微波晶体管放大器设计
- 格式：doc
- 大小：683.50 KB
- 文档页数：20
下载文档原格式
合集下载
大学毕业论文设计微波晶体管放大器设计
微波晶体管放大器设计导师：学生：1.引言随着通信技术特别是无线通信技术的飞速发展，人们对于无线通信终端的要求进一步提高，作为承担天线感应下来的微弱信号放大任务的低噪声放大器也必须进一步的适应通信信号对其的要求。
通信信号本身就是高频载波信号，这就要求低噪声放大器能够在高频情况下工作。
由于硅器件的截止频率f T 为50GHz 的理论极限已在日趋接近。
在这种情况下，由于三~五族化合物半导体GaAs 的电子迁移率比硅高出5倍，目前的戒指频率f T 已经超过了100GHz ，集成化技术也取得很大进展，但是GaAs 材料具有明显的缺点：价格贵它的晶片制造工艺复杂，难度大，机械强度不好，容易碎片；热导率低，只有硅材料的1/3。
更主要的是GaAs 工艺与硅平面工艺不能兼容。
使得现有的无法继续使用，如更换器材成本太大。
所以这些缺点很大程度上影响了GaAs 器件及其集成电路技术的发展。
在本世纪80年代，在硅片上外延生长出了高质量的SiGe 应变材料，人们利用“能带工程”理论成功地研制出Si 1-x Ge x 基区的双极性异质结晶体管，由于Si 1-x Ge x 应变材料，电子迁移率高，其禁带宽度可通过Ge 组分变化调节的优点，显示出独特的有价值的物理性质。
在高频、高速、光电、低温等器件及集成电路应用方面有非常重要的意义。
2.国内外SiGe 技术的研发现状早在20世纪50年代中期，Kroemer 就提出异质结器件的原理和概念。
由于Si 和Ge 晶格失配达4％，SiGe 材料的制备有很大难度。
直到80年代，异质结技术才有明显发展。
早期在Si 衬底上生长SiGe 外延层的研究主要采用MBE 方法。
1975年，Kasper等人发表了关于在Si衬底上MBE生长Si/Ge超晶格的文章，对SiGe生长中由于晶格失陪引起的位错以及位错对电学和光学性能的影响进行了许多研究，生长出全应变，低缺陷密度的高质量SiGe/Si异质结材料。
随后各种SiGe/Si异质结期间相继研制成功，如：SiGe HBT，应变SiGe沟道的P-MosFET和超过200GHz，2GHz下，驰豫SiGe/Si应变电子沟道N-MosFET。
微波通信微波放大器的设计讲解
微波通信课程设计说明书微波低噪声放大器的设计起止日期：年月日至年月日学生姓名班级学号成绩指导教师(签字)年月日目录一、设计原理 (1)二、设计设备 (4)三、设计步骤 (4)四、设计结果及分析 (5)五、软件仿真 (7)六、总结体会 (13)微波放大器的设计一、设计原理一个射频晶体放大器电路可分为三大部分：二端口有源电路、输入匹配电路及输出匹配电路，如图1所示。
一般而言，二端口有源电路采用共射极（或共源极）三极管（BJT 、FET ）电路，此外，还包括直流偏压电路。
而输入匹配电路及输出匹配电路大多采用无源电路，即利用电容、电感或传输线来设计电路。
一般放大器电路，根据输入信号功率不同可以分为小信号放大器、低噪声放大器及功率放大器三类。
而小信号放大器依增益参数及设计要求，可分成最大增益及固定增益两类。
而就S 参数设计而言，则可有单向设计及双边设计两种。
本单元仅就小信号放大器来说明射频放大器之基本理论及设计方法。
1.单边放大器设计（Unilateral Amplifier Design ）所谓单边设计即是忽略有源器件S 参数中的S 12，即是S 12=0。
此时可得：ΓIN = S 11 及 ΓOUT = S 22则放大器之单边转换增益(Unilateral Transducer Gain,G TU )为：L O S TU G G G G =其中 222222121121111LLL O SSS S G S G S G Γ-Γ-==Γ-Γ-=假若电路又符合下列匹配条件：ΓS = S 11* 及 ΓL = S 22*则可得到此放大器电路之最大单边转换增益(Maximum UnilaterlaΓL = ΓOUT *图1 放大器电路方框图LLS S S S S Γ-Γ+=22211211'111SSS S S S S Γ-Γ+=11211222'221S IN 11ΓL ΓOUT = S ’22R SLTransducer Gain,G TU,max )：222221211max ,1111S S S G TU -⋅⋅-=2.双边放大器设计(Bilateral Amplifier Dseign)双边设计即是考虑有源器件S 参数中的S 12，即是S 12≠0。
微波放大器设计及测试
