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1、第三章,微波晶体管放大器,主要内容,微波双极结型晶体管 微波场效应晶体管 微波晶体管放大器的特性 小信号微波晶体管放大器的设计 微波晶体管功率放大器特性 用小信号S参数设计微波晶体管功率放大器,3.1 引 言,分类： 晶体管器件分为结型晶体管和场效应晶体管。 用途：放大器、振荡器、开关、移相器、有源滤波器 结型晶体管包括双极结型晶体管和异质结双极型晶体管，它既可以是NPN结构，也可以是PNP结构。 材料：结型晶体管是使用硅、硅-锗、砷化镓和铟化磷材料制成。 世界上第一只点接触三极管出现在1948年，随着半导体材料的不断改进和更新，晶体管的品种和性能取得了飞速发展。,3.1 引 言,20世纪50
2、年代，三极管基本选用的是锗材料，其性能和可靠性都受到很大限制，基本没有实用器件进入微波领域。 20世纪60年代初，随着硅材料的改进和平面工艺的出现，硅三极管性能的改进不仅使其工作频率进入微波领域，而且还在不断提高。 硅结型晶体管用作放大器，频率范围可达210GHz，而用在振荡器中时频率高达20GHz。 使用SiGe的结型晶体管可用于20GHz或更高工作频率。 异质结双极型晶体管（HBT）使用GaAs或InP材料，能在超过100GHz的频率工作。,3.1 引 言,场效应晶体管（FET）可有多种类型： 金属半导体场效应晶体管（MESFET） 高电子迁移率晶体管（HEMT） 赝晶型高电子迁移率晶体管
3、（PHEMT） 金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET） 金属绝缘物半导体场效应晶体管（MISFET）,3.1 引 言,GaAs材料：载流子迁移率高、耐高温、抗辐射，适用于微波和高速器件。 GaAs FET和HEMT对低噪声放大器特别有用。 硅微波晶体管主要用在S波段以下，价格便宜，可靠性高。 GaAs FET 主要用在SK波段，价格较高，可靠性不如硅。 HEMT和HBT主要用在毫米波。,3.2 微波双极结型晶体管,双极晶体管（BJT）由两个相距很近的PN结组成，它包含电子和空穴两种极性的载流子参与导电，所以称为双极晶体管（以区别单极管与FET），它是目前应用最广泛的半导体器件之一。 硅双
4、极晶体管在X频段以下有优势，而AlGaAs/GaAs异质结双极晶体管（HBT）在超过200GHz上占优势。 工作原理和直流特性与普通三极管相似。,微波硅双极性晶体管,微波双极晶体管结构图,微波硅双极性晶体管,双极晶体管共射极简化等效电路,结构尺寸大大缩小，基区宽度可小于0.1微米。 管壳有更小的分布参数。,Cbc ,Cbe , Cce : 封装电容,Lb ,Le , Lc : 封装电感,0 : Ic/Ie （Vcb=0），发射极到集电极的电流传输系数（ =/（1+ ）,晶体管的增益带宽积fT(即特征频率) 反映高频放大性能,ec是发射极到集电极的总延迟时间,微波硅双极性晶体管,提高微波双极晶体
5、管增益带宽积的措施： 在功率容量和可靠性允许的条件下，应尽量减小发射极面积。 可减小基区宽度WB，电极尺寸受工艺水平限制，同时也影响器件的承受功率。 另一种方法是恰当地选择基区掺杂浓度与梯度来实现漂移场，加速载流子的运动速度。,微波硅双极性晶体管,微波双极晶体管交指型结构示意图,高频“集边效应”，使发射电流只集中在发射极的周界上，条带结构增加周长与面积比。 减小基区横向电阻，降低噪声。,低噪声双极晶体管,功率增益 GP ：在某一特定测试条件下，晶体管的输出功率与输入功率之比。,低噪声双极晶体管,几种功率增益： 插入增益GT：即共射极接法的微波管，插入到特性阻抗为Z0的传输系统中所提供的功率增益
