通信电路分析绪论-第1章-1.1-1.4节.ppt

1,射频通信电路 杜正伟,东主楼11区216房间 电话: 62784107 E-mail: ,2,绪 论 前期课：微波技术， 电子线路 内 容：微波电路理论，应用技术， 半导体知识，通信系统概念,3,本课的相关课程与技术,相关课程： 电磁场 - 基础课 电场磁场分布，电波传播 微波技术-无源电路 分布参数、传输线、微波网络、 滤波器、匹配、 阻抗变换 射频电路-有源电路 放大、振荡、变频、滤波、收发信机 有源电路定义： 中国习惯指含半导体器件的各种电路 英文书刊: active circuit 仅指有高频能量增长的电路 如:放大器、振荡器 passive circuit 指无能量增长的电路 如: 混频器、检波器、开关、限幅器 信息工业领域： 信息采集 - 信息传输 - 信息处理,4,一、 微波频段划分与应用领域,微波频段：300MHz-300GHz(1m-1mm)；1-1000GHz(30cm-0.3mm) 应用：RF集中在18GHz以下；mm波段正在开发；300GHz以上有源器件困难，处于探索阶段；进入光波，波长1m量级(3105GHz)-光通信领域,5,微波频段的主要应用领域,1. 卫星通信与卫星电视广播 DBS-Direct Broadcast System C波段 4/6GHz, 下行 4 GHz, 上行 6 GHz Ku波段 12/15GHz，下行 12GHz，上行 15GHz 星间通信 36GHz （低轨铱星 16GHz 19GHz） 微波有线电视 MMDS-Multichannel microwave Distribution Service 2.4GHz 2. 微波中继通信(与光缆、卫星三足鼎立) 干线微波 2.1GHz, 8GHz, 11GHz 支线微波 6GHz, 8GHz, 11GHz, 36GHz 农村多址(一点多址) 1.5GHz, 2.4GHz, 2.6GHz,6,微波频段的主要应用领域（续）,3. 移动通信与个人通信 蜂窝通信: 模拟，数字GSM，码分多址(CDMA) 0.4GHz, 0.9GHz, 1.8GHz, 2.4GHz, 5.8GHz 寻呼 0.13GHz, 0.15GHz, 0.28GHz, 0.41GHz 家电控制 2.45GHz , Bluetooth 4. 雷达、气象、测距、定位 雷达 远程警戒 P, L, S, C 精确制导 X, Ka 气象 1.7 GHz, 0.1375GHz 汽车防撞、自动记费 36 GHz, 60GHz 防盗 9.4 GHz 全球定位GPS-Global Positioning System 1.57542 GHz C/A, 1.2276 GHz P,7,微波频段的主要应用领域 （续）,5. 射电天文 36GHz, 94GHz, 125GHz 6. 计算机无线网 2.5 GHz, 5.8 GHz, 36GHz, LMDS Multichannel microwave Distribution Service27GHz (28-38GHz) 超高速计算机，超高速数字电路 7. 遥感、遥控 工业控制、军事制导、探矿、森林防火、水灾监控、 农业资源 8. 其他 治疗癌症、杀虫、农业育种、生物,8,微波频段的电波传播特性,电波传播大气窗口 36GHz(8mm), 94GHz(3.2mm) 电波传播衰减峰 22GHz(15mm), 60GHz(5mm),9,第一章 微波晶体管放大电路 第二章 微波混频器 第三章 微波振荡器(书第四章) 第四章 微波控制电路(书第五章),1. 通信链路 信息传输基本结构,二、课内技术范围,10,本课程内容： 几种微波管：三极管(晶体管)、二极管 几种电路：放大器、混频器、振荡器、控制电路 外 加：外围电路(包括匹配电路),11,2. 