北理工微波 微波放大器.pdf

第四章 微波有源电路 微波放大器 微波混频器与倍频器 微波混频器与倍频器 微波振荡器 微波调制器与控制电路 微波调制器与控制电路 微波前端 微波电路 微波电路CAD 微波电路测量 微波放大器 3 根据制造工艺 微波有源电路可以分为 印刷电路 PCB 印刷电路 PCB 元器件直接焊接到印刷板上 印刷版作为连线和支撑媒质 混合微波集成电路 HMIC 成本低 频率低 3GHz以下 混合微波集成电路 由分布参数电路元件和 集总参数电路元件混合集总参数电路元件混合 而成 混合MIC电路尺 寸较PCB小 可工作至寸较PCB小 可工作至 毫米波频段 形式灵活 构建微波系统 单片微波集成电路 MMIC 所有有源和无源电路元件及其互连是在块半导体绝缘基片 所有有源和无源电路元件及其互连是在一块半导体绝缘基片 上形成的 目前生产的MMIC多数工作于0 5 100GHz的频 段 单片集成技术特别适用毫米波应用 MMIC的优点是成段 单片集成技术特别适用毫米波应用 MMIC的优点是成 本低 尺寸小 可靠性高 可批量生产 晶体管放大器是最常用的微波有源电路之一 晶体管放大器 把直流能量转换为射频能量 从而实现射频信号的放大 晶体管放大器由晶体管 匹配电路和偏置电路三部分组成 这也构成了放大器设计的三个方面这也构成了放大器设计的三个方面 常用的微波晶体管主要为两类 结型晶体管 场效应管 材料主要是硅 Si 砷化镓 GaAs 铟磷 InP 硅锗 SiGe 结型晶体管 双极晶体管 BJT 双极晶体管 BJT 异质结双极晶体管 HBJT 电流驱动器件 共发射极放大器 硅结型晶体管 成本低 工作频率较高 高功率容量 相对低的噪声特性BJT 1 f噪声低 特别适合用于设计低相位噪声的压控振荡器 场效应晶体管 FETs 金属半导体FET MESFET 电压控制器件 金属半导体FET MESFET 高电子迁移率晶体管 HEMT 假晶态HEMT PHEMT 电压控制器件 单极性器件 假晶态HEMT PHEMT 金属氧化物半导体FET MOSFET 金属绝缘物半导体 P型沟道FET N型沟道FET 金属绝缘物半导体FET MISFET GaAs MESFETGaAs HEMT为目前最成熟的半导体工艺 N型沟道FET GaAs MESFET GaAs HEMT为目前最成熟的半导体工艺 有源晶体管更高的工作频率 更低的噪声系数 接近100GHz接近100GHz 低噪声放大器 中等功率放大器 高频率放大器 材料工艺器件电路 GaAs FET的物理过程 G A MESFET在G A 衬底 绝缘层 上外延薄层N型高 GaAs MESFET在GaAs衬底 绝缘层 上外延一薄层N型高 纯度半导体高导电层 构成N型沟道 它经源极 S 和漏极 的欧姆接触与外电路相连接的欧姆接触与外电路相连接 因为GaAs 的费米电平大于肖特基金属的费米电平 所以 GaAs 中多余的电子溢出而进入栅极金属一侧 并在其后形成GaAs 中多余的电子溢出而进入栅极金属侧 并在其后形成 耗尽区 于是在栅极的欧姆接触与N型半导体导电区域间形成 肖特基势垒 势垒的存在把栅极欧姆接触与沟道中移动的电 子隔开 当漏极和栅极加上偏压时 耗尽区的大小和位置发生变化 沟道的截面积大家想随之发生变化 使得I V特性发生变化 栅偏压越负耗尽区下面的导电沟道越小漏极电流就越小 栅偏压越负 耗尽区下面的导电沟道越小 漏极电流就越小 反之 如果栅偏压越正 漏极电流就越大 微波固态器件的发展趋势 微波晶体管放大器的主要技术指标 功率增益 噪声系数 稳定性 驻波比 回波损耗 功率增益 转换功率增益定义为负载吸收的功率与信号输出的资用功率 转换功率增益定义为负载吸收的功率与信号输出的资用功率 之比 即 L T P G 资用功率增益定义为网络输出的资用功率与源输出的资用功 T a G P 资用功率增益定义为网络输出的资用功率与源输出的资用功 率之比 即 out a P G P 工作功率增益定义为实际交给负载的功率对输入到网络的功 率之比即 a P 率之比 即 L p P G P p in P 推导 ZZ ZZ sc s sc ZZ ZZ Lc L Lc ZZ ZZ bb 111 112211 1122 221 122221 1222 L L bS aS aS aSb bS aS aS aSb 11221 11 122 1 incL in Linc ZZbS S S aSZZ 1 in Z VVaba 