根据被测放大器的工作频率范围设置合成源和标量网络 分析仪的频率范围 接入被测放大器后，将放大器的电源端与稳压电源相连， 打开合成源的信号输出开关和稳压电源开关 记录标量网络分析仪上的测试数据
小信号放大器的测试
小信号放大器试验数据
2GHz S11(dB) s21(dB) 2.05GHz 2.1GHz 2.15MHz …… …… …小信号工作条件下，网络分析仪可以精确确 定小信号增益。幅度一般以dB表示，相位以度 表示。 传送到负载（一般为50 Ω终端）的功率可以用 微波功率计测量。单位通常以“dBm”表示。
PA的主要性能指标
饱和输出功率和1dB压缩点
依赖于偏置和负载，功率随输入功 率呈线性增加，直到放大器开始受 到压缩。 在压缩点，增益开始作为输入功率 的函数下降，最终PA的输出功率没 有任何增加，即“饱和输出功率”。 功率放大器增益压缩1dB所对应的 输出功率称为1dB压缩点输出功率， 记作P1dB。 1dB压缩点常被用来衡量放大器的 功率容量。 显然，1dB压缩点的相应增益 G1dB=G0-1dB，其中G0是放大器的 小信号增益。
微波放大器的设计及测试
主要内容
放大器概述 放大器的分类 小信号放大器的特性指标 功率放大器
功率放大器的特性指标 放大器的测试方法
RF/MW放大器概述
放大器是无线收发机中的重要组成部件。 类似于低频放大器，RF/MW放大器电路是为 了获取稳定的增益，其基本原理相同。
k = 波尔兹曼常量(1.38 * 10-23焦耳/ K), T = 温度，单位为开尔文 B = 噪声带宽(Hz) 在室温(290 K)时，噪声功率谱密度PNAD = -173.8 dBm/Hz。
PA的主要性能指标
小信号放大器的测试
小信号放大器试验数据
2GHz S11(dB) s21(dB) 2.05GHz 2.1GHz 2.15MHz …… …… …小信号工作条件下，网络分析仪可以精确确 定小信号增益。幅度一般以dB表示，相位以度 表示。 传送到负载（一般为50 Ω终端）的功率可以用 微波功率计测量。单位通常以“dBm”表示。
PA的主要性能指标
饱和输出功率和1dB压缩点
依赖于偏置和负载，功率随输入功 率呈线性增加，直到放大器开始受 到压缩。 在压缩点，增益开始作为输入功率 的函数下降，最终PA的输出功率没 有任何增加，即“饱和输出功率”。 功率放大器增益压缩1dB所对应的 输出功率称为1dB压缩点输出功率， 记作P1dB。 1dB压缩点常被用来衡量放大器的 功率容量。 显然，1dB压缩点的相应增益 G1dB=G0-1dB，其中G0是放大器的 小信号增益。
微波放大器的设计及测试
主要内容
放大器概述 放大器的分类 小信号放大器的特性指标 功率放大器
功率放大器的特性指标 放大器的测试方法
RF/MW放大器概述
放大器是无线收发机中的重要组成部件。 类似于低频放大器，RF/MW放大器电路是为 了获取稳定的增益，其基本原理相同。
k = 波尔兹曼常量(1.38 * 10-23焦耳/ K), T = 温度，单位为开尔文 B = 噪声带宽(Hz) 在室温(290 K)时，噪声功率谱密度PNAD = -173.8 dBm/Hz。
PA的主要性能指标
第三章 微波晶体管放大器
12:41
电子科技大学电子工程学院
微波固态电路
微波晶体管放大器
B 金属电极 E B
§3-2 微波双极结型晶体管 1. 微波硅双极晶体管
特征频率 fT
fT ≈ f β
2πfT = ω T = 1
5~10GHz Ic β = Vce =0 Ib
P+
N + 发射区 P基区 N集电区 N + 衬底 C
E
P+
§3-1 引言
特点：体积小、重量轻、结构简单、稳定性好、频带宽、动态范围 大、功耗小、寿命长。 在降低噪声，提高工作频率，增大输出功率和单片微波集成 （MMIC）等方面取得很大进步，已经得到广泛应用。
分类： 按器件
区别：
微波双极晶体管（BJT）放大器 微波场效应晶体管（FET）放大器 高电子迁移率晶体管（HEMT）放大器 异质结双极晶体管（HBT）放大器
21 2 max 12
Gu =
12:41
S 21
2
2 2
(1 − S11 )(1 − S 22 )
电子科技大学电子工程学院
微波固态电路
微波晶体管放大器
微波硅双极性晶体管
增益（dB） 6 4 2 0 GT fTra fMAG fmax 频率（GHz）
微波双极晶体管GT、Gmax、 Gu与频率的关系
12:41
Gmax Gu
电子科技大学电子工程学院
微波固态电路
微波晶体管放大器
低噪声双极晶体管
