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四川大学硕士学位论文 采用硅基双极工艺研制单片微波放大器 微电子学与固体电子学专业 研究生李丁指导老师龚敏 单片微波集成电路如单片微波放大器，是随着半导体制造技术的发展而 出现的一类高频器件，对于我国的现代化建设和国防建设具有非常重要、非 常关键的作用。目前我国所需要的单片微波放大器基本上都依赖进口。进口 产品不仅价格昂贵，而且容易受到别国的限制，不利于我国的经济安全和国 防安全。因此，本工作为了满足国内用户的需要，尝试自行设计制作一款单 片微波放大器，该放大器具有高增益、宽带宽、低噪声、体积小、研制和生 产成本低等特点。 我们完成了以下的工作：包括偏置、带宽、增益、噪声等的相关理论分 析；利用c a d e n c e 的s p e c t r e r f 作为设计仿真的工具；电路的基本结构采用 两级放大结构，以共发射极结构作为输入级，以达林顿结构作为输出级：选 用硅基0 6 u mb i c m o s 工艺、以m p w 方式做了试加工，选用的晶体管为三基极、 双发射极、双集电极蛇型晶体管( s n a k es h a p e dt r a n s i s t o r ) ，电阻为多晶 硅薄膜电阻( 7 2q o ) ；对加工的产品进行了测试，并对仿真和实测结果做 了对比分析。 在对国内用户的需求进行了分析研究后，并根据我们目前拥有的软、硬 件条件，我们提出了以下设计指标：3 d b 带宽为5 0 0 m h z 、1 0 0 m h z 时的增益 为3 2 5 d b ( 允许的最小值3 0 d b ，最大僮3 5 d b ) 、噪声系数为2 o d b ( 允许的 最大值2 5 d b ) ，v s w r l 为1 6 ，v s w r 2 为1 5 ，l d b 压缩点为1 l d b m ：我们 设计的单片微波放大器的产品实测的主要性能参数为：3 d b 带宽8 6 0 m h z 、 1 0 0 m h z 时的增益为3 5 d b 、噪声系数为2 4 d b ，v s w r l 为1 4 ，v s 、珊也为 1 4 ，l d b 压缩点为1 3 6 d b m 。对我们提出的设计指标以及仿真数据、测试数 四川大学硕士学位论文 据进行对比分析表明，我们的设计达到了设计指标的要求。 虽然我们的设计达到了设计指标的要求，但是仿真与测试数据并不完全 一致。造成这些差距的原因，有的我们已经分析清楚了，比如接地的引线电 感引起高频端增益的下降；还有的我们还没有弄明白，比如频率较低的范围 内测试值为何比仿真值大、为什么测试的噪声系数比仿真的大等等。这些问 题还有待在今后的工作中做进一步的分析研究。 关键词：单片微波放大器硅基蛇型晶体管封装的影响 i i 四川大学硕士学位论文 u s i n gs i l i c o n b a s e dt e c h n o l o g y t od e s i g na n dp r o d u c e m o n o l i t h i cm i c r o w a v ea m p l i f i e r m a j o r ：m i c r o e l e c t r o n i c sa n ds o l i de l e c t r o n i c s s t u d e n tl id i n ga d v i s e r g o n gm i n m o n o l i t h i cm i c r o w a v ei n t e g r a t e dc i r c u i t s ( m m i c ) ，s u c ha sm o n o l i t h i c m i c r o w a v ea m p l i f i e r s ，a r ev e r yi m p o r t a n tf o ro u rn a t i o n sm o d e r n i z a t i o na n d n a t i o n a ld e f e n c e a l m o s ta l lt h em o n o l i t h i cm i c r o w a v ea m p l i f i e r s ，w h i c ha r c n e e d e db yt h en a t i o n ，h a v et od e p e n d0 1 ii m p o r t i no r d e rt os a t i s f yt h ed e m a n do f t h en a t i v ec u s t o m e r s ，w et r i e dt od e s i g na n dp m d u c eam o n o l i t h i cm i c r o w a v e a m p l i f i e r t h i sa m p l i f i e rf e a a l r e sn o to n l yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g hp o w e rg a i n ， w i d eb a n d w i d t h ，l o wn o i s ea n dl i t t l eb u l kb u ta l s oh a sl o wd e s i g n i n ga n d p r o d u c i n gc o s t t h ef o l l o w i n gw o r k sh a v eb e e nc o m p l e t e di nt h i sp a p e nf i r s to fa l l ，t h et h e o r i e s a b o u tb i a s ，b a n d w i d t h ，p o w e rg a i n ，n o i s e ，e t cw e r ea n a l y z e d t h e n ，t h eb a s i c s t r u c t u r eo ft h ec i r c u i tw i t ht w os t a g ec a s c a d e ，i nw h i c hw e r eac e ( c o m m o n e m i t t e r ) s t r u c t u r ea si n p u ta n dad a r l i n g t o ns t r u c t u r ea so u t p u tw a sd e s i g n e da n d s i m u l a t e db yu s i n gs p e c t r e r fo ft h ec a d e n c e t h ea m p l i f i e rw a sp r o d u c e db y m p wr m u l t ip r o j e c tw a f e r ) m o d eo fa0 6 1 t ms i l i c o n b a s e db i c m o st e c h n o l o g y t h et r a n s i s t o ru s e di nt h ec i r c u i tw a ss n a k es h a p e dt r a n s i s t o rw i t ht h r e eb a s e s ， d o u b l ee m i t t e r sa n dd o u b l ec o l l e c t o r s 1 1 1 er e s i s t o ri nt h ea m p l i f i e rw a sap o l y s h e e tr e s i s t o r ( 7 2q 口) f i n a l l y , l ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ed e v i c ew e r et e s t e da n d a n a l y z e dt o g e t h e rw i t ht h es i m u l a t i o nd a t a a f t e ri n v e s t i g a t e dt h ed e m a n do ft h ec u s t o m e r s ，w ew a n t e dt oa c h i e v et h e s e i l l 四川大学硕士学位论文 t a r g e t s ：t h e3 d bb a n d w i d t ho f5 0 0 m h z ，t h ep o w e rg a i no f3 2 5 d b ( m i n3 0 d b ， m a x3 5 d b ) a t10 0 m h z ，t h en o i s ef i g u r eo f2 0 d b ( m a x2 5 d a ) ，t h ev s w r lo f1 6 ， t h ev s w r 2o f1 5a n dt h el d bc o m p r e s s i o np o i n to f1 l d b m t h ep a r a m e t e r so f t h ep r o d u c e dd e v i c ei nt h i sw o r ka r e ：t h e3 d bb a n d w i d t ho f8 6 0 m h z ，t h ep o w e r g a i no f3 5 d ba t 1o o m h z t l l en o i s ef i g u r eo f2 4 d ba t1 0 0m h z ，t h ev s w r lo f 1 4 ，t h ev s w l l 2o f1 4a n dt h el d bc o m p r e s s i o np o i n to f1 3 6 d b m ，r e s p e c t i v e l y a l lt h ep a r a m e t e r sh a v em e to u rt a r g e t s a l t h o u g ht h ep a r a m e t e r sh a v em e to u rt a r g e t s ，t h e