大功率器件的设计测试方案

演讲人:刘迪资深应用工程师大功率器件的设计测试方案大功率器件的设计测试方案大功率器件的设计测试方案Page2目标•充分了解大功率器件设计测试的关键问题•初步理解基于非线性矢网的大功率器件完整测试方案•探讨基于GaN晶体管的X参数来设计45W功放的实例•基于ADS的X参数仿真实例(10WGaN和100WLDMOS晶体管)大功率器件的设计测试方案Page3内容•功率器件及功放概述•功率器件设计测试的关键问题及解决方案•大功率器件的完整测试方案•基于X参数的L波段45WGaN功率放大器设计实例•基于ADS的X参数仿真实例大功率器件的设计测试方案Page4问题•问题1：怎么得到功率晶体管的准确模型以便设计仿真？•问题2：厂家提供的物理模型为什么不够完整准确？•问题3：为什么我的功率晶体管一加电就振荡？•问题4：怎么知道功率晶体管的最佳源阻抗和负载阻抗？•问题5：如何评估功率器件所需的测试夹具？•问题6：怎么实现对功率器件的脉冲供电和脉冲激励？同步？•问题7：如何评估loadpull系统的准确性？•问题8：active/passiveharmonicloadpull的优劣大功率器件的设计测试方案Page5内容•功率器件及功放概述•功率器件设计测试的关键问题及解决方案•大功率器件的完整测试方案•基于X参数的L波段45WGaN功率放大器设计实例•基于ADS的X参数仿真实例大功率器件的设计测试方案功率器件及功放概述表1.1不同的半导体材料性能对比表1.1不同的半导体材料性能对比不同的半导体材料性能对比不同的半导体材料功率和频率对比型号频率范围GHz输出功率W功率增益dB功率效率生产厂家BLF6G20LS-1101.8～211018.556%NXPMRF6S21050LR32.11~2.17501651%FreescaleFLM5359-4F5.3~5.9510.537%SUMITOMOCGH400250.5~6251362%Cree一些典型的功率晶体管性能指标大功率器件的设计测试方案设计功放的期望指标表1.1不同的半导体材料性能对比表1.1不同的半导体材料性能对比ACPR(accuracy1dB)VSWR=2.5maxVccIccMatchingNetworkMatchingNetworkAntZo=50ohm100WmaxPAE(accuracy3%)输出功率,电压/电流,功率效率，三阶互调失真，谐波失真，输入输出驻波比，增益，增益平坦度…以上所有参数都跟输入输出匹配、直流偏置、频率及功率有关大功率器件的设计测试方案Page8内容•功率器件及功放概述•功率器件设计测试的关键问题及解决方案•大功率器件的完整测试方案•基于X参数的L波段45WGaN功率放大器设计实例•基于ADS的X参数仿真实例大功率器件的设计测试方案Page9关键问题1：为什么我的功率晶体管一加电就振荡？怎么解决？Bias-Tee或直流偏置电路的简化电路模型低频振荡的解决方案：Bias-Tee或直流偏置的RF+DC端口的驻波要能覆盖到低频振荡分为：感性振荡和低频振荡，低频振荡是振荡最主要来源感性振荡的解决方案：栅极(基极)和漏极(集电极)的隔离要好，通常是2个电源通过DUT共地Agilent10MHz-50GHzBias-Tee11612VK22大功率器件的设计测试方案Page10关键问题2：如何评估功率器件所需的测试夹具？测试夹具分为：50ohm和非50ohm测试夹具的关键指标：频率范围、驻波比、连接器的一致性、左右对称性(S11=S22)测试夹具的典型构造DUT黄色即构成夹具的金属散热块，绿色线即PCB传输线LaunchLaunch大功率器件的设计测试方案Page11关键问题2：如何消除测试夹具的影响？