6、。 （s= L= 0） 最大可用功率增益Gmax（或MAG）:它是指在晶体管输入和输出完全共轭匹配条件下，晶体管所能提供的最大实用功率增益，即 最大单向功率增益Gu，它与Gmax的不同在于它忽略内部反馈，即假定S12=0时的最大功率增益为,低噪声双极晶体管,微波双极晶体管GT、Gmax、 Gu与频率的关系,规律：6dB/倍频程下降,低噪声双极晶体管,噪声系数F ：晶体管的输入端信号/噪声功率比与输出端信号/噪声功率比的比值。 噪声来源： 热噪声：主要由载流子的不规则热运动引起的，它的大小与晶体管本身欧姆电阻有关。 散粒噪声：由于电流流动时载流子运动的起伏产生的，其大小与电流成正比。 闪烁噪声：
7、一般认为与半导体制造工艺及表面处理情况有关。,低噪声双极晶体管,双极晶体管的噪声系数随频率的变化,1/f 噪声,白噪声,噪声系数,定义：在输入噪声功率为kT0B 时，网络输入信噪比与输出信噪比的比值，反映了网络产生的噪声大小或者Te 。 其中:,J/K，波尔兹曼常数,T0是常温290K,即输入噪声功率为-174dBm/Hz,网络产生的噪声功率：kTeB，Te为等效噪声温度。,网络产生的噪声功率不变；网络输入和输出信噪比的恶化与输入的噪声功率有关；信噪比不会改善。,常温下，无源网络的插损为L，则,线性二端口网络的噪声系数F可以表示为：,式中：Rn为线性二端口网络的等效噪声电阻。,：二端口网络的最
8、小噪声系数。,YsoptGsopt+jBsopt：获得最小噪声系数 要求的最佳信号导纳。,它们都可以用测量的方法得到。,YsGs+jBs为信号源导纳,功率双极晶体管,耗散功率大于1W的晶体管被定义为功率晶体管 电流容量大，要求增大发射极周长以及发射区和基区面积。即获得最大的发射极周长/面积的比值。 电极结构：梳状结构、覆盖结构和网状结构。,功率双极晶体管,主要指标有： 输出功率 功率增益 工作类别,功率双极晶体管输出功率,取决于自身的电流和电压承受能力 常用的输出功率定义： 饱和输出功率 P0：指微波功率管在特定测试条件下所能获得的最大输出功率。 线性输出功率 P1dB：也称为1dB增益压缩时
9、的输出功率。 脉冲输出功率Pp ：当晶体管在脉冲工作状态下（脉冲调制微波），所能获得的最大输出功率。 Pp P0,功率双极晶体管,晶体管输入-输出功率曲线,晶体管在小信号工作时，其功率增益保持不变。但随着输入信号的增大，晶体管开始进入非线性区，这时功率增益将随着输入增加而逐渐下降。当增益下降到比线性增益低1dB时，所对应的输出功率即定义为1dB压缩输出功率，有时也简称为线性输出功率。,功率双极晶体管功率增益,取决于晶体管的fT及其动态阻抗。 功率管的测试往往是基于获得最大输出功率，而对应的增益就不是最大，一般给出的值都与输出功率状态相对应。 由于功率放大器是非线性工作，小信号线性分析已不适用，
10、目前实际电路设计中常采用以下三种方法，即动态阻抗法、大信号S参数法和负载牵引法，因而对功率晶体管要求给出各种相应的附加参数。,说明：,工作类别,有三类，即甲、乙、丙三类（也称为A、B、C三类）。,甲类：发射结处于正向偏压，静态时维持较高的静态电流。 特点：增益高、噪声低、线性好； 缺点：输出功率小且效率低，其理论效率为50%，实际25%40%,乙类：发射结处于零偏压，静态时无电流，在外信号到来时，开启发射极结才能进行放大，只是开启功率要比丙类小。 特点：与甲类相比是输出功率大，效率高，其理论最高效率可达78%；而与丙类相比是线性好，增益高。 为克服零偏压处的失真，也可稍加一点正向偏压，这称甲乙
11、类（或AB类）放大。,丙类：发射结处于反向偏压，静态时没有直流电流(只有很小的集电极反向漏电流)，当外信号到来时，将发射结打开，才起放大作用。 特点：输出功率大，集电极效率高，最高理论效率可接近100%，实际可达50%70%； 缺点：增益低、线性差和噪声大。,异质结双极晶体管（HBT）,硅双极晶体管是采用同一半导体材料形成PN结，称同质结双极晶体管。 结构上存在基极电阻与发射极注入效率间的矛盾，限制频率提高。 由不同半导体材料接触形成的异质结双极晶体管HBT可从根本上克服这个矛盾。,采用发射极比基极有更宽禁带的半导体。 通过选择异质结能带，使HBT的电流增益与基极和发射极掺杂无关，降低了基极电