r ew e r e s t i l ls o m ed i f f e r e n c e s b e t w e e nt h e s i m u l a t i o nd a t aa n dt h et e s t i n gd a t a s o m er e a s o n sh a v eb e e nk n o w n ， b u tt h eo t h e r sw e r en o tc l e a ry e t f u r t h e rr e s e a r c h e sa r en e e d e di nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：m o n o l i t h i cm i c r o w a v ea m p l i f i e r s i l i c o n 。b a s e d s n a k e - s h a p e dt r a n s i s t o r i n f l u e n c eo f p a c k a g e 四川大学硕士学位论文 1 引言 单片微波集成电路m m i c ( m o n o l i t h i cm i c r o w a v ei n t e g r a t e dc i r c u i t ) 如单片 微波放大器，是随着半导体制造技术的发展而出现的一类高频器件。在制作单片 微波放大器时，虽然g a a s 和s i g e 同硅相比有很多优点，尤其是在较高的频率范 围，但是硅双极晶体管在较低的频率范围仍然占有优势，频率低于4 g h z 的硅双 极晶体管为许多电子设计提供了可靠而且成本低廉的设计方案。目前国外已经 在发展基于硅工艺技术的m m i c 方面取得了很大的成就。 单片微波放大器对于我国的现代化建设和国防建设具有非常重要、非常关 键的作用，目前我国所需要的单片微波放大器基本上都依赖进口，但是进口产 品价格较为昂贵，而且容易因为种种原因而受到别国的限制，不利于我国的经 济安全和国防安全。所以我国必须自行研究、制造相关型号的单片微波放大器 以满足国内相关用户的需要。本文从满足国内用户的需求和降低制造成本出发， 采用当前比较成熟、价格比较便宜的工艺线来设计制作单片微波放大器，希望 在实现单片微波放大器的国产化工作中做一些有益的探索，为今后的国产化工 作提供帮助，也为我国的现代化建设和国防建设贡献一份力量。 本文采用硅双极工艺器件来研究制作m m i c 放大器。由于目前可稳定加 工微波集成电路的硅双极工艺线比较少，所以本文采用更普遍、更易获得、 工艺也非常成熟的b i c m o s 工艺，选用其中的双极部分，尝试设计制作一款 目前国内用户急需的单片微波放大器。对制造出来的器件的实际测试表明， 我们设计制作的单片微波放大器的各项参数基本达到了我们提出的设计指标 的要求，研发成本低，对工艺没有特殊要求，设计基本成功。 四川大学硕士学位论文 2 微波放大器的基本原理 2 1 微波放大器的基本概念及现状 m m i c 单片微波集成电路( m o n o l i t h i cm i c r o w a v ei n t e g r a t e dc i r c u i t ) ，有时 也称r f i c 射频集成电路( r a d i of r e q u e n c yi n t e g r a t e dc i r c u i t ) ，它是随着半导体 制造技术的发展而出现的一类高频器件。在这类电路中，作为反馈和直流偏置 的各个电阻器都采用具有高频特性的薄膜电阻，并且与各个有源器件封装在同 一个芯片上，这就使得各元件之间几乎没有连线，从而使电路的感抗降到最低， 而且分布电容也很小，因而可以用在工作频率很高、带宽很宽的m m i c 放大器中 1 】o 单片微波集成电路具有电路损耗小、噪声低、频带宽、功率大等一系列 优点，并且可缩小电子设备的体积、减轻重量、价格也降低不少，这对军用 电子装备和民用电子产品都十分重要。美国、日本、西欧都把m m i c 作为国 家发展战略的核心，竞相投入大量的人力、物力，展开激烈的竞争。 早在1 9 8 0 年，以g a a s 为材料制作的微波放大集成电路就已经进入商业 应用，在4 g h z 以上的频率，用g a a s 制作的器件具有较高的增益，较低的 噪声系数和较高的功率。大部分用g a a s 技术制造的集成电路利用传统的阻 抗匹配设计技术即可用于微波频段。但是，g a a s 技术一方面成本较高，一方 面工艺也较为复杂。s i g e 技术是目前r f 半导体领域中人们非常关注的半导体 生产工艺。s i g e 材料的电子迁移率大约为纯硅材料的2 倍，它不仅能够降低 噪声、偏置电流和馈电功率，还可以提高工作频率。与纯硅材料或g a a s 相 比，s i g e 还能够在非常宽的温度范围内实现稳定的工作特性。但s i g e 工艺不 但成本较高外，而且其集电极一基极击穿电压也比较低。虽然g a a s 和s i g e 同硅相比具有很多优点，但是硅双极晶体管在较低的频率范围仍然具有自己 的优势，频率低于4 g h z 的硅双极结型晶体管为许多电子设计提供了可靠而且 成本低廉的解决方案。