大学物理大学-射频电路第16讲晶体管放大器

ResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology晶体管BJTFET放大器的工作特性功率增益噪声系数稳定性第16讲内容ResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology射频放大器是最常用的射频电路之一，放大器把直流能量转换为射频能量，从而放大了射频信号，属于有源器件。晶体管放大器由放大管、匹配电路和偏置电路三大部分组成。这也构成了放大器设计的三个方面。RFsourceInputMatchingNetwork(IMN)DCbiasload[S]OutputMatchingNetwork(OMN)ΓLΓoutΓSΓinPLPinc16.1晶体管ResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology常用的放大管是晶体管。晶体管分为两类：结型晶体管（JunctionTransistor）双极晶体管（BipolarJunctionTransistor，BJT）异质结双极晶体管（HeterJunctionBJT，HBJT）Transistor=Transfer+resistorResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology场效应晶体管（FieldEffectTransistor）金属半导体FET（MetalSemiconductorFET，MESFET）高电子迁移率晶体管（HighElectronMobilityTransistor，HEMT）假晶态HEMT（PseudomorphicHEMT，PHEMT）金属氧化物半导体FET（MetalOxideSemiconductorFET，MOSFET)金属绝缘物半导体FET（MetalinsulatorSemiconductorFET，MISFET)ResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology射频晶体管的材料主要是硅（Si）、砷化镓(GaAs）、硅锗（SiGe）、铟磷（InP）等。硅结型晶体管1948年由Bardeen和Brattain在美国AT&TBell实验室发明。由于成本低、相对高的工作频率、高功率容量和相对低的噪声特性等特点，这种晶体管已成为使用年代最长和最流行的射频器件。用于放大器可工作于2～10GHz，用于振荡器可到20GHz。ResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyMISFET和JFET具有较低的截止频率，通常工作于1GHz以下。GaAsMESFET、GaAsHEMT的特点是更高的工作频率和更低的噪声系数。前者可工作到60－70GHz，后者超过100GHz。因此，GaAsFET广泛用于低噪声放大器和高频率放大器。ResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyRF/MW晶体管特性ResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyBJT结构BJT可以采用NPN和PNP型。为了获得增益高、成本低,通常采用NPN型。BJT通常用于4GHz以下的频率。ResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyBJT的工作机理BJT是一个电流控制器件，其基极电流控制集电极电流的大小。ResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology共发射极BJTIeBJT的电路型式BJT是有三种电路型式，即共基极、共发射极和共集电极电路。在功率放大器中常用共发射极电路。在共发射极电路中，发射-基极结是正偏，而集电极-基极结是反偏的，它们由相同极性的电源供电。ResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology共发射极BJT的输入、输出特性ResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyBJT的等效电路BJT可以用散射参数表征，也可以表示为等效电路。共发射极BJT的大信号等效电路：ERRFIIICFFRIIIBECEVBEVCEICIBIRαFIFαRIRBJT的Ebers-Moll电路模型FI/1BCqVkTRCSIIe/1BEqVkTFESIIeFESRCSSIII0.950.990.020.05FR正向电流增益反向电流增益Is-晶体管饱和电流ResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology对于正向和反向激活模式情况，电路模型可以简化为以下两种情况：正向激活模式基极-集电极二极管截止和基极-发射极二极管导通。因此，可以推断：IR0,基极-集电极二极管和基极-发射极电流源可忽略不计。VCEVCEsat=0.1V,VBE≈0.7VIFVBEBEECαFIFVCEResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology反向激活模式基极-集电极二极管导通和基极-发射极二极管截止。因此，可以推断：IF0,基极-集电极二极管电流源和基极-发射极二极管可忽略不计。VCE＜－0.1V,VBC≈0.7VIRVBEBEECαRIRVCEResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology共发射极BJT的小信号混合型等效电路[exp()1]()26beescemoebeqVIIkTIImAqgIVkT发射极电流跨导ResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyGaAsMESFET不同于BJT，FET是单极性器件，即只有一种载流子（空穴或电子）对穿过沟道的电流作贡献。空穴贡献，称为P型沟道FET电子贡献，称为N型沟道FETFET是电压控制器件，通过改变栅极上所加的电压，产生可变电场，来控制从源极到漏极的电流。ResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyGaAsMESFET的结构ResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyGaAsMESFET的物理过程GaAsMESFET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(D)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。ResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology当漏极和栅极加上偏压时，耗尽区的大小和位置发生变化，沟道的截面积大小也就随之发生变化，这就影响了I一V特性。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。ResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyVDSDSGVGSIDIG(c)FET符号VDS0IDVGS-VT0VGS=0VGS0(d)输出特性线性区饱和区ResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyGaAsMESFET的大信号模型VGDVGSCGSCGDIDDGSDSrDrsResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyGaAsMESFET的小信号等效电路migvivResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology16.2放大器的工作特性设计RF/MW放大器时所考虑的主要问题包括：功率增益噪声系数稳定性驻波比设计方法基于晶体管的S参数VsResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology功率增益实际应用中常用三种功率增益转换功率增益GT：负载吸收功率PL与信号源输出的资用功率Pa之比，即GT=PL／Pa可用功率增益Ga：网络输出的资用功率Pout对信号源输出的资用功率Pa之比，即Ga=Pout／Pa工作功率增益Gp：负载吸收功率PL对输入到网络的功率Pin之比，即Gp=PL／PinResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology推导根据不难得到根据电压分压原理，归一化电压为22LcLLcZZaZZbscsscZZZZ11111221111222211222211222LLbSaSaSaSbbSaSaSaSb11221111111incLinLincZZbSSSaSZZ[phone]soutsSSbSaS1111(1)insinsinZVVabaZZ11inincinZZ11SScSZZ2121221LSbaSResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology可得于是，得输入功率负载吸收功率1112SssincVaZ22222*1112(1||)|1|11(1)2281sinsinincsinVPVIaZ2222221*22212222222212222(1)111(1)2221(1)1811LLLLsLScLSinSPVIbaSVSZSResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology信号源的资用功率Pa是源提供的最大功率，发生在输入端共轭匹配时：同理，网络输出资用功率Pout是负载吸收的最大功率，发生在输出端共轭匹配时*222|||1||8(1||)inSsSainCSVPPZ*2222212*222||(1||)|1||8|1|1LoutsoutsoutLcoutsi