第三章微波晶体管放大器1

1、张张 小小 川博士川博士23.13.1 微波晶体管的总类与特性微波晶体管的总类与特性TransistorInputMatchingNetworkOutputMatchingNetwork50W W50W WDC BiasCircuit33.13.1 微波晶体管种类与特性微波晶体管种类与特性 Bipolar Transistors Field Effect Transistor BJT HBT： JFET4 Field Effect Transistor MESFET：金属半导体场效应晶金属半导体场效应晶体管体管GaAs, 2-12GHz，振荡器、功放。振荡器、功放。 HEMT: High El

2、ectron Mobility Transistor，高电子迁移率晶体，高电子迁移率晶体管管, GaAs, AlGaAs, 2-40GHz PHEMT，赝晶型高电子迁移率晶赝晶型高电子迁移率晶体管体管GaAs, AlGaAs, 2-40GHz，LNA。 MOSFETFET3.1 3.1 微波晶体管种类与特性微波晶体管种类与特性5BJTBJT硅双极型硅双极型微波晶体管微波晶体管Wb Base lengthCollector buffer layerCollector subtrate集电极集电极C基极基极B基极基极B0.1um1.5um125umCbe=t tbgm 扩散电容障碍扩散电容障碍rb

3、brecbebrccrbc6硅 BJT 顶视图发射极发射极 E基极基极 B发射极发射极 E基极基极 BPower BJTEmitter width0.5-2umEmitterPeriphery(length)1um7BJT BJT 封装封装低噪声双极晶体管低噪声双极晶体管双极晶体管共射极简化等效电路双极晶体管共射极简化等效电路 Package dependentIntrinsic model(Bias dependent)9微波硅双极性晶体管延时延时t tececBase lengthCollectordepletion layerCollectorsubtrateCEBB0.1um1.5um

4、125umt tct tbt tdt tebt tet tec= t te+ t teb+ t tb+ t td +t tc微波硅双极性晶体管微波硅双极性晶体管 晶体管的增益带宽积晶体管的增益带宽积f fT T（即特征频率）为：（即特征频率）为： 式中， 是发射极到集电极的总延迟时间； 为发射极结电容； 为基极-集电极结电容； 为连接到基极的任何其他电容； 是基区宽度； 是一个包括基极区缓变掺杂分布影响在内的因子，对于均匀掺杂， ； 是耗尽区的渡越时间； 是载流子速度；DpB是基区内少子扩散系数。 12()1222ecpCBBTecCpBsKT CCCXWWfqIDvt（这里假定（这里假定CE

5、II） ecteCcCpCBW2CBXWsv微波硅双极性晶体管 在功率容量和可靠性允许的条件下，应尽量减小发射极面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。积。 可减小基区宽度可减小基区宽度WB，电极尺寸受工艺水平限制，同时也，电极尺寸受工艺水平限制，同时也影响器件的承受功率。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。场，加速载流子的运动速度。 12异质结双极晶体管（HBT） AlGaAs/GaAs Heterojunction13Heterojunction 常用材料Emitt

6、er(n+) Base (P)SubstrateAlGaAsGaAsGaAsInAlAsInGaAsInGaAsInGaPGaAsGaAsSiSiGeSiGe14HBT MMIC Layout隔离隔离集电极集电极contact基极的基台基极的基台基极基极 contact发射极的基台发射极的基台发射发射 contact15BJT v.s. HBT 相同点：纵向电流，提供双载子电流不同点BJTHBTB-E接面同质(silicon)异质基极掺杂浓度5x108 cm-3HigherrbeVT / IBLowerVSat(e-)0.7x107 cm/sHigher 2x107Gain (gm)IC/ V

7、THigherBase thickness0.1umSmall 0.06umfTfT=gm/2pCbeHigherSubstrateLossyHigh resistance低噪声双极晶体管 功率增益功率增益 GP ：功率增益定义为在某一特定测试条件下，：功率增益定义为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。晶体管的输出功率与输入功率之比。 PoiGP PoPiP低噪声双极晶体管几种功率增益：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。定义可知： 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

8、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： 221TGS221max12(1)SGKKS22221122111SSSGu低噪声双极晶体管低噪声双极晶体管 噪声系数F ：晶体管噪声系数的基本定义是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。1iioooipS NNFSNNG低噪声双极晶体管热噪声：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。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