国外已经在发展基于硅工艺技术的m m i c 方面取得了 很大的成就，在近几年国外的文献报道中，我们可以看到，有的采用0 1 8 9 m c m o s 工艺器件，频率为1 5 g h z ，窄带放大，增益为2 8 7 d b ，噪声为0 2 d b 2 1 ； 2 四川大学硕士学位论文 有的采用0 6 肛md i g i t a l - c m o s 工艺器件，频率为0 5 5 5 g h z ，宽带放大，增 益为6 5 d b ，增益平坦度为1 2 d b ，采用3 v 电源电压时功耗为8 3 4 m w 3 1 ； 也有的采用硅双极工艺器件，频率为5 8 g h z ，窄带放大，增益为1 7 d b ，噪 声为4 2 d b 4 1 ；还有采用硅双极工艺器件，频率为2 2 6 g h z ，宽带放大，增 益为3 5 d b ，采用2 4 v 电源电压时功耗为5 6 0 m w e 5 1 。 2 2 二端口网络 二端口网络在信号的传输、放大及变换中有重要的应用，通常将其中一 个端口作为信号的输入端口，另一个端口作为信号的输出端口。 e i z s 曩 k 图2 1 接于信号源和负载之间的= 端口网络n 1 6 1 z l s = i s j 是图2 1 中二端口网络n 的散射矩阵。其中s 。是晶体管输出端接 匹配负载时的输入端电压反射系数；s ：是晶体管输入端接匹配负载时的输出 端电压反射系数；s ：。是晶体管输出端接匹配负载时的正向传输系数；s 。：是 晶体管输入端接匹配负载时的反向传输系数。 2 3 微波放大器的设计 半导体微波放大器可以分为两个大类：晶体管放大器( f e t 和双极晶体管) 和负阻反射式放大器( 比如雪崩二极管、耿氏二极管和隧道二极管) 。采用g a a s 四川大学硕士学位论文 材料制作的f e t 可用作从2 g h z 到2 0 g h z 的低噪声、高增益和线性中等功率放 大，并正在向更高频率的应用发展【1 8 】【1 9 1 。硅双极晶体管主要可用于从高频到 3 g h z 的要求低噪声、高增益和高功率的应用。雪崩二极管可以用于低妻1 1 6 g h z 频率，高如1 0 0 g h z 频率的连续波状态和脉冲状态的高功率应用。耿氏二极管放 大器可以用作1 0 g h z 以上高频宽带中等功率放大器和用作行波管放大器或雪崩 二极管放大器的激励器。隧道二极管也可以用来制作2 0 g h z 以上低噪声放大器。 在晶体管的设计中，有三种基本的设计，即最大增益设计、低噪声设计和 高功率设计。在每种设计中，场效应晶体管或双极晶体管对其信号源和负载电 阻呈现不同的反射系数，因此每一种放大器都需要不同的设计方法。 2 3 1 最大增益设计 在最大增益的窄带放大器的设计中，当晶体管是无条件稳定时，即对于所 有的无源负载和信号源阻抗，二端1 ：3 放大器的输入和输出阻抗的实部为正，或 者说当k l 和i a i 1 时，其中 足：! 二刚二划：醉丝二堕( 2 - - 1 ) 2 l s l 2 s 2 、i i a i = l & 。s ：一s ：s ：。l ( 2 2 ) 假如二端口网络不是无条件稳定的，便称为是潜在不稳定的，即是说其输 入和输出阻抗的实部对有些信号源和负载阻抗可能为负值。 2 3 2 低噪声设计 在低噪声放大器中，放大器的前级必须有最佳噪声源反射系数l ，以达到 其最小噪声系数b 。 在低噪声放大器设计中，假如第一级的增益低，则以后各级的噪声系数的 影响就很重要，如式( 1 - - 3 ) 所示。 四川大学硕士学位论文 ，：只+ 型+ 型+ + 盟 (23g 1 i g i g 2 丌n - ig ， 。 因此，假如增益的损失太大，则不一定要求放大器第一级的噪声系数最小， 因为最小噪声系数和最大增益不能同时获得。有时可在第一级噪声系数与增益 之间取折衷的方案，以获得放大器较低的整体噪声系数6 1 。 2 3 3 高功率设计 功率放大器或大信号放大器，由于它们以高电流电平偏置，所以其效率极 为重要。而且，由于输入信号电平大，失真将成为一个重要的问题。大信号输 入和输出阻抗在微波晶体管功率放大器匹配网络设计中是不可缺少的，这些阻 抗可以用替代法测量。 2 3 4 微波放大器的宽带设计 在微波频段，由于晶体管的反向传输散射参数s ，很小，我们可以用单 向模型( s ，= 0 ) 对晶体管作单向近似。 假定网络为单向化的，即s 。= o ，则有如下等式 耻盼i 高。器 c z 叫 g 。称为单向功率增益。式( 2 4 ) 中的第一项l s ：。1 2 是二端口网络n 的一个参数， 并且是固定不变的。例如，假如n 是一个二端1 ：3 晶体管，则坎r 就是确定不 变的。但是式( 2 - - 4 ) 中的其它两项，不仅与s 。和s 。有关，而且这两项还与 信号源和负载的反射系数b = ( z s z o ) ( z 。+ z o ) 以及 f l = ( z 。一z o ) 瓴+ z o ) 有关。芷是这两个量在二端口放大器的设计中能够r h 设计者加以控制。由式( 2 4 ) 可见，由选择f s = s 1 和r = s 2 2 + ，g 。