第三章微波晶體管放大器1

1、張張 小小 川博士川博士23.13.1 微波晶體管的總類(lèi)與特性微波晶體管的總類(lèi)與特性TransistorInputMatchingNetworkOutputMatchingNetwork50W W50W WDC BiasCircuit33.13.1 微波晶體管種類(lèi)與特性微波晶體管種類(lèi)與特性 Bipolar Transistors Field Effect Transistor BJT HBT： JFET4 Field Effect Transistor MESFET：金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管體管GaAs, 2-12GHz，振蕩器、功放。振蕩器、功放。 HEMT: High El

2、ectron Mobility Transistor，高電子遷移率晶體，高電子遷移率晶體管管, GaAs, AlGaAs, 2-40GHz PHEMT，贗晶型高電子遷移率晶贗晶型高電子遷移率晶體管體管GaAs, AlGaAs, 2-40GHz，LNA。 MOSFETFET3.1 3.1 微波晶體管種類(lèi)與特性微波晶體管種類(lèi)與特性5BJTBJT硅雙極型硅雙極型微波晶體管微波晶體管Wb Base lengthCollector buffer layerCollector subtrate集電極集電極C基極基極B基極基極B0.1um1.5um125umCbe=t tbgm 擴(kuò)散電容障礙擴(kuò)散電容障礙rb

3、brecbebrccrbc6硅 BJT 頂視圖發(fā)射極發(fā)射極 E基極基極 B發(fā)射極發(fā)射極 E基極基極 BPower BJTEmitter width0.5-2umEmitterPeriphery(length)1um7BJT BJT 封裝封裝低噪聲雙極晶體管低噪聲雙極晶體管雙極晶體管共射極簡(jiǎn)化等效電路雙極晶體管共射極簡(jiǎn)化等效電路 Package dependentIntrinsic model(Bias dependent)9微波硅雙極性晶體管延時(shí)延時(shí)t tececBase lengthCollectordepletion layerCollectorsubtrateCEBB0.1um1.5um

4、125umt tct tbt tdt tebt tet tec= t te+ t teb+ t tb+ t td +t tc微波硅雙極性晶體管微波硅雙極性晶體管晶體管的增益帶寬積晶體管的增益帶寬積f fT T（即特征頻率）為：（即特征頻率）為：式中， 是發(fā)射極到集電極的總延遲時(shí)間； 為發(fā)射極結(jié)電容； 為基極-集電極結(jié)電容； 為連接到基極的任何其他電容； 是基區(qū)寬度； 是一個(gè)包括基極區(qū)緩變摻雜分布影響在內(nèi)的因子，對(duì)于均勻摻雜， ； 是耗盡區(qū)的渡越時(shí)間； 是載流子速度；DpB是基區(qū)內(nèi)少子擴(kuò)散系數(shù)。 12()1222ecpCBBTecCpBsKT CCCXWWfqIDvt（這里假定（這里假定CEII

5、） ecteCcCpCBW2CBXWsv微波硅雙極性晶體管 在功率容量和可靠性允許的條件下，應(yīng)盡量減小發(fā)射極面在功率容量和可靠性允許的條件下，應(yīng)盡量減小發(fā)射極面積。積。 可減小基區(qū)寬度可減小基區(qū)寬度WB，電極尺寸受工藝水平限制，同時(shí)也，電極尺寸受工藝水平限制，同時(shí)也影響器件的承受功率影響器件的承受功率。另另一種方法是恰當(dāng)?shù)剡x擇基區(qū)摻雜濃度與梯度來(lái)實(shí)現(xiàn)漂移一種方法是恰當(dāng)?shù)剡x擇基區(qū)摻雜濃度與梯度來(lái)實(shí)現(xiàn)漂移場(chǎng)，加速載流子的運(yùn)動(dòng)速度。場(chǎng)，加速載流子的運(yùn)動(dòng)速度。 12異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT） AlGaAs/GaAs Heterojunction13Heterojunction 常用材料Emitter(