有源器件 (1) 有源器件种类 * 半导体 小功率 * 真空器件 大功率 (2) 根据原材料和性能划分 GaAs FET HEMT Si BJT MEMS AlGaAs HBT HEMT PHEMT InP HBT Si-Ge HBT,12,三、电路结构形式,Microstrip 微带,Slot- line 槽线,Suspended 悬置微带线,Coplanar Waveguide (CPW)共面波导,13,电路结构形式,(1) Microstrip 微带线 MIC MMIC 基片 金属薄膜 电流分布 趋肤效应 特性阻抗 (2) Waveguide 波导 鳍状线 (3) Lumped 集中(总)参数 适于13GHz 片式元件 自动焊 SMT 微组装 (4) 微波单片(Monolithic)集成 MMIC (5) 3DMIC 三维集成 MCM 第四代微波电路,14,四、发展趋势,(1) MIC (2) MMIC (3) MCM (4) SoC (5) 微组装 (6) 新器件 单片集成是最终方向,五、设计技术,计算机辅助设计：三次上机实验课,15,六、课程要求,星期一下午交上周作业并取回上周所交作业 顾洪明、庞云波：东主楼11区222房间 电话: 62781443,平时作业占课程总成绩的20,16,参 考 书,1. 言华, 微波固态电路, 北京理工大学出版社, 1995 (教材) 2. 高葆新等, 微波集成电路(中国集成电路大全14分册)，国防出版社, 1995 3. 赵国湘, 高葆新, 微波有源电路, 国防工业出版社，1990 4. Inder Bahl, Prakash Bhartia, Microwave Solid State Circuit Design, A Wilcy-Interscience Publication, 1988 5. 顾其诤等, 微波集成电路设计, 人民邮电出版社, 1978 6. 清华大学编写组, 微带电路, 人民邮电出版社, 1976 7. 高葆新等, 微波电路计算机辅助设计(上下), 清华大学出版社, 1986，1988 8.李润旗, 李国定, 高葆新, 微波电路软件应用技术, 国防工业出版社, 1996,17,RF Circuit Design Theory and Applications：2002 Radio-Frequency and Microwave Communication Circuits：2001 The RF and Microwave Handbook：2001,18,第一章 微波晶体管放大电路,1.1 微波晶体管种类与特性 1.2 BJT硅双极型微波晶体管 1.3 微波场效应晶体管 1.4 异质结微波晶体管HEMT, PHEMT, HBT, SiGe HBT 1.5 小信号微波晶体管放大器 1.6 放大器噪声参数 1.7 微波晶体管放大器设计 1.8 微波功率放大器,19,1.1微波晶体管种类与特性,BJT - Bipolar Junction Transistor 放大器、振荡器 双极型晶体管，Si, 0.1-3GHz，易匹配、价格低 MESFET - Metal Semiconductor Field Effect Transistor 振荡器、功放 金属半导体场效应晶体管, GaAs, 2-12GHz HEMT - High Electron Mobility Transistor LNA 高电子迁移率晶体管, GaAs, AlGaAs, 2-40GHz PHEMT - Pseudo HEMT LNA 假沟道高电子迁移率晶体管, GaAs, AlGaAs, 2-40GHz HBT - Hetero Junction Bipolar Transistor 低相噪振荡器、功放 异质结双极型晶体, GaAs, AlGaAs, 2-20GHz * SiGe HBT- SiGe Hetero Junction Bipolar Transistor 硅-锗异质结双极型晶体管, Si, Ge, 0.1-20GHz，成本低 * DGFET - Double Gate GaAs FET 可控放大器、混频器 双栅场效应晶体管，GaAs , 2-20GHz,20,微波晶体管用途 低噪声放大器(LNA)、功率放大器 振荡器 混频器、上变频器 开关、衰减器,21,1.2 BJT硅双极型微波晶体管,特征频率 功率增益 最高振荡频率 噪声系数,22,2. 单向化功率增益,3. 最高振荡频率 f max=f |G=1fT 1020GHz,1. 特征频率 fT 510GHz,载流子由e向c有渡越时间ec。 