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LDMOS功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LDMOS器件即Motorola的大部分器件均提供ADS仿真的模型，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LDMOS器件的工作点、输入输出阻抗及其对应的线性指标、电流、增益等电参数。
1 LDMOS器件模型
首先我们了解一下Motorola的LDMOS器件库的情况。图1.1是其在原理图中的符号。
图1.1 Motorola LDMOS器件模型
它的器件分为两类：单管(MRF_MET_MODEL & MRF_ROOT_MODEL)和对管(MRF_MET_PP_MODEL & MRF_ROOT_PP_MODEL)。从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ROOT模型。
MET LDMOS 模型(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模型是一种基于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。ROOT模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[2]。
图1.2大信号等效电路MET LDMOS 模型
图1.3 小信号等效电路MET LDMOS 模型
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的MET模型。下面我们按照设计的一般步骤，对MRF9045进行仿真、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℃)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 LDMOS管有三个参数：TSNK-Heat Sink Temp, RTH -Thermal Resistance coeff., CTH -Thermal Capacitance, 该电路均使用默认值。
图2.1 常温直流偏置仿真电路
仿真结果如图2.2所示：
Drain Current versus Bias CurvesMove Marker m1 to update values below:Device PowerConsumption atVDSm1 bias point,Watts27.00010.1502.5IDS.im12.0indep(m1)=27.000SIM1.VGS=3.600000vs(IDS.i,VDS)=0.3761.51.00.50.001020VDS304050SIM1.VGS=4.000SIM1.VGS=3.900SIM1.VGS=3.800SIM1.VGS=3.700m1SIM1.VGS=3.600SIM1.VGS=3.500SIM1.VGS=3.400SIM1.VGS=3.300SIM1.VGS=3.200
图2.2 常温直流偏置仿真结果
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。
图2.3 漏级电流随温度和栅源电压变化的仿真电路
1.61.4VGS=4.000VGS=3.9001.2IDS.i, A1.00.80.60.40.20.0-40-20020406080VGS=3.800VGS=3.700VGS=3.600VGS=3.500VGS=3.400VGS=3.300VGS=3.200Temp
图2.4 漏级电流随温度和栅源电压变化的仿真结果
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）。
图2.5 给定漏极电流计算栅源电压随温度的变化
3.753.703.65VGS3.603.553.503.45-40-20020406080Temp
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/℃。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℃～80℃范围内）。