6、n+) Base (P)SubstrateAlGaAsGaAsGaAsInAlAsInGaAsInGaAsInGaPGaAsGaAsSiSiGeSiGe14HBT MMIC Layout隔離隔離集電極集電極contact基極的基臺(tái)基極的基臺(tái)基極基極 contact發(fā)射極的基臺(tái)發(fā)射極的基臺(tái)發(fā)射發(fā)射 contact15BJT v.s. HBT 相同點(diǎn)：縱向電流，提供雙載子電流不同點(diǎn)BJTHBTB-E接面同質(zhì)(silicon)異質(zhì)基極摻雜濃度5x108 cm-3HigherrbeVT / IBLowerVSat(e-)0.7x107 cm/sHigher 2x107Gain (gm)IC/ VTHi

7、gherBase thickness0.1umSmall 0.06umfTfT=gm/2pCbeHigherSubstrateLossyHigh resistance低噪聲雙極晶體管 功率增益功率增益 GP ：功率增益定義為在某一特定測(cè)試條件下，：功率增益定義為在某一特定測(cè)試條件下，晶體管的輸出功率與輸入功率之比。晶體管的輸出功率與輸入功率之比。 PoiGP PoPiP低噪聲雙極晶體管幾種功率增益：幾種功率增益：插入增益GT：即共射極接法的微波管，插入到特性阻抗為Z0的傳輸系統(tǒng)中所提供的功率增益。定義可知：最大可用功率增益Gmax（或MAG）:它是指在晶體管輸入和輸出完全共軛匹配條件下，晶體管

8、所能提供的最大實(shí)用功率增益，即最大單向功率增益Gu，它與Gmax的不同在于它忽略?xún)?nèi)部反饋，即假定S12=0時(shí)的最大功率增益為： 221TGS221max12(1)SGKKS22221122111SSSGu低噪聲雙極晶體管低噪聲雙極晶體管噪聲系數(shù)F ：晶體管噪聲系數(shù)的基本定義是晶體管的輸入端信號(hào)/噪聲功率比與輸出端信號(hào)/噪聲功率比的比值。1iioooipS NNFSNNG低噪聲雙極晶體管熱噪聲：主要由載流子的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)引起的，它的大小與熱噪聲：主要由載流子的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)引起的，它的大小與晶體管本身歐姆電阻有關(guān)。晶體管本身歐姆電阻有關(guān)。散粒噪聲：由于電流流動(dòng)時(shí)載流子運(yùn)動(dòng)的起伏產(chǎn)生的，其大散粒噪聲

9、：由于電流流動(dòng)時(shí)載流子運(yùn)動(dòng)的起伏產(chǎn)生的，其大小與電流成正比。小與電流成正比。閃爍噪聲：一般認(rèn)為與半導(dǎo)體制造工藝及表面處理情況有關(guān)。閃爍噪聲：一般認(rèn)為與半導(dǎo)體制造工藝及表面處理情況有關(guān)。 低噪聲雙極晶體管低噪聲雙極晶體管雙極晶體管的噪聲系數(shù)隨頻率的變化雙極晶體管的噪聲系數(shù)隨頻率的變化 corner frequency功率雙極晶體管 耗散功率大于耗散功率大于1W1W的晶體管被定義為功率晶體管，它和低的晶體管被定義為功率晶體管，它和低噪聲管的不同之處在于功率晶體管要求更大的電流容量以噪聲管的不同之處在于功率晶體管要求更大的電流容量以提高輸出功率，為提高電流容量就要增大發(fā)射極周長(zhǎng)以及提高輸出功率，為提

10、高電流容量就要增大發(fā)射極周長(zhǎng)以及發(fā)射區(qū)和基區(qū)面積，微波功率管的設(shè)計(jì)就是要在發(fā)射區(qū)和基區(qū)面積，微波功率管的設(shè)計(jì)就是要在這就比低噪聲管有更多的結(jié)構(gòu)形式。這就比低噪聲管有更多的結(jié)構(gòu)形式。目前常用的有三種電極結(jié)構(gòu)，即梳狀結(jié)構(gòu)、覆蓋結(jié)構(gòu)和網(wǎng)目前常用的有三種電極結(jié)構(gòu)，即梳狀結(jié)構(gòu)、覆蓋結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。狀結(jié)構(gòu)。 功率雙極晶體管輸出功率；功率增益輸出功率；功率增益 ；工作類(lèi)別；工作類(lèi)別 。 晶體管的輸出功率本質(zhì)上取決于自身的電流和電壓的承受晶體管的輸出功率本質(zhì)上取決于自身的電流和電壓的承受能力，微波功率管由于應(yīng)用場(chǎng)合不同，有幾種輸出功率定能力，微波功率管由于應(yīng)用場(chǎng)合不同，有幾種輸出功率定義，不同定義的輸出功率值