可以达 到最大值，即 四川大学硕士学位论文 瓯m a x 如- - i 高高 晓。 式( 2 5 ) 表明，二端口网络n 的最大单向增益仅由其s 参数决定，而与负载 或信号源阻抗无关。 采用单向化模型，设计者就可以分开设计晶体管输入和输出匹配网络， 使晶体管的输入阻抗与其信号源的电阻匹配，晶体管的输出阻抗与其负载阻 抗匹配。由于微波晶体管的功率增益随频率的增加而下降，所以需要设计能 够补偿增益下降的补偿电路，以获得具有一定增益平坦度的放大器。 与窄带晶体管放大器的情况不同，宽带放大器的设计主要取决于高增益、 低噪声和大信号放大情况下晶体管的模型。 本文的单片微波放大器应用于小信号放大，故本文采用小信号等效模型 来分析，在模型中，我们还要考虑到进行管壳封装时所引入的寄生参数对电 路的影响，比如焊压金丝所引入的引线电感、管壳所引入的寄生电容等等。 四川大学硕士学位论文 3 微波放大器的设计 3 1 单级微波放大器 单级微波放大器的结构如图3 1 。 岛2 i # z o q tz l 。上? _ - u _c h崎 i n p u t l l l a t c ho u t p u t m d t c h n e t w o 出 n e t w o r k 孓壬。 r i r ：r m1 - o t r rr l 图3 1 单级微波放大器的结构图 为m 蝌l 在微波晶体管放大器设计中，重要的是电路的稳定性、功率增益、工作 带宽、噪声和直流偏置。放大器的设计开始于最初的要求和适当的晶体管的 选择。然后决定晶体管在特定稳定性和功率增益要求下的工作条件( 即信号 源和负载的反射系数) 。微波放大器的功率增益在高频端随着频率的增加而 下降，因此设计者必须使用相应的方法补偿此增益的下降，同时还要保证整 个频带内的稳定性，因此要考虑宽频带阻抗匹配及选择恰当的电路形式。负 反馈对改善电路的性能有重要的作用。它能提高放大器增益的稳定性，减小 放大器的非线性失真，展宽频带，并能根据设计要求改变输入电阻和输出电 阻。所有这些都是以牺牲放大器的增益为代价的【7 l ，但这种电路形式仍然是 一种可实现性和综合效果最佳的方法瞪j 。 四川大学硕士学位论文 3 1 1 微波晶体管 用砷化镓( g a a s ) 材料制造的微波场效应晶体管( f e t ) ，其电子迁移率 比硅材料制作的高。较高的电子迁移率能得到更好的频率响应和噪声特性，尤 其是在4 g h z 以上。g a a s 常用于制作频率高于4 g h z 时的晶体管，同时还可以用于 4 g h z 以下的低噪声应用中【9 j 。g a a s t 艺同硅工艺相比，其工艺比较复杂，价格 也较为昂贵。 s i g e 工艺是目前r f 半导体领域中人们非常关注的半导体生产工艺。s i g e 层 的电子迁移率大约是纯硅材料的2 倍，利用这种高电子迁移率不仅能够降低噪 声、偏置电流和馈电功率，还可提高工作频率。与纯硅材料或g a a s 相比，s i g e 还能够在非常宽的温度范围内实现稳定的工作特性。在经济性方面，由于能够 使用现有的硅制造设备进行批量生产，因此可降低芯片成本。但s i g e 晶体管的 集电极一基极击穿电压比硅晶体管的低，通常只有4 v 左右。因此，在使用电源 时应将电压限制在这一数值以下，这无法满足本文的工作电压( 5 5 v ) 的要求。 成本方面，s i g e 的制造成本比硅高1 0 3 0 ，而比砷化镓( g a a s ) 低3 0 。 虽然在较高的频率范围，用g a a s 材料和s i g - e 材料制作的晶体管具有较高的 增益，较低的噪声系数和较高的功率，但是硅双极晶体管在较低的频率范围仍 然占优势【6 】，频率低于4 g h z 的硅双极结型晶体管能为许多电子设计提供可靠、 廉价的解决方案【9 】。硅微波双极晶体管的制造工艺基本上与低频晶体管相同， 但要特别注意诸如发射极宽度、发射极一基极接触间距和集电极面积等限制频 率性能的有关工艺过程。它的最高振荡频率与发射极宽度和发射极一基极间距 成反比。大多数微波硅双极晶体管采用平面工艺，并且都是n - p - n 型结构。传统 的硅双极工艺过程如图3 2 的左半部分，本文采用的是b i c m o s 工艺的双极部分， 其流程如图3 - 2 的右半部分。 四川大学硕士学位论文 重掺杂n + 型衬底上生长外 延层，形成集电极接触 j r 用光电阻曝光方法在其中 开窗口，蚀刻成一个p + 基区扩 散层 穿过所开的窗口做一个重 掺杂p 型扩散层以对基区提供低 电阻接触 上 将基区切割开氧化层，通过 基区开口进行轻掺杂p 型扩散， 并与p + 区相连接 上 基区上的附加二氧化硅淀 积层也作为发射极掩蔽，然后在 基区氧化层上开窗口以形成发 射极接触 上 将一薄的重掺杂1 1 型层扩散 至发射极开口 上 用蒸发方法使接触金属化， 它既可以是以铝为底也可以是 以金为底 圈3 2 传统工艺过程与所选用的硅基b i c m o s i 艺主流程的对照 左图为传统工艺过程，右图为所选用的硅基b i c m o s 工艺主流程1 1 7 1 9 四川大学硕士学位论文 利用离子工艺和自排序( s e l f - a l i g n m e n t ) 技术生产b j t 晶体管得到多指形发 射极一基极结构，也称为交叉指型晶体管结构，如图3 3 ( a ) ( b ) 圈3 3 交叉指型晶体管结构( a ) 横截面图( b ) 俯视图 术语“交叉指型”说明基区和发射区结构像交错的手指一样彼此严格分开。