9、，其大小散粒噪声：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。与电流成正比。闪烁噪声：一般认为与半导体制造工艺及表面处理情况有关。闪烁噪声：一般认为与半导体制造工艺及表面处理情况有关。 低噪声双极晶体管低噪声双极晶体管双极晶体管的噪声系数随频率的变化双极晶体管的噪声系数随频率的变化 corner frequency功率双极晶体管 耗散功率大于耗散功率大于1W1W的晶体管被定义为功率晶体管，它和低的晶体管被定义为功率晶体管，它和低噪声管的不同之处在于功率晶体管要求更大的电流容量以噪声管的不同之处在于功率晶体管要求更大的电流容量以提高输出功率，为提高电流容量就要增大发射极周长以及提高

10、输出功率，为提高电流容量就要增大发射极周长以及发射区和基区面积，微波功率管的设计就是要在发射区和基区面积，微波功率管的设计就是要在这就比低噪声管有更多的结构形式。这就比低噪声管有更多的结构形式。 目前常用的有三种电极结构，即梳状结构、覆盖结构和网目前常用的有三种电极结构，即梳状结构、覆盖结构和网状结构。状结构。 功率双极晶体管 输出功率；功率增益输出功率；功率增益 ；工作类别；工作类别 。 晶体管的输出功率本质上取决于自身的电流和电压的承受晶体管的输出功率本质上取决于自身的电流和电压的承受能力，微波功率管由于应用场合不同，有几种输出功率定能力，微波功率管由于应用场合不同，有几种输出功率定义，不

11、同定义的输出功率值差别很大。几种常用的输出功义，不同定义的输出功率值差别很大。几种常用的输出功率定义为：率定义为： 饱和输出功率饱和输出功率 P0：指微波功率管在特定测试条件下所能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。获得的最大输出功率。 功率双极晶体管输出功率 线性输出功率线性输出功率 P1dB：也称为也称为1dB1dB增益压缩时的输出功率增益压缩时的输出功率，晶体管在小信号工作时，其功率增益保持不变，但随着，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

12、下降，当增益下降到比线性增益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低1dB1dB时，所对应的输出功率即定义为时，所对应的输出功率即定义为1dB1dB压缩输出功率，压缩输出功率，有时也简称为线性输出功率。有时也简称为线性输出功率。 脉冲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。制微波），所能获得的最大输出功率。 线性输出功率 P1dBP1dB：压缩工作区压缩工作区1dB 输入输入1dB压缩点压缩点 输出输出1dB压缩点压缩点26最大输出功率的估算VBKICMAXVkneemax,1,()1()()2

13、22CBKkneeOUT 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: 输入功率增加导致器件增益下降输入功率增加导致器件增益下降1dBl输出输出1dB压缩点压缩点(绝对测试绝对测试)采用网络分析仪测试采用网络分析仪测试输入输入1dB1dB压缩点压缩点 测试功率测试功率 测试频率测试频率01

14、dB 输入输入1dB压缩点压缩点28最大输出功率最大输出功率: : BFP420Bias for optimum output powerIC, MAX=35mA x 90% (安全安全范围范围) = 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最大输出功率评估最大输出功率评估Power Output EstimationICQ= 0

15、.5 IMAX= 16mAVCEQ= 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若集若集极极看到看到128W W负载负载，输出输出功率功率将满足将满足足足10 dBm要求要求工作类别 功率晶管体管放大器常采用的工作类别有三类，即甲、功率晶管体管放大器常采用的工作类别有三类，即甲、乙、丙三类（也称为乙、丙三类（也称为A A、B B、C C三类）。三类）。 甲类放大的工作特征：发射结处于正向偏压，晶体管在

16、甲类放大的工作特征：发射结处于正向偏压，晶体管在静态时维持较高的静态直流电流。静态时维持较高的静态直流电流。 优点：增益高、噪声低、线性好；优点：增益高、噪声低、线性好； 缺点：输出功率小且效率低，其理论效率为缺点：输出功率小且效率低，其理论效率为50%50%，实际，实际只有只有25%25%40%40%。 只在高线性要求时，才采用甲类放大。只在高线性要求时，才采用甲类放大。工作类别（乙类） 乙类放大的特征：发射结处于零偏压，晶体管在静态时也乙类放大的特征：发射结处于零偏压，晶体管在静态时也无直流电流，也是在外信号到来时，开启发射极结才能进无直流电流，也是在外信号到来时，开启发射极结才能进行放大