11、差別很大。幾種常用的輸出功義，不同定義的輸出功率值差別很大。幾種常用的輸出功率定義為：率定義為：飽和輸出功率飽和輸出功率 P0：指微波功率管在特定測(cè)試條件下所能指微波功率管在特定測(cè)試條件下所能獲得的最大輸出功率。獲得的最大輸出功率。 功率雙極晶體管輸出功率線(xiàn)性輸出功率線(xiàn)性輸出功率 P1dB：也稱(chēng)為也稱(chēng)為1dB1dB增益壓縮時(shí)的輸出功率增益壓縮時(shí)的輸出功率，晶體管在小信號(hào)工作時(shí)，其功率增益保持不變，但隨著，晶體管在小信號(hào)工作時(shí)，其功率增益保持不變，但隨著輸入信號(hào)的增大，晶體管開(kāi)始進(jìn)入非線(xiàn)性區(qū)，這時(shí)功率增輸入信號(hào)的增大，晶體管開(kāi)始進(jìn)入非線(xiàn)性區(qū)，這時(shí)功率增益將隨著輸入增加而逐漸下降，當(dāng)增益下降到比線(xiàn)

12、性增益益將隨著輸入增加而逐漸下降，當(dāng)增益下降到比線(xiàn)性增益低低1dB1dB時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸出功率即定義為時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸出功率即定義為1dB1dB壓縮輸出功率，壓縮輸出功率，有時(shí)也簡(jiǎn)稱(chēng)為線(xiàn)性輸出功率。有時(shí)也簡(jiǎn)稱(chēng)為線(xiàn)性輸出功率。脈沖輸出功率脈沖輸出功率Pp ：當(dāng)晶體管在脈沖工作狀態(tài)下（脈沖調(diào)當(dāng)晶體管在脈沖工作狀態(tài)下（脈沖調(diào)制微波），所能獲得的最大輸出功率。制微波），所能獲得的最大輸出功率。 線(xiàn)性輸出功率 P1dBP1dB：壓縮工作區(qū)壓縮工作區(qū)1dB 輸入輸入1dB壓縮點(diǎn)壓縮點(diǎn) 輸出輸出1dB壓縮點(diǎn)壓縮點(diǎn)26最大輸出功率的估算VBKICMAXVkneemax,1,()1()()222CBKkneeOUT

13、 MAXdBBKkneeL OPT powerDSSIVVPPVVZIClass A:CH1 S21 1og MAG 1 dB/ REF 32 dB 30.991 dB 12.3 dBmC2 IF BW 3 kHz SWP 420 msecSTART 5 5dBm CW 902 MHz STOP 15 dBm1 dB compression point: 輸入功率增加導(dǎo)致器件增益下降輸入功率增加導(dǎo)致器件增益下降1dBl輸出輸出1dB壓縮點(diǎn)壓縮點(diǎn)(絕對(duì)測(cè)試絕對(duì)測(cè)試)采用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試采用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試輸入輸入1dB1dB壓縮點(diǎn)壓縮點(diǎn) 測(cè)試功率測(cè)試功率 測(cè)試頻率測(cè)試頻率01dB 輸入輸入1dB壓縮

14、點(diǎn)壓縮點(diǎn)28最大輸出功率最大輸出功率: : BFP420Bias for optimum output powerIC, MAX=35mA x 90% (安全安全范圍范圍) = 31.5mAVCE, MAX=4.5V29DC-IV Curive: BFP420012345Voltage (V)BFP420 DC-IV Curve01020304050 0.351 V 33.5Ic (mA)ICQ=16mAIMAX=32mAVMIN=0.35VVCEQ=2.4VVMAX=4.5V30最大輸出功率評(píng)估最大輸出功率評(píng)估Power Output EstimationICQ= 0.5 IMAX= 16m