12212 22 211 1 S out S S Sb S aS 1111 1 sin sin VVaba ZZ 1 in ZZ 1 inc in ZZ 1 sS V 22 222 1 2 11 11 ss ininin V Pa 1 2 1 sS Sin a 1 2 28 1 ininin cc sin ZZ 2 2 b 22222 22 2121 1 111 LLs SS Va 2 2 1 2 LL c b P Z 2121 1 222 2222 28 111 LLs s L cc LLsin Va P ZZ SS 推导 源的可用功率是可交付给网络的最大功率它是当网络的输 源的可用功率是可交付给网络的最大功率 它是当网络的输 入阻抗与源阻抗共轭匹配时出现 输入资用功率 22 22 2 1 8 1 ins ss ain c s V PP Z 网络输出的可用功率是可交付给负载的最大功率 输出资用 功率 功率 222 21 22 1 8 L ss outL VS PP Z 22 11 8 11 Lout c sout Z S 功率增益 转换功率增益 222 转换功率增益 222 21 11 SL L S P G 222 21 22 11 11 11 SL T SoutL S G S 资用功率增益 22 22 11 L T a inSL G P S 222 21 2 1122 11 1 SL T SLSL S G SS 资用功率增益 22 21 1 s out SP G 1122 1 SLSL SS 11221221 S SS S 工作功率增益 22 11 11 a a sout G P S 噪声设计 2 2 11 L L P GS 功率设计 2122 22 11 p in Lin GS P S 功率设计 转换功率增益 单向转换功率增益 单向转换功率增益 假定网络是单向的 即12 0S 11in S 22out S 22 2 11 SL 2 21022 2211 11 SL TUsL LS GSG G G SS 最大单向功率转换增益 输入输出共轭匹配 2 21 S G 22 1122 11 TUm G SS 例子 噪声特性 晶体管的噪声主要来源于热噪声散粒噪声分配噪声和闪 晶体管的噪声主要来源于热噪声 散粒噪声 分配噪声和闪 烁噪声 1 f噪声 电阻产生热噪声晶体管内电子的不规则热运动产生热噪 电阻产生热噪声 晶体管内电子的不规则热运动产生热噪 声 热噪声主要存在于基区体电阻 发射区和集电区的热 噪声很小 噪声很小 R NkTB 注入载流子数目的随机起伏称为散粒噪声 具体体现为发 射极电流和集电极电流的随机起伏 射极电流和集电极电流的随机起伏 分配噪声 由于发射极电流分为基极电流和集电极电流的 比例的起伏而造成的 闪烁噪声 1 f噪声 主要在低频范围内产生 与半导体 材料制作时表面处理和外加电压有关 噪声系数 任何线性二端口网络的噪声系数可以定义为 任何线性二端口网络的噪声系数可以定义为 0 N输入端的信噪比输出端的有效噪声功率 如果是放大器加入的噪声则 0 N F GkTB 输入端的信噪比输出端的有效噪声功率 输出端的信噪比增益 输入端的有效噪声功率 如果Na是放大器加入的噪声 则 1 aa GkTBNN F N级放大器级联的噪声系数 1F GkTBGkTB 32 1 112121 111 n FFF FF GGGGGG L 112121 n GGGGGG 当前级增益G1足够大的时候 整机的噪声系数接近第一级的 噪声系数 因此多级放大器第一级噪声系数大小起决定作用 噪声系数 因此多级放大器第级噪声系数大小起决定作用 用等效噪声温度表示 NGk TTB 1 e T F 10lg10lg 1 e T NFF 00e NGk TTB 0 1F T 0 10lg10lg 1 NFF T 最佳噪声匹配 般任何有噪声的二端口网络可以用噪声电压和噪声电 一般任何有噪声的二端口网络可以用一噪声电压和一噪声电 流源连接于无噪声网络的输入端口来表示 如果电路表现为电压噪声为主 用一高阻抗的源将使噪声信 号的传输最小 但是如果是电流噪声为主用低阻抗源将使号的传输最小 但是如果是电流噪声为主 用低阻抗源将使 噪声信号的传输最小 当两种噪声源都必须考虑时在特定的源导纳或源阻抗时 当两种噪声源都必须考虑时 在特定的源导纳或源阻抗时 电路的噪声系数将最小 这种情况的源导纳称为最佳源导纳 噪声系数可以用最小噪声表示为 2 min0 n s R FFYY G 