f 升高, 载流子尚未到c时，输入电压已变化，使下降。1时频率，,f=fT时， =1。但Zin低，Zout高，故仍然有功率增益。只要G1就可能产生振荡。,23,4. 噪声系数NF,噪声来源： (1) 热噪声：主要由基极电阻rb 引起 (2) 散粒噪声：主要是发射极、集电极电流的散粒噪声以及分配噪声(发射极电流分成Ic 和 Ib的随机起伏)组成 (3) 闪烁噪声又称 1/f 噪声：主要由载流子复合引起,24,最小噪声系数(福井公式),转角频率： f1：低噪声管在100Hz以下 f2：f2(0.20.3)fT23GHz， f2以6dB/倍频程上升,室温290K时,噪声系数,25,1.3 微波场效应晶体管,*基片: 0.10.3mm *外延层: 0.10.5m *栅极: 肖特基势垒 *源极: 欧姆接触 *漏极: 欧姆接触,电压控制特性 短栅 FET的短沟道效应 FET的管芯等效电路 FET噪声,26,一、电压控制特性 Vgs控制Ids 夹断电压Vp (穿通电压) Vds Vp,27,二、短栅 FET的短沟道效应 1. GaAs的电子迁移率,2. 短栅效应 1) 栅长在1m左右即出现短沟道效应 2) FET的工作频率一般在20GHz以下,28,三、FET的管芯等效电路,Cgs-栅源结电容 Cdg-栅漏部分耗尽层结电容 (Cgs + Cdg)-栅极与沟道间耗尽层 总电容 Cdc-沟道中电荷偶极层的电容， 称为畴电容，在常被省略, Rgs、Rds-沟道电阻 Cds-源极与漏极间的衬底电容 Rs、Rg、Rd-源极、栅极和漏极 的分布参数电阻，包括体电 阻引出端的欧姆接触电阻 gm-小信号跨导，与工作频率有关,29,几个基本参数： * 跨导 gm=Ids /Vgi= 当漏电压Vds一定时，栅压Vgs对漏电流Ids的控制能力。,实际封装管的上述值要下降 总体上看， fT 和Cgs(栅长)成反比,忽略Cdg、Cdc，单向功率增益,* 输出端短路共源电路电流放大系数 = hfe 忽略Rgs、Cdg、Cdc时，hfe=Id /Ig gm /(jCgs) * 特征频率 fT 忽略Cdg、Cdc 时，f T gm /(2Cgs) * 最高振荡频率 fmax,30,四、FET噪声,噪声来源： 1. 热噪声 沟道噪声:,2. 高场扩散和谷际散射,3. 闪烁噪声,栅源之间的感应栅极噪声:,沟道噪声通过栅电容(Cgs、Cdg)耦合在栅极上的感应噪声。频率上升，感应噪声加大。,P与直流偏压、器件内部结构有关,R与直流偏压、器件几何尺寸有关,由于高场电子速度饱和效应和下能谷向上能谷跃迁的随机性产生的噪声,由于GaAs晶格的陷阱效应，它的1/f噪声远高于Si BJT中的1/f 噪声。,31,最小噪声系数,P- 因子, 与直流偏压、器件内部结构有关, 约为13 R- 因子, 与直流偏压、器件几何尺寸有关 C- 和 相关系数, C1,32,BJT和 FET的噪声特性,f B1-0.1 kHz f B2-2 GHz f F1-0.1 GHz f F2-20 GHz,33,1.4 异质结微波晶体管HEMT, PHEMT, HBT,GeSi-HBT,1. n-AlGaAs/GaAs 异质结 2. 2DEG，没有杂质散射，迁移率高 3. 沟道不掺杂，电场均匀，减弱短栅效应 4. 隔离层使电子与施主隔开，提高迁移率 5. 凹槽栅，可以做短栅,一、HEMT,34,二、PHEMT ( Pseudomorphic HEMT) 结构上和HEMT相近似，区别是: 1. InGaAs层代替GaAs层做沟道称为“赝”层，2DEG浓度高 AlGaAs/InGaAs异质结界面导带不连续性更大， 提 高势阱内2DEG聚集作用 2. InGaAs的电子饱和速度比GaAs 高 减弱短栅效应，减小渡越时间，更适于0.1m短栅毫 米波器件(用短栅时可获得更高频率),35,三、HBT 1. fT 高 比BJT高10倍 迁移率，渡越时间 2. 噪声小 基区 rb, 复合噪声 3. 击穿电压BVce0高 GaAs 材料，E、C极轻掺杂 HBT: 300400V FET: 2030V 4. 闪烁(1/f )噪声低 FET 陷阱，振荡器(相噪比FET小100300倍) HEMT与HBT中的异质结的