12、阻、输出电导以及发射极耗尽电容，从而大大改善了高频性能。,3.3 微波场效应晶体管,GaAs MESFET GaAs HEMT,GaAs MESFET,GaAs MESFET的结构示意图,工作原理：控制栅压Vgs（）可以灵敏改变耗尽层的宽窄，从而调制沟道厚度，最终达到控制漏流Ids（）,Vgs0,GaAs MESFET,（a）管芯等效电路 （ b）等效电路元件在结构中的位置,MESFET管芯等效电路,Cgs: 栅源部分耗尽层结电容,Rg, Rs, Rd:栅、源和漏极串联电阻（体电阻及引出端接触电阻） gm: 小信号跨导， gm Vgi 受控电流源,GaAs MESFET,参数包括：零栅漏极电流
13、Idss、共源正向跨导gm、栅漏击穿电压VBR、夹断电压Vp以及栅-源截止电流Igss等。 频率参数fT的定义与双极晶体管的不同，它由下式表示： Cgs是FET的栅-源电容， gm是共源正向跨导，其定义为：在共源电路中，固定漏压下，单位栅压改变引起的漏极电流改变，即 ，Vds=常数。,GaAs MESFET,Vgs/Vp =0,MESFET中Ids、与Vgs、Vds的关系曲线,低噪声GaAs FET,功率增益 Gp小功率时插入增益一般不符合6dB/倍频程的下降规律。但其最大单向化功率增益和最大可用功率增益（或MAG）仍符合6dB/倍频程的下降规律。 噪声系数 F：随频率的变化与双极管不同，随频
14、率单调上升，在低频段上升缓慢。,功率GaAs FET,输出功率P0和最佳负载,GaAs FET的输出特性曲线,VBR是栅漏击穿电压,功率GaAs FET,饱和输出功率P0 、线性输出功率P1dB和脉冲输出功率PP。 功率增益Gp ：取决于fT和动态阻抗，与输出功率有关。,高电子迁移率晶体管（HEMT）,P-HEMT的结构图,低沟道电阻和源电阻，使噪声系数极低。,3.4 微波晶体管放大器的特性,微波晶体管放大器的主要指标: 功率增益 噪声系数 稳定性 输入和输出驻波比（VSWR） 输出功率 工作频带 线性度 动态范围,微波晶体管的S参数,晶体管四个S参数的物理意义,S11是晶体管输出端接匹配负载
15、时的输入端电压反射系数 S22是晶体管输入端接匹配负载时的输出端电压反射系数 S21是晶体管输出端接匹配负载时的正向传输系数， 代表功率增益 S12是晶体管输入端反向传输系数，代表晶体管内部反馈的大小,晶体管四个S参数的特点,S11,S22,双极晶体管,双极晶体管 输入输出等效电路,MESFET 输入输出等效电路,晶体管四个S参数的特点,双极晶体管的S21在频率低时较大，但随频率升高而下降快，通常以6dB/倍频程速率下降， MESFET在一定频率范围内变化较小，因此有利于宽带设计。 双极晶体管和MESFET的S12都随频率升高而增大。 MESFET的S12要小得多，作放大器时稳定性好；作振荡器
16、时，需加外反馈元件。,微波晶体管放大器的增益,负载端与信源端的反射系数分别为:,微波晶体管放大器的增益计算,放大器功率增益的三种定义,转换功率增益 资用功率增益 实际功率增益,转换功率增益GT,定义：放大器负载吸收的功率PL与信源可用功率Pa之比。 当晶体管2-2端口接负载ZL时， 。,输入端：,对应输入阻抗：,同理，当1-1端口接信源阻抗ZS时（将信号源aS短路）， 可求得输出端反射系数：,（3.16a）,转换功率增益GT,入射功率 （3.17a） 反射功率 （3.17b） 放大器输入功率 （3.17c） 信号源可用功率 （3.17d）,转换功率增益GT,其中 aS是信号源接匹配负载时的归一化入射波。,转换功率增益,转换功率增益与晶体管的S参数和负载阻抗、信源阻抗都有关系，即大小与两个端口的匹配程度都有关。 物理意义：插入放大器后负载实际得到的功率是无放大器时可能得到的最大功率