22 min00 s n ss G R FGGBB G min00 2 0 4 ss s ns G R F 0 min 22 0 11 ns s F 放大器的稳定性 任个具有功率增益的放大器都可以由引入正反馈而成为振 任一个具有功率增益的放大器都可以由引入正反馈而成为振 荡器 所以任何设计或工艺处理的不当 都可导致放大器发 生寄生振荡 自激 生寄生振荡 自激 当放大器的输入和输出端的反射系数的模都小于1时 不管源 阻抗和负载阻抗如何 放大器都是稳定的 称为绝对稳定 阻抗和负载阻抗如何 放大器都是稳定的 称为绝对稳定 当输入端或输出端反射系数的模大于1时 放大器是不稳定的 有条件稳定的放大器是指负载阻抗和源阻抗满足一定的条件 有条件稳定的放大器是指负载阻抗和源阻抗满足定的条件 才能保证放大器稳定工作 1 1 sL 管子的散射参数是固定的 对稳定性有影响的有源和负 11 1 1 sL L in S S 对稳定性有影响的只有源和负 载的反射系数 s L 在输入端口 必须满足 11 22 1 1 in L s S S 在输入端口 s必须满足 out 小于1的条件 在输出端口 L必须满足 in 22 11 1 1 s out s S 在输出端口 L必须满足in 小于1的条件 稳定圆 令作为稳定与不稳定的边界条件11 令作为稳定与不稳定的边界条件1 1 inout 111111222222 RIRIRI SSjSSSjSj 111111222222 RIRI LLLSS SSjSSSjSj jj 和 22 输出稳定圆 22 2 22 2 RRII LLLLL RRII CCr CC 输出稳定圆 输入稳定圆 2RRII SSSSs CCr SS S S 输入稳定圆 11 22 1221 2222 2222 LL SS S S rC SS 22 11 1221 2222 SS SS S S rC 2222 2211 SS SS 已知二端口网络的S参数 即可在圆图上画出稳定圆 问题 稳定区在稳定圆圆内还是圆外 分析 如果 负载匹配 则 可能大于 1或小于1 0 L 11in S 1或小于1 如果 因此 则圆图原点为稳定工作点 意 味着的圆内是不稳定区 11 1S 1 in 1 in 1 1 的输出稳定圆和的大圆两圆相交的区域为 稳定区 1 in 1 L 同理 可判断输入圆的稳定区 例子 有合适偏压的一晶体管在2GHz时的S参数为 有合适偏压的一晶体管 在2GHz时的S参数为 晶体管放大器晶体管放大器 小信号放大器的设计 小信号晶体管放大器般工作于晶体管的线性区其散射参 小信号晶体管放大器一般工作于晶体管的线性区 其散射参 数与频率无关 小信号晶体管放大器的设计过程 小信号晶体管放大器的设计过程 给定技术指标 频段 增益 噪声系数等 选择合适的晶体管 选择合适的晶体管 根据晶体管的S参数 检验器件的稳定性 如果绝对稳定直接设计输入 输出匹配网络 如果绝对稳定 直接设计输入 输出匹配网络 如果有条件稳定 设计输入 输出匹配网络时要避开不 稳定区域稳定区域 必要时 在圆图上画出恒定增益圆和恒定噪声圆 选择 折中方案折中方案 根据晶体管特性要求设计偏置电路 低噪声放大器 主要技术指标 工作频率 宽带 窄带 工作频率宽带 窄带 噪声系数 放大器线性增益 放大器线性增益 输入 输出功率压缩点 输入 输出驻波比等 输入 输出驻波比等 低噪声放大器 低噪声放大器 功率放大器 功率放大器的主要技术指标 功率放大器的主要技术指标 工作频率 功率增益 功率增益 饱和功率 动态范围 动态范围 交调失真 IMD 与三阶交叉点 IP3 输入输出驻波比 反向隔离等 功率增益 L P G P 1 11 dBin dBdB PdBmPdBmGdB in P 线性区 饱和区 非线性区 饱和区 非线性区 输出可检测 最小功率电平 1dB增益压缩点 放大器的增益偏离线性区 且比线性增益低1dB的 那点P 1GGdBPP 那一点 Pin1dB 输出功率1dB压缩点 P1dB常用以表征放大器的功率处理能力 101 1 1 dBdBin dB GGdBPP 饱和输出功率 功率放大器可能的最大输出功率 sat P 功率放大器可能的最大输出功率 一般指增益比正常情况低3dB时的输出功率 30 3 3 dBsatindB GGdBPP PdBmPdBmPdBmGdB 3 33 satdBindBdB PdBmPdBmPdBmGdB 应尽可能避免放大器工作在深度饱和状态 动态范围 交调失真 I