这 种结构在保留较大发射极空间的情况下，使得电子从发射极到集电极的渡越时 间最短p j 。 本工作电路中的几个晶体管均采用这种结构的晶体管的改进型蛇行晶 体管( s n a k es h a p e dt r a n s i s t o r ) ，它们各自的尺寸根据设计的要求而有所不同。 我们将在第4 章中详细讨论。 3 1 2 微波放大器的偏置 设计一个良好的直流偏置是为了得到适当的静态工作点，并在晶体管参数 和温度变化的范围内，保持静态工作点恒定。 在低频条件下，晶体管发射极的旁路电阻对于静态工作点的稳定起着重要 作用。在微波频段中，与发射极电阻并联的旁路电容可能产生振荡，造成输入 端在某些频率点上不稳定。此外，发射极电阻还会降低放大器的噪声性能。在 1 0 四川大学硕士学位论文 大多数微波晶体管放大器的设计中，尤其是在g h z 范围内，晶体管的发射极引脚 直接接地吼 3 1 3 宽带放大器的设计 宽带放大器的设计要求在一个较宽的频率范围内，使放大器具有一定的增 益平坦度。为此，应适当地设计匹配网络或者反馈网络，以补偿s ，i 随频率的 变化。 设计宽带放大器有两种通用技术：( 1 ) 运用补偿匹配网络( 2 ) 运用负反 馈电路吼 补偿匹配网络技术包括失配输入和输出匹配网络，以补偿随频率的升高而 下降的l s ，i 。匹配网络是用来获得最佳输入和输出v s w r 。由于宽带放大器频带 很宽，v s w r 将围绕某一频率取最佳值。 m e l l o r 1o 】提出了一种适用于c a d 宽带放大器设计的方法。这种宽带设计采 用级间匹配网络。图3 4 显示了这种放大器的原理图。 晶体管q i $ i q 2 的增益随频率上升而下降。这一特性要求网络要有一个良好 的输入和输出匹配，这种输入和输出匹配网络使放大器在工作频率范围内具有 平坦的频率响应。级间匹配网络应能提供一个随频率按正斜率变化的增益，以 补偿晶体管的滚降，因而使放大器全频带内有一个平坦的频率响应。一般说来， 设计一个特定增益和噪声系数的宽带放大器需要用至i j c a d 技术。 z s v s + 输入 一 r 2 ，则可令r l = 0 进行分析。由式( 3 1 3 ) ，令r i = o ，可 以得到 r 2 = z 。0 一s 2 i ) ( 3 1 5 ) 和 g 。：旦(316)2 6 m 一 、。 二。 在设计中，一旦确定了s 2 l 的设计值，就可以利用式( 3 1 5 ) 计算出r 2 ，由 式( 3 - - 1 6 ) 得到晶体管所需的g 。，如果晶体管的g 。与式( 3 1 6 ) 所计算的数 值不一样，则说明s l i 和s 2 2 不严格为零。r l 则由式( 3 1 3 ) 求出。 以上的讨论虽然基于晶体管的低频模式，但本工作要设计的是从d c 到 5 0 0 m h z 频率的宽带放大器，因此，我们采用低频模式作为设计中的初始模型 具有指导价值。低频反馈分析得到一个初步的设计p 1 ，然后利用计算机辅助 设计来最终完成我们的设计。 3 1 5 带宽和增益 晶体管可以接成三种有用组态中的一种：共发射极( c o m m o ne m i t t e r ) 、 共基极( c o m m o nb a s e ) 和共集电极( c o m m o nc o l l e c t o r ) 。用共射或共集组 态可以得到高输入阻抗，若信号输入级接成共射组态，则这种组态功率增益 最大【“1 。本工作放大器的输入级即为共发射级组态，其频响分析如图3 7 6 四川大学硕士学位论文 ( a ) 图3 7 ( a ) 共射电路的频响分析单管共射电路 焉6 嘞 6 c 飞 ( b ) 图3 7 ( b ) 共射电路的频响分析交流等效电路1 1 2 + 以 其中，c ：= c 。+ ( 1 一k ) 巳 c 。为6 与e 之间的极间电容，是基极与发射极之间的等效电阻。 我们知道，电容的容抗是t = 。 孔 所以信号的频率越高，c ：的容抗就越小， 使o o 变小，电压放大倍数i 。下降。同时， 这就使得0 。的分压值变小，从而 频率高时c 的容抗变小，接近于短 路，对。的影响不大。因此在高频段影响_ 。的因素以c ：为主。另一方面， 信号频率越低，c 的容抗越大，使【7 。从眈得到的分压值越小，所以i 。下降。 而此时c ：的容抗变大，可以视为开路，对4 。的影响不大。总之，由于级间等 四川大学硕士学位论文 效电容c ：的存在，使得高频时的_ 。下降；由于耦合电容c 的存在，使得低频 时的a 。下降。 当改变输入信号的频率时，放大电路的放大倍数是随着频率变化的。这 就需要有一个指标来反映放大电路在不同频率时对信号得放大能力。通常， 放大电路只适用于放大某一特定频率范围的信号，当信号频率太高或太低时， 放大电路的放大倍数都有较大幅度的下斛旺】。 随着信号频率的升高，放大倍数下降为中频时放大倍数( 记作4 。) 的 0 7 倍时，这个频率就称为上限截止频率，记作厶。同样的，令放大倍数下 降为以。