噪声系数F ：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。
Si N i N o 1 F= = ⋅ So N o N i G p
双极晶体管的噪声来源有三部分： 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。 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。 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。
电子科技大学电子工程学院
微波固态电路
微波晶体管放大器
B 金属电极 E B
§3-2 微波双极结型晶体管 1. 微波硅双极晶体管
特征频率 fT
fT ≈ f β
2πfT = ω T = 1
5~10GHz Ic β = Vce =0 Ib
P+
N + 发射区 P基区 N集电区 N + 衬底 C
E
P+
§3-1 引言
特点：体积小、重量轻、结构简单、稳定性好、频带宽、动态范围 大、功耗小、寿命长。 在降低噪声，提高工作频率，增大输出功率和单片微波集成 （MMIC）等方面取得很大进步，已经得到广泛应用。
分类： 按器件
区别：
微波双极晶体管（BJT）放大器 微波场效应晶体管（FET）放大器 高电子迁移率晶体管（HEMT）放大器 异质结双极晶体管（HBT）放大器
21 2 max 12
Gu =
12:41
S 21
2
2 2
(1 − S11 )(1 − S 22 )
电子科技大学电子工程学院
微波固态电路
微波晶体管放大器
微波硅双极性晶体管
增益（dB） 6 4 2 0 GT fTra fMAG fmax 频率（GHz）
微波双极晶体管GT、Gmax、 Gu与频率的关系
12:41
Gmax Gu
电子科技大学电子工程学院
微波固态电路
微波晶体管放大器
低噪声双极晶体管
噪声系数F ：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。
Si N i N o 1 F= = ⋅ So N o N i G p
双极晶体管的噪声来源有三部分： 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。 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。 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。
晶体管放大器的设计
1.放大器与晶体管放大电路1.1放大器1.1.1 放大器概述放大电路广泛应用于各种电子设备中，如音响设备、视听设备，精密仪器、自动控制系统等。
放大电路的功能是将微弱的电信号（电流、电压）放大得到所所需要的信号。
一个放大器可以用一个带有输入端和输出端的方框表示。
输入端结欲放大的信号源，输出端接负载，如图2—1所示。
输入信号经过放大器放大后通过输出端接到负载上。
如果满足下面两个条件，就说电信号已经放大。
图2—1 放大器方框图（1）输出信号的功率大于输入信号的功率。
（2）力求输出到负载上的信号波形与输入源的波形一致。
1.1.2 对放大器的基本要求（1）要有足够的放大倍数。
（2）要具有一定宽度的同频带。
（3）非线性失真要小。
（4）工作要稳定1.2 晶体管放大器1.2.1 基本放大电路的组成晶体管基本放大电路如图所示。
根据放大电路的组成原则，晶体管应工作再放大区，即u BE>Uon,uCE>>uBE,所以在图所示基本人共集放大电路中，晶体管的输入回路加基极电源Vbb，它与Rb、Re共同确定合适的基极静态电流；晶体管的输出回路加集电极电源Vcc ，它提供集电极电流和输出电流。
画出图a 所示电路的直流通路如图b 所示，集电极是输入回路和输出回路的公共端。
交流信号ui 输入时，产生动态的基极电流ib ，驼载在静态电流上IBQ 上，通过晶体管得到放大了的发射极电流iE,其交流分量ie 在发射极电阻Re 上产生的交流电压即为输出电压uo 。
由于输出电压由发射极获得，故也称共集放大电路为射极输出器。
1.2.2 静态分析静态分析：就是求解静态工作点Q ，在输入信号为零时，BJT 或FET 各电极间的电流和电压就是Q 点。
可用估算法或图解法求解。
图解法确定Q 点和最大不失真输出电压（1）用图解法确定Q 点的步骤：已知晶体管的输出特性曲线族→由直流通路求得I BQ →列直流通路的输出回路电压方程得直流负载线→在输出特性曲线平面上作出直流负载线→由I BQ 所确定的输出特性曲线与直流负载线的交点即为Q 点。