17、，只是开启功率要比丙类小。行放大，只是开启功率要比丙类小。 优点：与甲类相比是输出功率大，效率高，其理论最高效优点：与甲类相比是输出功率大，效率高，其理论最高效率可达率可达78%78%；而与丙类相比是线性好，增益高。；而与丙类相比是线性好，增益高。 为了克服乙类放大零偏压处的失真，也可稍加一点正向偏为了克服乙类放大零偏压处的失真，也可稍加一点正向偏压，以维持较小的静态直流电流，这称甲乙类（或压，以维持较小的静态直流电流，这称甲乙类（或ABAB类类）放大。）放大。工作类别（丙类） 丙类放大的特征：发射结处于反向偏压，晶体管在静态时丙类放大的特征：发射结处于反向偏压，晶体管在静态时没有直流电流（只

18、有很小的集电极反向漏电流），当外信没有直流电流（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。号到来时，将发射结打开，才起放大作用。 优点：输出功率大，集电极效率高，最高理论效率可接近优点：输出功率大，集电极效率高，最高理论效率可接近100%100%，实际可达，实际可达50%50%70%70%； 缺点：增益低、线性差、噪声大。缺点：增益低、线性差、噪声大。34场效应晶体管Field Effect Transistor (FET)Field Effect Transistor (FET)沟道沟道SubstrateSourceGateDrain(W/WO)耗尽型耗尽型耗

19、尽区耗尽区（DepletionRegion）LgtCH35中華大學電機系 田慶誠金属半导体场效应管Metal Semiconductor FET Metal Semiconductor FET SGD耗尽区耗尽区SchottkybarrierGaAs0VGSVPCgs36高电子迁移率晶体管High Electron Mobility TransistorHigh Electron Mobility TransistorHeterojunctionVGSVPVGS037Heterojunction Heterojunction 结构UndopedBuffer layerUndopedChanne

20、lSubstrateGaAs HEMTf30GHzAlGaAsGaAsGaAsPM HEMTfVGSVP(-1-3V)2CHPtVtCH39VGSVT (Threshold Voltage)40 相同点：橫向电流，只提供单一载子电流不同點MESFET(P)HEMTJFETMOSFETmn ,vSHigherHighestLowLowfT , fMAXHigherHighestMediumLowGain (gm)HigherHighestMediumLowNoiseLowLowestLowHighSubstrateHigh resistanceHigh resistanceLossyLossyC

21、ostHigherHighestMediumCheep41晶体管的低频（晶体管的低频（1/f1/f）噪声）噪声HEMTHBT1/f NoiseThermal Noise42晶体管的高频噪声晶体管的高频噪声HBTHEMT43晶体管的应用晶体管的应用BJTHBTMESFET (P)HEMTJFETCMOSLNA5th4th2nd1st2nd6thPA3rd1st2nd3rd5th6thOSC2nd1st5th4th2nd6thf6GHz2nd3rd5th5th4th1stf30GHzX2nd3rd1stXXCost2nd5th4th5th2nd1st44S S参数参数 功率波的定义功率波的定义(Z

22、0=50W):50W W22211211SSSSa1b1a2b2Port 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参数的计算参数的计算0a11112abS0a12212abS50W W50W Wa1b1a2=0b2Port 1Port 2MatchedS11S21= Port 1 反射系数反射系数 当端口二匹配当端口二匹配= Port 1 to Port 2当端口当端口2匹匹配时配时传输系数传输系数 。 (gain

23、 or insertion loss)47端口匹配的含义端口匹配的含义50W W50W Wa1b1a2=0b2Port 1Port 2MatchedS11S21各接面可各接面可视为视为由由虚拟虚拟50W W传输线传输线(长度视为长度视为0)连连接接，因此，因此传输线内传输线内形成形成入射波入射波a1 、a2与与反射波反射波b1 、 b2。当当port 2接上接上50W W负载负载(matched)， b2直接直接从从50W W传输线进传输线进入入50W W负载负载，因此，因此没有没有反射反射波波产产生，即生，即a2=0。50W W50W W48S S参数的计算参数的计算50W W50W Wa2b2a1=0b1Port 2Port 1MatchedS22S120a22221abS0a21121abS= Port 2 反射系数反射系数（当端口（当端口1匹匹配时）配时）= Port 2 to Port 1 传输系数传输系数 （当（当端口端口1匹配时）匹配时）(反向增益反向增益or 隔离度隔离度)S S参数的测试参数的测试RF always comes out port 1port 2 is always receiverr