15、AVCEQ= 0.5 x (VMAX + VMIN)= 2.4V (VCC=2.5V)P1dB= 0.5 x ICQ x (VCEQ - VMIN) = 16.4mW = 12.15dBmZOPT= (VCEQ - VMIN) /ICQ= 128W W若集若集極極看到看到128W W負(fù)載負(fù)載，輸出輸出功率功率將滿(mǎn)足將滿(mǎn)足足足10 dBm要求要求工作類(lèi)別 功率晶管體管放大器常采用的工作類(lèi)別有三類(lèi)，即甲、功率晶管體管放大器常采用的工作類(lèi)別有三類(lèi)，即甲、乙、丙三類(lèi)（也稱(chēng)為乙、丙三類(lèi)（也稱(chēng)為A A、B B、C C三類(lèi)）。三類(lèi)）。甲類(lèi)放大的工作特征：發(fā)射結(jié)處于正向偏壓，晶體管在甲類(lèi)放大的工作特征：發(fā)射結(jié)

16、處于正向偏壓，晶體管在靜態(tài)時(shí)維持較高的靜態(tài)直流電流。靜態(tài)時(shí)維持較高的靜態(tài)直流電流。優(yōu)點(diǎn)：增益高、噪聲低、線(xiàn)性好；優(yōu)點(diǎn)：增益高、噪聲低、線(xiàn)性好；缺點(diǎn)：輸出功率小且效率低，其理論效率為缺點(diǎn)：輸出功率小且效率低，其理論效率為50%50%，實(shí)際，實(shí)際只有只有25%25%40%40%。只在高線(xiàn)性要求時(shí)，才采用甲類(lèi)放大。只在高線(xiàn)性要求時(shí)，才采用甲類(lèi)放大。工作類(lèi)別（乙類(lèi)）乙類(lèi)放大的特征：發(fā)射結(jié)處于零偏壓，晶體管在靜態(tài)時(shí)也乙類(lèi)放大的特征：發(fā)射結(jié)處于零偏壓，晶體管在靜態(tài)時(shí)也無(wú)直流電流，也是在外信號(hào)到來(lái)時(shí)，開(kāi)啟發(fā)射極結(jié)才能進(jìn)無(wú)直流電流，也是在外信號(hào)到來(lái)時(shí)，開(kāi)啟發(fā)射極結(jié)才能進(jìn)行放大，只是開(kāi)啟功率要比丙類(lèi)小。行放大，

17、只是開(kāi)啟功率要比丙類(lèi)小。優(yōu)點(diǎn)：與甲類(lèi)相比是輸出功率大，效率高，其理論最高效優(yōu)點(diǎn)：與甲類(lèi)相比是輸出功率大，效率高，其理論最高效率可達(dá)率可達(dá)78%78%；而與丙類(lèi)相比是線(xiàn)性好，增益高。；而與丙類(lèi)相比是線(xiàn)性好，增益高。為了克服乙類(lèi)放大零偏壓處的失真，也可稍加一點(diǎn)正向偏為了克服乙類(lèi)放大零偏壓處的失真，也可稍加一點(diǎn)正向偏壓，以維持較小的靜態(tài)直流電流，這稱(chēng)甲乙類(lèi)（或壓，以維持較小的靜態(tài)直流電流，這稱(chēng)甲乙類(lèi)（或ABAB類(lèi)類(lèi)）放大。）放大。工作類(lèi)別（丙類(lèi)）丙類(lèi)放大的特征：發(fā)射結(jié)處于反向偏壓，晶體管在靜態(tài)時(shí)丙類(lèi)放大的特征：發(fā)射結(jié)處于反向偏壓，晶體管在靜態(tài)時(shí)沒(méi)有直流電流（只有很小的集電極反向漏電流），當(dāng)外信沒(méi)有直

18、流電流（只有很小的集電極反向漏電流），當(dāng)外信號(hào)到來(lái)時(shí)，將發(fā)射結(jié)打開(kāi)，才起放大作用。號(hào)到來(lái)時(shí)，將發(fā)射結(jié)打開(kāi)，才起放大作用。優(yōu)點(diǎn)：輸出功率大，集電極效率高，最高理論效率可接近優(yōu)點(diǎn)：輸出功率大，集電極效率高，最高理論效率可接近100%100%，實(shí)際可達(dá)，實(shí)際可達(dá)50%50%70%70%；缺點(diǎn)：增益低、線(xiàn)性差、噪聲大。缺點(diǎn)：增益低、線(xiàn)性差、噪聲大。34場(chǎng)效應(yīng)晶體管Field Effect Transistor (FET)Field Effect Transistor (FET)溝道溝道SubstrateSourceGateDrain(W/WO)耗盡型耗盡型耗盡區(qū)耗盡區(qū)（DepletionRegion）