的0 7 倍时的低频信号频率称为下限截止频率，记作兀。 通频带五。是指上、下限截止频率之间的频率范围，这个范围越宽，说明 放大器对信号的适应能力越强。要改善低频时的响应，就要使下截频厂，变小， 则应使耦合电容c ( 或其它在低频时起作用的电容) 所在回路的时间常数的值 更大。这需要增大回路电阻和电容。然而这种改善是非常有限的，最好是不 用电容进行藕合。改善高频响应，就要令上截频厶变大，也就是使c ：所在 回路的时间常数变小。因为 c ：= c 。+ ( 1 一k ) c 。= c ：+ ( 1 + g 。尺：) c ( 3 - - 1 7 ) 通常，c 。 c 。，但g 。，r ：c 。 c ， 而电压放大倍数以m = 一瓦等i 。g m 根1 2 1 ( 3 - - 1 8 ) 因此，如果要提高厶，就应当减小g 。r ：的值，但这样又会使a 。下降，于 是就形成了带宽和增益之间的矛盾。用一个综合指标来衡量，这个指标称为 增益带宽积，是增益和带宽( 近似为厶) 的乘积。即有 ，厶i = 硒丽g m r ：m 1 ( 3 - - 1 9 ) 假定( 1 + g 。- r ：) c 。 c 。，贝0 c ：z ( 1 + g 。- 避) c u * g 。r i c 。 ( 3 - - 2 0 ) 四川大学硕士学位论文 代入式( 3 - - 1 9 ) 得 1 厶1 “玩拓( 3 - - 2 1 ) 式( 3 2 1 ) 虽然不是很严格，但它表明，晶体管选定以后，放大电路的 放大倍数与带宽的乘积大体上就确定了。要改善放大电路的高频性能，首先 就是选和巴小的晶体管，同时尽量减小输入回路的电阻吃a 3 2 多级微波放大器 基本放大电路的电压增益往往不能满足实际的设计要求，而且各项性能 指标常常不能兼顾。采用多级放大器级联可以得到设计要求的增益、阻抗特 性、频率响应和功率电平，电路中常常利用负反馈来稳定直流增益，并提供 期望的稳态和暂态特性】。考虑到我们的放大器对增益和带宽的要求，本工 作采用两级基本放大单元级联成多级放大电路。 3 2 1 级间耦台 在实际应用中常见的耦合方式有：阻容耦合、变压器耦合、光电耦合和 直接耦合等。阻容耦合是以隔直电容作为耦合元件的电路，变压器耦合是以 变压器作为耦合元件的电路。这两种耦合方式主要应用于放大交流信号的分 离元件电路中。光电耦合是以光电耦合器件作为耦台元件的电路，它的应用 领域主要是在抗干扰电子电路中。直接耦合是将前后级直接连接起来的一种 方式。这种耦合方式没有电抗元件，便于集成，其低频截止频率f = o ，所以 集成电路几乎全部采用这种方式l l 研。基于这里和上一节增益和带宽中关于减 小下截频厂，所讨论的，本文的设计就是采用直接耦合方式，前级的输出端直 接驱动输出级，没有级间耦合电容，以保证低频的性能。 不论采用哪种方式都必须保证：1 ，各级都有合适的直流工作点；2 ，前 级的输出信号能顺利地传递到后级的输入端。 四川大学硕士学位论文 3 2 2 多级放大器的高频响应 由于模拟集成电路前后级之i n 采用直接耦合方式， 频) 兀= o 。电路中某一级放大器的高频增益表达式为 u 妫2 丧 m 小 其下限频率( 即低频截 上式中，4 帆为第k 级的中频电压增益；。为第k 级的上限频率。 多级放大电路的高频增益表达式为 a u ( ，m ) = a m 以u 2 a u n 其幅频特性为 i a u ( j 动i = ( 1 + _ ，旦) ( 1 + j 旦) ( 1 + ，旦) hlh2国舶 ( 3 2 2 ) ( 3 2 3 ) ( 3 2 4 ) 当c o = 。时，上式分母根号内的值等于2 ，则有 。；：! ：一 (325)09h 2 丁= 亍f f 3 _ 、忑+ 忑t - _ + 忑) 从上面的分析可咀看出，多级放大电路的上限频率。比任何一级的上限 频率都低。因此，将几级放大电路级联起来，增益虽然提高了，但通频带却 变窄了，级数越多，增益越高，通频带越窄。 所以，根据我们提出的设计指标的要求，本文所研究的单片微波放大器 既要获得足够高的增益，同时又要保证足够的带宽，经过我们分析，两级级 联的放大器结构即可以满足我们的要求。 2 0 四川大学硕士学位论文 3 3 噪声 从广义上来讲，可以认为噪声就是扰乱或干扰有用信号的某种不期望的 扰动。这种扰动通常是来自被研究系统的外部源，也可能是来自电路和电源 之间。 集成电路和其它电路一样，也存在噪声的问题。当输入信号很小，以致 噪声与信号可以相比较时，信号就会受到严重的干扰，甚至完全被噪声所淹 没。因此，噪声决定了集成电路输入信号的下限。另一方面，如果电路的增 益很高，即使输入信号为零，输出的噪声信号同样会使输出级限幅，进入饱 和或截止状态。所以噪声也限制了增益的上限。从微观上讲，电流是由电子 的运动形成的。在宏观看来非常稳定的直流电流也是由许多相互独立的电子 电流脉冲所组成。电噪声反映了分立的荷电载流子在集成元器件中的运动过 程【7 1 。 几种主要的噪声分别为：热噪声( t h e r m a l n o i s e ) 、散粒噪声( s h o t n o i s e ) 、 闪烁噪声( f l i c k e r n o i s e ) 、猝发噪声( b u r s tn o i s e ) 等。 