第三章微波晶体管放大器1
2 B 1
t ec 是发射极到集电极的总延迟时间； Ce 为发 式中， C p 为连接到 Cc 为基极-集电极结电容； 射极结电容； 是一个包 WB 是基区宽度； 基极的任何其他电容； 括基极区缓变掺杂分布影响在内的因子，对于均 v s 是载 X C WB 是耗尽区的渡越时间； 2 ； 匀掺杂， 流子速度；DpB是基区内少子扩散系数。
1um
Power BJT
6
BJT 封装
7
低噪声双极晶体管
Cbc
Cc 2
B
Lb Cbe
re
Cc1 rbb
rcc Lc Cce
C
0Ie
C De
CTe
Package dependent
Intrinsic model (Bias dependent)
Le
E
双极晶体管共射极简化等效电路
微波硅双极性晶体管延时tec
30
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、 乙、丙三类（也称为A、B、C三类）。
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。 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50%，实际 只有25%～40%。
只在高线性要求时，才采用甲类放大。
5x108 cm-3 VT / IB
0.7x107 cm/s IC/ VT
Higher Lower
Higher 2x107 Higher
Base thickness
fT Substrate
15
0.1um
fT=gm/2pCb’e Lossy
Small 0.06um
Higher High resistance
t ec 是发射极到集电极的总延迟时间； Ce 为发 式中， C p 为连接到 Cc 为基极-集电极结电容； 射极结电容； 是一个包 WB 是基区宽度； 基极的任何其他电容； 括基极区缓变掺杂分布影响在内的因子，对于均 v s 是载 X C WB 是耗尽区的渡越时间； 2 ； 匀掺杂， 流子速度；DpB是基区内少子扩散系数。
1um
Power BJT
6
BJT 封装
7
低噪声双极晶体管
Cbc
Cc 2
B
Lb Cbe
re
Cc1 rbb
rcc Lc Cce
C
0Ie
C De
CTe
Package dependent
Intrinsic model (Bias dependent)
Le
E
双极晶体管共射极简化等效电路
微波硅双极性晶体管延时tec
30
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、 乙、丙三类（也称为A、B、C三类）。
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。 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50%，实际 只有25%～40%。
只在高线性要求时，才采用甲类放大。
5x108 cm-3 VT / IB
0.7x107 cm/s IC/ VT
Higher Lower
Higher 2x107 Higher
Base thickness
fT Substrate
15
0.1um
fT=gm/2pCb’e Lossy
Small 0.06um
Higher High resistance
微波放大器研制毕业设计
第一章引言随着半导体技术的迅速发展, 微波晶体管放大器在提高工作频率和增大输出功率等方面都取得了很大的进展。
但随着晶体管工作频率和输出功率的提高, 其输入和输出阻抗实部会非常低,并具有相当的电抗,在实际应用中, 这些低阻抗需要与系统特性阻抗(一般为50)相匹配, 并有足够的带宽。
微波放大器近年来已广泛应用于雷达、电子对抗、广播电视等领域，它具有体积小、重量轻、耗电少、可靠性高、相位特性好的优点，且一般都在50欧姆的微带线上进行调试因此, 在源和负载之间需要设计和制作一个宽带、高匹配的无源网络,使晶体管的实部得以提高,虚部尽量减小,这样既可减小输入端的反射功率,又能增大器件的输出功率,这样不仅提高了功率增益和集电极效率,也增加了功率管在整个频带内的稳定性,充分发挥微波功率晶体管的性能,这种无源网络被称为微波匹配电路。
1.1微波晶体管放大器的发展微波放大器通常是随着放大器件的生产和工艺技术的改进而发展的。
微波晶体管放大器也是如此。
它随着微波晶体管的生产和工艺技术的发展而发展，40年代末期，世界上第一只半导体三极管问世，由于其体积小，重量轻，省电等优点，受到极大的重视。