需要从时域和频域来分析TRL校准件的设计好坏TRL校准件质量的高低决定了测试的不确定度TRL校准件的大致布局参考文献：安捷伦刘迪怎样设计和验证TRL校准件以及TRL校准的具体过程参考文献：安捷伦刘迪怎样设计和验证TRL校准件以及TRL校准的具体过程参考文献：安捷伦刘迪怎样设计和验证TRL校准件以及TRL校准的具体过程10MHz-20GHz宽带50ohm测试夹具和部分TRL校准件700MHz-14GHz宽带10ohm测试夹具和部分TRL校准件大功率器件的设计测试方案Page12关键问题3：怎么知道功率晶体管的最佳源阻抗和负载阻抗?基于阻抗调谐的功率器件测试系统功率晶体管的源端阻抗、负载端阻抗取何值时，功率晶体管有最大功率输出、最大转换增益Gt、最大功率附加效率（PAE）或最佳谐波等指标阻抗调谐器大功率器件的设计测试方案Page13关键问题4：怎么得到功率晶体管的准确模型以便设计仿真？功率晶体管的简约模型不适合描述器件的非线性特征非线性矢网NNVA+X参数大功率器件的设计测试方案Page14关键问题5：怎么实现对功率器件的脉冲供电和脉冲激励？同步？PNA-X后面板脉冲接口PNA-X内部脉冲框图AMCAD脉冲电源大功率器件的设计测试方案Page15关键问题5：怎么实现对功率器件的脉冲供电和脉冲激励？同步？基于AMCAD电源+NVNA的loadpull测试框图MauryTunerMauryTunerPartofU3020AH01CreeCGH3520F(240W)in50ohmtestfixturePartofU3020AH01N6705BDCPowerAnalyzer(Gate)AMCADPulsePowerSupply(Drain)AR40WPre-amp0.7-4.2GHzHighpowerattenuatorDUTInput:42dBmOutput:53.8dBmBIAsBIAsAttenuator大功率器件的设计测试方案Page16关键问题6：如何评估loadpull系统的准确性？∆Gt是loadpull系统用来评估测量精度的一个重要指标，需要注意的是：要在源tuner和负载tuner的最大驻波比范围内看∆Gt，而非sourcetuner和loadtuner50ohm位置处。基于阻抗调谐的功率器件测试系统∆Gt误差的来源1：tuner本身的一致性2：测试仪器本身的稳定性3：测试电缆和连接器的一致性4：校准件和校准方法的精度5：loadpull系统所采用的测量算法∆Gt一般工程要求是0.2dB以内(在驻波比20:1甚至30:1)，0.1dB最好大功率器件的设计测试方案关键问题7：active/passiveharmonicloadpull系统的优劣？Page17passiveloadpull系统activeloadpull系统大功率器件的设计测试方案Page18内容•功率器件及功放概述•功率器件设计测试的关键问题及解决方案•大功率器件的完整测试方案–测试框图–非线性矢网NVNA–阻抗调谐器–大功率附件•基于X参数的L波段45WGaN功率放大器设计实例•基于ADS的X参数仿真实例大功率器件的设计测试方案Page19测试框图大功率器件的典型测试框图大功率器件的设计测试方案Page20内容•功率器件及功放概述•功率器件设计测试的关键问题及解决方案•大功率器件的完整测试方案–测试框图–非线性矢网NVNA–阻抗调谐器–大功率附件•基于X参数的L波段45WGaN功率放大器设计实例•基于ADS的X参数仿真实例大功率器件的设计测试方案Page21非线性矢网NVNA非线性分析的新的行业标准(10MHz-13.5/26.5/43.5/50GHz/67GHz)基于标准PNA-X网络分析仪，增加非线性选件连续波、脉冲和Two-ToneX参数测量（代替S参数）PHD多次谐波失真大信号模型提取电流、电压时域波形测量动态负载线测量窄脉冲（皮秒级分辨率）4端口高性能矢网PNA-XNVNA的3种校准件电子校准件EcalUSB功率探头相位参考件大功率器件的设计测试方案Page22非线性矢网NVNA的工作原理SignalSeparationandStimulusDUTIFandDigitizationLOSourceIntermediateFrequencya1b1a2b2a1b1a2b2Input/OutputWavesrefHarmonicPhaseReferenceDomainDisplayFrequencyRFSourceFrequencyNVNA的基波、谐波之间的相位差测量框图80dB功率范围线性度误差不超过0.01dBNVNA采用8项系统误差模型NVNA的接收机具有非常好的线性度大功率器件的设计测试方案Page23非线性矢网NVNA的校准NVNA的校准向导：矢量校准、相位校准和接收机功率校准非线性矢网NVNA的校准分成三步：矢量校准、相位校准和接收机功率校准大功率器件的设计测试方案Page24非线性矢网NVNA的校准非线性矢网NVNA的校准分成三步：矢量校准、相位校准和接收机功率校准矢量校准接收机功率校准相位校准大功率器件的设计测试方案Page25非线性X参数(连续波和脉冲)功率器件及功放的线性S参数与非线性X参数线性:S参数InOutSInS非线性:X参数InOutXInInOutOutXInInIn大功率器件的设计测试方案Page26非线性X参数(连续波和脉冲)X参数定义2A1A1B2B定义•i=输出端口指数•j=输出频谱指数•k=输入端口指数•l=输入频谱指数描述•X-参数提供功率器件输入每个频谱分量与输出每个频谱分量之间的相互关系.*,(1,1)()()()11,11,11()()()jjljlijklklklFSTijijklijklbPPaaPaaaXXX大功率器件的设计测试方案Page27非线性X参数(连续波和脉冲)X参数是一个表征功放特性的图书馆Vg,Vd,Freq,GammaLoad,１页扫频率扫Vg扫负载扫Vd扫功率X-参数１章１冊系列本书架图书馆大功率器件的设计测试方案Page28非线性X参数(连续波和脉冲)脉冲X参数中的脉冲设置X参数的测量过程大功率器件的设计测试方案Page29内容•功率器件及功放概述•功率器件设计测试的关键问题及解决方案•大功率器件的完整测试方案–测试框图–非线性矢网NVNA–阻抗调谐器–大功率附件•基于X参数的L波段45WGaN功率放大器设计实例•基于ADS的X参数仿真实例大功率器件的设计测试方案Page30阻抗调谐器tuner的内部框图ProbeassemblySlab-lineassemblyCarriageassembly频率范围可调谐的阻抗范围最大承受功率关键指标阻抗一致性Tuner：一种在某个频率范围内能够提供不同阻抗的设备大功率器件的设计测试方案Page31内容•功率器件及功放概述•功率器件设计测试的关键问题及解决方案•大功率器件的完整测试方案–测试框图–非线性矢网NVNA–阻抗调谐器–大功率附件•基于X参数的L波段45WGaN功率放大器设计实例•基于ADS的X参数仿真实例大功率器件的设计测试方案Page32大功率附件大功率附件性能对于NVNA测试至关重要R1AR3CNVNAMainToneExtractionToneAmpPort1Port3CombinerReferenceCouplerTestCouplerTestCouplerReferenceCouplerTransferSwitch非线性NVNA的测试框图大功率附件的关键指标–预放：谐波指标-20dBc@功率输出、频率范围等–定向耦合器：方向性、驻波、耦合系数、承受功率、驻波、插损、频率范围等–衰减器：衰减系数、最大承受功率、驻波、频率范围等–Bias-Tee：最大CW功率、驻波、RF/DC隔离、最大电压/电流、频率范围等–测试夹具：最大CW功率、驻波、阻抗、频率范围等大功率器件的设计测试方案•功率器件及功放概述•功率器件设计测试的关键问题及解决方案•大功率器件的完整测试方案•基于X参数的L波段45WGaN功率放大器设计实例•基于ADS的X参数仿真实例Page33内容大功率器件的设计测试方案Page34基于X参数的45WGaN