第三章微波晶體管放大器1

微波晶體管放大器

張小川博士23.1

微波晶體管的總類與特性TransistorInputMatchingNetworkOutputMatchingNetwork50W50WDCBiasCircuit33.1

微波晶體管種類與特性BipolarTransistors

FieldEffectTransistorBJT：

BipolarJunctionTransistor雙極型晶體管Si,0.1-3GHz，易匹配、價(jià)格低，放大器、振蕩器。

HBT：

HeteroJunctionBipolarTransistor異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管

GaAs,AlGaAs,2-20GHz，低相噪振蕩器、功放。JFET:JunctionFET4FieldEffectTransistor

MESFET：MetalSemiconductorFET，金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管GaAs,2-12GHz，振蕩器、功放。HEMT:HighElectronMobilityTransistor，高電子遷移率晶體管,GaAs,AlGaAs,2-40GHzPHEMT:PseudomorphicHEMT，贗晶型高電子遷移率晶體管GaAs,AlGaAs,2-40GHz，LNA。MOSFET:MetalOxideSemiconductorFET3.1微波晶體管種類與特性5BJT硅雙極型微波晶體管WbBaselengthCollectorbufferlayerCollectorsubtrate集電極C發(fā)射極E基極B基極B0.1um1.5um125umCbe=tbgm擴(kuò)散電容障礙rbbrecbebrccrbc6硅BJT頂視圖發(fā)射極E基極B發(fā)射極E基極BPowerBJTEmitterwidth0.5-2umEmitterPeriphery(length)1um7BJT封裝低噪聲雙極晶體管雙極晶體管共射極簡化等效電路

PackagedependentIntrinsicmodel(Biasdependent)9微波硅雙極性晶體管延時(shí)tecBaselengthCollectordepletionlayerCollectorsubtrateCEBB0.1um1.5um125umtctbtdtebtetec=te+teb+tb+td+tc微波硅雙極性晶體管晶體管的增益帶寬積fT（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)。（這里假定）

微波硅雙極性晶體管

為了提高微波雙極晶體管的增益帶寬積，在設(shè)計(jì)和工藝上可采取一些措施：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?？蓽p小基區(qū)寬度WB，電極尺寸受工藝水平限制，同時(shí)也影響器件的承受功率。另一種方法是恰當(dāng)?shù)剡x擇基區(qū)摻雜濃度與梯度來實(shí)現(xiàn)漂移場，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/GaAsHeterojunction13Heterojunction常用材料Emitter(n+)Base(P)SubstrateAlGaAsGaAsGaAsInAlAsInGaAsInGaAsInGaPGaAsGaAsSiSiGeSiGe14HBTMMICLayout隔離集電極contact基極的基臺(tái)基極contact發(fā)射極的基臺(tái)發(fā)射contact15BJTv.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5x108cm-3Higherrb’eVT/

IBLowerVSat(e-)0.7x107cm/sHigher2x107Gain(gm)IC/

VTHigherBasethickness0.1umSmall0.06umfTfT=gm/2pCb’eHigherSubstrateLossyHighresistance低噪聲雙極晶體管功率增益GP：功率增益定義為在某一特定測試條件下，晶體管的輸出功率與輸入功率之比。低噪聲雙極晶體管幾種功率增益：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的不同在于它忽略內(nèi)部反饋，即假定S12=0時(shí)的最大功率增益為：

低噪聲雙極晶體管微波雙極晶體管GT、Gmax、Gu與頻率的關(guān)系

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。低噪聲雙極晶體管雙極晶體管的噪聲來源有三部分：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)。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)。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

cornerfrequency功率雙極晶體管耗散功率大于1W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提高輸出功率，為提高電流容量就要增大發(fā)射極周長以及發(fā)射區(qū)和基區(qū)面積，微波功率管的設(shè)計(jì)就是要在盡可能小的基區(qū)面積內(nèi)（滿足功率要求）獲得最小的發(fā)射結(jié)面積和最大的發(fā)射極周長，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)狀結(jié)構(gòu)。功率雙極晶體管主要指標(biāo)有：輸出功率；功率增益；工作類別。輸出功率；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)用場合不同，有幾種輸出功率定義，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：飽和輸出功率P0：指微波功率管在特定測試條件下所能獲得的最大輸出功率。功率雙極晶體管輸出功率線性輸出功率P1dB：也稱為1dB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，但隨著輸入信號(hào)的增大，晶體管開始進(jìn)入非線性區(qū)，這時(shí)功率增益將隨著輸入增加而逐漸下降，當(dāng)增益下降到比線性增益低1dB時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸出功率即定義為1dB壓縮輸出功率，有時(shí)也簡稱為線性輸出功率。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)制微波），所能獲得的最大輸出功率。線性輸出功率P1dB：晶體管輸入-輸出功率曲線

飽和工作電平輸出信號(hào)功率(dBm)壓縮工作區(qū)線性工作區(qū)

(slope=small-signalgain)1dB輸入信號(hào)功率(dBm)

輸入1dB壓縮點(diǎn)

輸出1dB壓縮點(diǎn)26最大輸出功率的估算VBKForpowertransistorICMAXVkneeClassA:CH1S211ogMAG1dB/REF32dB30.991dB12.3dBmC2IFBW3kHzSWP420msecSTART5dBmCW902MHzSTOP15dBm1dBcompressionpoint:

輸入功率增加導(dǎo)致器件增益下降1dB輸出1dB壓縮點(diǎn)(絕對(duì)測試)采用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試

輸入1dB壓縮點(diǎn)

測試功率

測試頻率01dB

輸入1dB壓縮點(diǎn)28最大輸出功率:BFP420BiasforoptimumoutputpowerIC,MAX=35mAx90%(安全范圍)=31.5mAVCE,MAX=4.5V29DC-IVCurive:BFP420ICQ=16mAIMAX=32mAVMIN=0.35VVCEQ=2.4VVMAX=4.5V30最大輸出功率評(píng)估PowerOutputEstimationICQ=0.5IMAX=16mAVCEQ=0.5x(VMAX+VMIN)=2.4V(VCC=2.5V)P1dB=0.5xICQx(VCEQ-VMIN)=16.4mW=12.15dBmZOPT=

(VCEQ-VMIN)/ICQ=128W若集極看到128W負(fù)載，輸出功率將滿足足10dBm要求工作類別

功率晶管體管放大器常采用的工作類別有三類，即甲、乙、丙三類（也稱為A、B、C三類）。甲類放大的工作特征：發(fā)射結(jié)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。優(yōu)點(diǎn)：增益高、噪聲低、線性好；缺點(diǎn)：輸出功率小且效率低，其理論效率為50%，實(shí)際只有25%～40%。只在高線性要求時(shí)，才采用甲類放大。工作類別（乙類）乙類放大的特征：發(fā)射結(jié)處于零偏壓，晶體管在靜態(tài)時(shí)也無直流電流，也是在外信號(hào)到來時(shí)，開啟發(fā)射極結(jié)才能進(jìn)行放大，只是開啟功率要比丙類小。優(yōu)點(diǎn)：與甲類相比是輸出功率大，效率高，其理論最高效率可達(dá)78%；而與丙類相比是線性好，增益高。為了克服乙類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，這稱甲乙類（或AB類）放大。工作類別（丙類）丙類放大的特征：發(fā)射結(jié)處于反向偏壓，晶體管在靜態(tài)時(shí)沒有直流電流（只有很小的集電極反向漏電流），當(dāng)外信號(hào)到來時(shí)，將發(fā)射結(jié)打開，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100%，實(shí)際可達(dá)50%～70%；缺點(diǎn)：增益低、線性差、噪聲大。34場效應(yīng)晶體管

FieldEffectTransistor(FET)溝道SubstrateSourceGateDrain(W/WO)耗盡型耗盡區(qū)（DepletionRegion）LgtCH35中華大學(xué)電機(jī)系田慶誠金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)管

MetalSemiconductorFETSGD耗盡區(qū)SchottkybarrierGaAs0>VGS>VPCgs36高電子遷移率晶體管

HighElectronMobilityTransistorHeterojunctionVGS>VPVGS>037Heterojunction結(jié)構(gòu)UndopedBufferlayerUndopedChannelSubstrateGaAsHEMTf<30GHzAlGaAsGaAsGaAsPMHEMTf<60GHzAlGaAsInGaAsGaAsInPHEMTmm-WaveInAlAsInGaAsInP38JunctionFET(JFET)0>VGS>VP(-1~-3V)tCH耗盡區(qū)39MetalOxideSemiconductorFET

(增強(qiáng)型)VGS>VT(ThresholdVoltage)40ComparisonsofFETs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)HigherHighestMediumLowNoiseLowLowestLowHighSubstrateHighresistanceHighresistanceLossyLossyCostHigherHighestMediumCheep41晶體管的低頻（1/f）噪聲

HEMTHBT1/fNoiseThermalNoise42晶體管的高頻噪聲HBTHEMT43晶體管的應(yīng)用BJTHBTMESFET(P)HEMTJFETCMOSLNA5th4th2nd1st2nd6thPA3rd1st2nd3rd5th6thOSC2nd1st5th4th2nd6thf<6GHz2nd3rd5th5th4th1stf<30GHz4th2nd3rd1st4thXf>30GHzX2nd3rd1stXXCost2nd5th4th5th2nd1st44S參數(shù)功率波的定義(Z0=50W):50Wa1b1a2b2Port1Port250W45入射波反射波入射功率反射功率46S參數(shù)的計(jì)算50W50Wa1b1a2=0b2Port1Port2MatchedS11S21=Port1反射系數(shù)

當(dāng)端口二匹配=Port1toPort2當(dāng)端口2匹配時(shí)傳輸系數(shù)

。

(gainorinsertionloss)47端口匹配的含義50W50Wa1b1a2=0b2Port1Port2MatchedS11S21各接面可視為由虛擬50W傳輸線(長度視為0)連接，因此傳輸線內(nèi)形成入射波a1

、a2與反射波b1、b2。當(dāng)port2接上50W負(fù)載(matched)，b2直接從50W傳輸線進(jìn)入50W負(fù)載，因此沒有反射波產(chǎn)生，即a2=0。50W50W48S參數(shù)的計(jì)算50W50Wa2b2a1=0b1Port2Port1MatchedS22S12=Port2反射系數(shù)（當(dāng)端口1匹配時(shí)）=Port2toPort1傳輸系數(shù)

（當(dāng)端口1匹配時(shí)）(反向增益or隔離度)S參數(shù)的測試RFalwayscomesoutport1port2isalwaysreceiverresponse,one-portcalavailableRFcomes