并迅速发展成为固体电子器件的一个重要分支。
到60年代中期，由于平面外延工艺的发展，双极晶体管的工作频率跨进了微波频段，出现了微波双极性晶体管（BJI）及其相应的放大器。
早在1952年，W.肖克来就提出了场效应晶体管(FET)，但是由于当时工艺技术条件限制，这种管子还未发展成为实用固件器件。
直到60年代中期，随着半导体材料和工艺的迅速发展，FET 不但很快成为实用的固体器件，而且紧跟着在双极晶体管之后迅速进入微波频段，出现了微波及其相应的放大器。
微波双极性晶体管及微波并驾齐驱，是微波晶体管放大器的发展日新月异。
60年代中期微波晶体放大器出现后，由于其频带宽，稳定性好，省电，简单的特点，并且其噪声性能也不差，因而很快取代了之前的。
随着工作频率的提高和噪声性能的改善，到了60年代晚期，微波晶体管放大器开始取代了L和S波段的低噪声行波管放大器。
微波功率晶体管设计实例
微波功率晶体管设计这里设计的微波功率晶体管将用于甲类放大,其设计指标如下: 工作频率f=2GHz 功率增益Kp=10Db 效率n=40% 输出功率0P =1W 电源电压cc V =20v1.1一般考虑 :在发射极甲类运用时，根据图，晶体管的集电极与发射极之间应当能承受的电压峰值为2cc V ，故240CEO cc BV V V ≥=。
根据式0max 2C ccP I V =，最大集电极工作电流为max C I =0.2A 。
根据式OCM P P η=，最大耗散功率为CM P =2.5W 。
选取最高结温jM T =150℃；环境温度a T =25℃；根据式()jM a CM TT T P R -=，热阻T R =50℃/W 。
当考虑到各寄生参数和发射极整流电阻R E 对功率增益的影响后，高频优值2p K f 可表示为2'8()T p ob bb E T e f K f C r R f L ππ=++当工作频率f=2GHz 时，要获得功率增益K p =10dB ，则特征频率f T 应该选的稍高一些。
如果选取f T =3.6GHz ，则要求12'() 3.610ob bb E T e C r R f L s π-++≤⨯这对C ob 、r bb ’、R E 和L e 的要求是很高的。
为此可考虑采取以下措施。
（1） 采用砷硼双离子注入工艺，以获得较小的基极电阻r bb ’和较小的宽度W B 。
（2） 采用1um 精度的光刻工艺，以获得较小的发射区宽度s e ，从而降低r bb ’和各势垒电容。
（3） 基区硼离子注入剂量不宜过低，以降低r bb ’，并保证基区不致在工作电压下发生穿通。
（4） 采用多子器件结构，将整个器件分为四个子器件，每个子器件的输出功率为0.25W ，最大集电极工作电流为0.05A ，热阻为200℃/W 。
这种考虑有利于整个芯片内各点的结温均匀化，从而可降低对整流电阻R E 的要求，因此可以选取最小的R E 以提高K p 。
uestc微波固态电路第三章微波晶体管放大器-改
re
CDe CTe
Le
Cc1:集电极反偏势磊电容 Cc2 :集电极和基极势磊电容 CTe :发射极正偏势磊电容 CDe :发射极正偏扩散电容 Cbc ,Cbe , Cce : 封装电容
E
Lb ,Le , Lc : 封装电感
α0 : Ic/Ie （Vcb=0），发射极到集电极的 电流传输系数（ α =β/（1+ β ））
GT S21 2 （Γ s= Γ L= 0）
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下，晶体管所能
提供的最大实用功率增益，即
Gmax
S21 S12
(K
K 2 1)
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
常温下，无源网络的插损为L，则 F L
线性二端口网络的噪声系数F可以表示为：
F
Fmin
Rn Re[Ys ]
Ys
Ysopt
2
式中：Rn为线性二端口网络的等效噪声电阻。
Ysopt＝Gsopt+jBsopt：获得最小噪声系数Fmin要求的最佳信
号导纳。
Fmin ：二端口网络的最小噪声系数。
它们都可以用测量的方法得到。
GaAs MESFET
参数包括：零栅漏极电流Idss、共源正向跨导gm、栅漏击 穿电压VBR、夹断电压Vp以及栅-源截止电流Igss等。
频率参数fT的定义与双极晶体管的不同，它由下式表示：
fT
gm 2πCgs
Cgs是FET的栅-源电容，
gm是共源正向跨导，其定义为：在共源电路中，固定 漏压下，单位栅压改变引起的漏极电流改变，