19、LgtCH35中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠(chéng)金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管Metal Semiconductor FET Metal Semiconductor FET SGD耗盡區(qū)耗盡區(qū)SchottkybarrierGaAs0VGSVPCgs36高電子遷移率晶體管High Electron Mobility TransistorHigh Electron Mobility TransistorHeterojunctionVGSVPVGS037Heterojunction Heterojunction 結(jié)構(gòu)UndopedBuffer layerUndopedChannelSubstrateGaAs HEMTf30

20、GHzAlGaAsGaAsGaAsPM HEMTfVGSVP(-1-3V)2CHPtVtCH39VGSVT (Threshold Voltage)40 相同點(diǎn)：橫向電流，只提供單一載子電流不同點(diǎn)MESFET(P)HEMTJFETMOSFETmn ,vSHigherHighestLowLowfT , fMAXHigherHighestMediumLowGain (gm)HigherHighestMediumLowNoiseLowLowestLowHighSubstrateHigh resistanceHigh resistanceLossyLossyCostHigherHighestMedium

21、Cheep41晶體管的低頻（晶體管的低頻（1/f1/f）噪聲）噪聲HEMTHBT1/f NoiseThermal Noise42晶體管的高頻噪聲晶體管的高頻噪聲HBTHEMT43晶體管的應(yīng)用晶體管的應(yīng)用BJTHBTMESFET (P)HEMTJFETCMOSLNA5th4th2nd1st2nd6thPA3rd1st2nd3rd5th6thOSC2nd1st5th4th2nd6thf6GHz2nd3rd5th5th4th1stf30GHzX2nd3rd1stXXCost2nd5th4th5th2nd1st44S S參數(shù)參數(shù) 功率波的定義功率波的定義(Z0=50W):50W W22211211SS

22、SSa1b1a2b2Port 1Port 250W W212221121121aaSSSSbb45011ZVa022ZVa011ZVb022ZVb211aP222aP211bP222bP入射波入射波反射波反射波入射功率入射功率反射功率反射功率46S S參數(shù)的計(jì)算參數(shù)的計(jì)算0a11112abS0a12212abS50W W50W Wa1b1a2=0b2Port 1Port 2MatchedS11S21= Port 1 反射系數(shù)反射系數(shù) 當(dāng)端口二匹配當(dāng)端口二匹配= Port 1 to Port 2當(dāng)端口當(dāng)端口2匹匹配時(shí)配時(shí)傳輸系數(shù)傳輸系數(shù) 。 (gain or insertion loss)47端

23、口匹配的含義端口匹配的含義50W W50W Wa1b1a2=0b2Port 1Port 2MatchedS11S21各接面可各接面可視為視為由由虛擬虛擬50W W傳輸線(xiàn)傳輸線(xiàn)(長(zhǎng)度視為長(zhǎng)度視為0)連連接接，因此，因此傳輸線(xiàn)內(nèi)傳輸線(xiàn)內(nèi)形成形成入射波入射波a1 、a2與與反射波反射波b1 、 b2。當(dāng)當(dāng)port 2接上接上50W W負(fù)載負(fù)載(matched)， b2直接直接從從50W W傳輸線(xiàn)進(jìn)傳輸線(xiàn)進(jìn)入入50W W負(fù)載負(fù)載，因此，因此沒(méi)有沒(méi)有反射反射波波產(chǎn)產(chǎn)生，即生，即a2=0。50W W50W W48S S參數(shù)的計(jì)算參數(shù)的計(jì)算50W W50W Wa2b2a1=0b1Port 2Port 1MatchedS22S120a22221abS0a21121abS= Port 2 反射系數(shù)反射系數(shù)（當(dāng)端口（當(dāng)端口1匹匹配時(shí)）配時(shí)）= Port 2 to Port 1 傳輸系數(shù)傳輸系數(shù) （當(dāng)（當(dāng)端口端口1匹配時(shí)）匹配時(shí)）(反向增益反向增益or 隔離度隔離度)S S參數(shù)的測(cè)試參數(shù)的測(cè)試RF always comes out port 1port 2 is always receiverres