3 3 1 热噪声 j o h n s o n 是第一个阐述如何仔细测量电阻中的噪声的人，他的同事n y q u i s t 将这种噪声解释为布朗运动的结果：热激发不断的改变着导体中的载流子， 引发了不断随机变化的电流，从而产生了随机的电压。因为噪声过程是随机 的，我们不能在一个特定的时间点上确定一个准确的电压值，只能借助统计 分析的方法来确定噪声值，比如方均值或者均方根值。 3 3 2 散粒噪声 另一种噪声机制，被称为散粒噪声，是由s c h o t t k y 在1 9 1 8 年提出并予 以阐述的。为了表彰他所做的工作，这种噪声有时也被称为肖特基噪声。散 粒噪声的基本原理是电子电荷的粒子特性。 要产生散粒噪声，必须满足两个条件，即必须有直流电流流过而且必须 2 1 四川大学硕士学位论文 有载流子能越过的势垒。第二个条件通常告诉我们，线性电阻并不产生散粒 噪声，尽管电子电荷具量子特性。 事实上，电荷是以离散波束的形式出现的，这表明每当有电子越过势垒 时就会有不连续的电流脉冲。它出现的时阃是随机的，所以散粒噪声是白噪 声。如果所有的载流子同时越过势垒，散粒噪声的特性就会好得多。 3 , 3 3 闪烁噪声 最神秘的噪声类型就是闪烁噪声，有时也被称为1 f 噪声。目前还没有 普遍的机制能够定义闪烁噪声，然而它是普遍存在的。 正如它的名称“1 f ”所表示的，闪烁噪声的频谱密度随着频率的降低可 以无限的增加。 1 f 噪声是表面能态中的载流子引起陷阱的产生和消失所引发的，这是一 个与过程有关的噪声机构，可能是杂质缺陷和位错引起的。集电极电流很小 而b 值很大的晶体管，其1 f 噪声似乎是很小的。1 f 噪声受表面特性的强烈 影响。 3 3 4 猝发噪声 另一种困扰半导体器件的噪声被称为爆米花噪声p o p c o r nn o i s e ( 也被称 为猝发噪声b u r s tn o i s e ，双稳态噪声b i s t a b l en o i s e ，和r a n d o mt e l e g r a p h s i g n a l s ，r t s ) 。我们对它的了解甚至比1 f 噪声还要少，而且同1 f 噪声一 样对杂质很敏感。 这种噪声最先是在点接触二极管中观察到的，但同样也在普通结型和沟 道型二极管、一些类型的电阻以及独立的和集成电路中的结型晶体管中被观 察到。当一个猝发噪声源连接到一个音频系统时就会听到像爆米花一样的声 音，这就是为什么这种噪声被称为“爆米花”( p o p c o m ) 噪声的原因【1 4 】。 3 3 5 电阻的噪声 电阻中的总噪声由热噪声和过剩噪声组成。一切电阻器都有一个基本的噪 2 2 四川大学硕士学位论文 声机构，即由电荷载流子的运动引起的热噪声。这个噪声电压与电阻的温度、 电阻的阻值和测量的带宽有关。处于绝对零度以上的所有导体中，都有热能激 发的电荷载流子在导体中跳动。每一次跳动都相当于个小的电流脉冲。在电 阻r 两端的热噪声电压的均方根值等于 e = ( 4 k t r a f ) 1 72 ( 3 2 6 ) 当电阻中流过直流电流时，往往产生过剩噪声，它也叫做电流噪声。通常 是在电流流过不连续的导体，比如流过制造的电阻器时，产生过剩噪声。 过剩噪声通常具有1 f 噪声功率谱。噪声功率谱随频率成反比变化，因此， 噪声电压随着频率下降的平方根增大j 。 3 3 6 硅双极晶体管的噪声 尽管硅双极晶体管的噪声系数比g a a sm e s f e t 的高，但是即使在高达 4 g h z 的频率，硅双极晶体管仍然可以用作低噪声放大器f 6 】。毕竟，采用硅双 极工艺所需的成本比采用g a a sm e s f e t 的要低得多，对本文所处的研究试 制阶段，对成本因素的考虑尤为重要。 普通的硅双极晶体管都有热噪声源、1 f 噪声源和散粒噪声源。一个好 的低噪声晶体管必然是具有大的电流增益夙和小的漏耗电流【1 l 】。 微波双极晶体管中两个主要噪声源之一就是晶体管大块材料的欧姆电阻 中电流载流子的热骚动所产生的热噪声。这种欧姆电阻由基极电阻、发射极 串联电阻和集电极串联电阻所组成。 双极型晶体管在放大区的小信号噪声等效电路如图3 8 所示 图3 8 双极型晶体管的噪声模型 i 四j i i 大学硕士学位论文 是物理电阻，所以有热噪声，以热噪声电压均方值u 2 。表示 u2。=4k巩v(3-27) 式中f 是测量噪声时所选取的频带范围的宽度。 双极型晶体管还有两个物理电阻，集电极串联电阻月，和发射极串联电阻 r e ，它们同样会产生热噪声，但因其数值较小，所以往往可以忽略。和k 是微分电阻，是为了构造模型的需要而虚构的非实体电阻，它们不产生噪声。 基极电流是由发射结耗尽区中载流子的复合及由基区向发射区的反注入 造成的，因此有散粒噪声。此外，它还有1 f 噪声和猝发噪声，以噪声电流 均方值表示，即 ，a e - i 2 n b = 2 q l b v + 玎二旦_ ，+ 猝发噪声( 3 - - 2 8 ) j 式( 3 2 8 ) 中的第一项为散粒噪声，第二项为1 f 噪声。 在正向放大工作区，载流子自发射区注入基区变成基区少子，这些少子 到达集电结后，被反偏