管建模方法，其包括：根据晶体管的类型选取等效电路拓扑；对晶体管进行冷场测试以及在不同偏置点条件下进行热场测试，提取外部寄生参数和本征参数；根据本征参数和外部寄生参数建立小信号等效电路模型，并获取栅极电量随栅源电压的变化关系；选取栅极电量对栅源电压的三阶导数建立电量经验模型；对晶体管进行直流电流电压测试，选取漏极电流对栅源电压的三阶导数建立电流经验模型；对晶体管进行负载牵引测试获得测试数据，由小信号等效电路模型、电量经验模型和电流经验模型得到非线性模型，并进行电路仿真模拟获得仿真数据，确定两者吻合程度。本发明专利技术能够直接对晶体管的电量和电流的高阶导数分量进行拟合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及集成电路设计
，特别是涉及一种高效率开关类功率放大器的晶体管建模方法。
技术介绍
晶体管的器件模型在电路设计中起着至关重要的作用，它在电路设计和工艺设计之间发挥着桥梁的作用。随着电路工作频率进入微波甚至更高频段，传统的以经验为主的设计方法越来越不能满足电路设计的要求，因而获得精确的器件模型将显得越来越重要，这不仅会提高电路设计的准确性，减少工艺反复，而且会降低产品成本，缩短研制周期。判断一个晶体管模型好坏的标准不应该只是简单地考察器件模型的仿真结果和测试结果的吻合程度，同时还应该考虑模型的复杂度、收敛性以及参数提取难度等因素，另外还需要考察它在实际应用电路中的性能。因此，应将晶体管模型与实际电路功能结合，根据不同电路应用的需要，建立定制化的晶体管模型，这样才能使模型达到精度、复杂度、收敛性以及参数提取难度之间的平衡。传统的基于解析公式的经验模型，如EE-HEMT模型、Angelov模型等，是直接对晶体管的直流IV(电流电压)和CV(电容电压)测试数据进行拟合，这类模型主要应用于A类或AB类这种弱非线性的功率放大器设计。而高效率开关类功率放大器工作在强非线性区，它通过对谐波阻抗进行调谐，控制输出电压电流波形，实现更高的效率。这类放大器设计时对晶体管模型谐波分量的模拟精度要求更高。而传统的经验模型仅考虑了基波和一阶导数的信息，高阶导数分量的误差较大，如果继续对模型进行微分或不恰当的参数提取的话，这些高阶导数分量的误差可能进一步放大，而且像EE-HEMT这种分段建立的模型，其高阶导数甚至不连续。因此，采用传统的经验模型来设计高效率开关类功率放大器将导致结果误差较大，很难满足应用需求。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题是提供一种高效率开关类功率放大器的晶体管建模方法，能够直接对晶体管的电量和电流的高阶导数分量进行拟合。为解决上述技术问题，本专利技术采用的一个技术方案是：提供一种高效率开关类功率放大器的晶体管建模方法，包括：S1：根据晶体管的类型选取等效电路拓扑；S2：对所述晶体管进行冷场测试以及在不同偏置点条件下进行热场测试，根据冷场测试结果和热场测试结果提取晶体管的外部寄生参数和本征参数；S3：根据所述本征参数和外部寄生参数建立晶体管小信号等效电路模型，并从所述本征参数中获取栅极电量随电压的变化关系；S4：将所述栅极电量对栅源电压进行高阶求导，选取所述栅极电量对栅源电压的三阶导数建立电量经验模型；S5：对所述晶体管进行直流电流电压测试，将测得的漏极电流对栅源电压进行高阶求导，并选取漏极电流对栅源电压的三阶导数建立电流经验模型；S6：对所述晶体管进行负载牵引测试获得测试数据，由所述小信号等效电路模型、电量经验模型和电流经验模型得到晶体管的非线性模型，并进行电路仿真模拟获得仿真数据，确定所述仿真数据与所述测试数据的吻合程度。优选地，在步骤S1之前，所述晶体管建模方法还包括：对晶体管的测试结构进行去嵌入处理。优选地，所述去嵌入处理的具体方式为利用开路结构消除并联电容的影响，利用短路结构消除串联电感和电阻的影响。区别于现有技术的情况，本专利技术的有益效果是：1、模型具有更高的精确度，可以准确模拟高次谐波信息，同时模型的复杂度没有明显提高；2、模型的高阶连续可导，收敛性较好；3、可以从各个阶数的维度来定义模型的参数，参数意义明确，易于提取初值。附图说明图1是本专利技术实施例高效率开关类功率放大器的晶体管建模方法的流程示意图。图2是GaAs pHEMT器件的本征参数的等效电路拓扑示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。参见图1，是本专利技术实施例高效率开关类功率放大器的晶体管建模方法的流程示意图。本实施例的晶体管建模方法包括以下步骤：S1：根据晶体管的类型选取等效电路拓扑。其中，晶体管的类型分为双极晶体管和场效应晶体管，双极晶体管包括BJT(Bipolar Junction Transistor，双极结型晶体管)、HBT(heterojunction bipolar transistor，异质结双极晶体管)等，场效应晶体管包括MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金氧半场效晶体管)、MESFET(Metal-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-半导体场效应晶体管)、HEMT(High Electron Mobility Transistor，高电子迁移率晶体管)等。晶体管的材料又包括GaAs、GaN、InP等，因此，不同类型的晶体管对应的等效电路拓扑和参数表达式均不同。以GaAs pHEMT器件为例，选取常用的18个参数的小信号等效电路拓扑，其中有9个本征参数和9个寄生参数。本征参数的等效电路拓扑如图2所示。S2：对晶体管进行冷场测试以及在不同偏置点条件下进行热场测试，根据冷场测试结果和热场测试结果提取晶体管的外部寄生参数和本征参数。其中，对晶体管进行冷场测试(即cold-FET测试)，然后根据冷场测试结果提取晶体管的外部寄生参数。外部寄生参数是不随频率和晶体管偏置点变化的。对晶体管在多个不同偏置点条件下进行热场测试(即hot-FET测试)，然后根据热场测试结果及所提取的外部寄生参数，并采用矩阵变换理论，提取晶体管的本征参数。本征参数在模型工作频率范围内可以认为是不随频率变化的。S3：根据本征参数和外部寄生参数建立晶体管的小信号等效电路模型，并从本征参数中获取栅极电量随栅源电压的变化关系。其中，晶体管的小信号等效电路模型是建立晶体管非线性模型的基础，因此，本步骤中首先建立小信号等效电路模型。本征参数包含栅极电量随栅源电压的变化关系，可为后续建立非线性模型做准备。S4：将栅极电量对栅源电压进行高阶求导，选取栅极电量对栅源电压的三阶导数建立电量经验模型。其中，选取栅极电量Cg对栅源电压Vgs的三阶导数建立电量经验模型，根据傅里叶级数展开理论，三阶项已经基本可以包含非线性函数的谐波信息，满足高效率功率放大器的设计要求，从而可以忽略高阶项误差的影响，而且相比于栅漏电压Vgd，栅源电压Vgs对栅极电量的影响更大。其中，g、s、d分别表示栅极、源极和漏极。本专利技术实施例以GaAs pHEMT晶体管为例，根据其栅极电量Cg随栅源电压Vgs变化的压缩特性，选取“sech”函数和“tanh”函数来描述栅极电量Cg对栅源电压Vgs的三阶导数随栅源电压Vgs的变化关系，同时，“sech”函数和“tanh”函数高阶连续可导，可使模型具有较好的收敛性。栅极电量Cg对栅源电压Vgs的三阶导数的经验解析表达式如下：Cg3＝a1·tanh(a2·V1)·sech2(a2·V1)+b1·tanh(b2·V2)·sech2(b2·V1) (1)V1＝Vgs-VmaxV2＝Vgs-VminVmax和Vmin分别表示栅极电量Cg的二阶导数的最大值和最小值点对应的栅源电压Vgs，a1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高效率开关类功率放大器的晶体管建模方法，其特征在于，包括：S1：根据晶体管的类型选取等效电路拓扑；S2：对所述晶体管进行冷场测试以及在不同偏置点条件下进行热场测试，根据冷场测试结果和热场测试结果提取晶体管的外部寄生参数和本征参数；S3：根据所述本征参数和外部寄生参数建立晶体管的小信号等效电路模型，并从所述本征参数中获取栅极电量随栅源电压的变化关系；S4：将所述栅极电量对栅源电压进行高阶求导，选取所述栅极电量对栅源电压的三阶导数建立电量经验模型；S5：对所述晶体管进行直流电流电压测试，将测得的漏极电流对栅源电压进行高阶求导，并选取漏极电流对栅源电压的三阶导数建立电流经验模型；S6：对所述晶体管进行负载牵引测试获得测试数据，由所述小信号等效电路模型、电量经验模型和电流经验模型得到晶体管的非线性模型，并进行电路仿真模拟获得仿真数据，确定所述仿真数据与所述测试数据的吻合程度。

【技术特征摘要】
1.一种高效率开关类功率放大器的晶体管建模方法，其特征在于，包括：S1：根据晶体管的类型选取等效电路拓扑；S2：对所述晶体管进行冷场测试以及在不同偏置点条件下进行热场测试，根据冷场测试结果和热场测试结果提取晶体管的外部寄生参数和本征参数；S3：根据所述本征参数和外部寄生参数建立晶体管的小信号等效电路模型，并从所述本征参数中获取栅极电量随栅源电压的变化关系；S4：将所述栅极电量对栅源电压进行高阶求导，选取所述栅极电量对栅源电压的三阶导数建立电量经验模型；S5：对所述晶体管进行直流电流电压测试，将测得的漏极电流对栅源电压进行高阶求导，并选取漏极电流对栅...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈勇波，
申请(专利权)人：成都海威华芯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51