微波功率晶体管放大器匹配电路的设计_郭潇菲
文章编号:1005-6122(2009)05-0067-03微波功率晶体管放大器匹配电路的设计＊郭潇菲 刘凤莲 王传敏(北京微电子技术研究所,北京100076)摘 要: 对微波功率晶体管放大器的阻抗匹配电路提出了一种有效且简便的设计方法。
着重分析了多节并联导纳匹配与A D S软件仿真相结合的设计方法的全过程,并对S波段功率晶体管的输出匹配电路进行了分析和计算,取得了较好的效果。
根据本文方法,制作了某功率晶体管的放大测试电路并进行测试,其输出功率及效率均优于晶体管手册给出的典型值。
关键词: 微波功率晶体管放大器,匹配,多节并联导纳匹配法D e s i g n o f Mi c r o w a v e P o w e r T r a n s i s t o r A m p l i f i e r's Ma t c hC i r c u i tG U O X i a o-f e i,L I UF e n g-l i a n,WA N G C h u a n-mi n(B e i j i n g M i c r o e l e c t r o n i c s T e c h n o l o g y I n s t i t u t e,B e i J i n g100076,C h i n a)A b s t r a c t: A ne f f e c t i v e a n dc o n v e n i e n t m e t h o di s p r o p o s e dt od e s i g n t h ei m p e d a n c e m a t c hc i r c u i t o f m i c r o w a v e t r a n-s i s t o r a m p l i f i e r.T h e k e y i s t h e a s s o c i a t i o np r o c e d u r e o f m u l t i p a r a l l e l a d m i t t a n c e s m a t c h i n g a n dA D S s i m u l a t i o n.I t i s i l l u s-t r a t e d b y t h e a n a l y s i s a n d c o m p u t a t i o no f o u t p u t m a t c h i n g f o r t h e S-b a n dp o w e r t r a n s i s t o r a m p l i f i e r.T h e e x p e r i m e n t r e s u l t s s h o wt h a t t h e o u t p u t p o w e r a n d e f f i c i e n t a r e b e t t e r t h a nt h et y p i c a l o n e s g i v e n i n t h e h a n d b o o k.K e yw o r d s: M i c r o w a v e t r a n s i s t o r a m p l i f i e r,M a t c h,M u l t i p a r a l l e l a d m i t t a n c e s m a t c h i n g引 言随着半导体技术的迅速发展,微波晶体管放大器在提高工作频率和增大输出功率等方面都取得了很大的进展。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
微波晶体管放大器设计导师：***学生：潘海鑫1.引言随着通信技术特别是无线通信技术的飞速发展，人们对于无线通信终端的要求进一步提高，作为承担天线感应下来的微弱信号放大任务的低噪声放大器也必须进一步的适应通信信号对其的要求。
通信信号本身就是高频载波信号，这就要求低噪声放大器能够在高频情况下工作。
由于硅器件的截止频率f T为50GHz的理论极限已在日趋接近。
在这种情况下，由于三~五族化合物半导体GaAs的电子迁移率比硅高出5倍，目前的戒指频率f T已经超过了100GHz，集成化技术也取得很大进展，但是GaAs材料具有明显的缺点：价格贵它的晶片制造工艺复杂，难度大，机械强度不好，容易碎片；热导率低，只有硅材料的1/3。
更主要的是GaAs工艺与硅平面工艺不能兼容。
使得现有的无法继续使用，如更换器材成本太大。
所以这些缺点很大程度上影响了GaAs器件及其集成电路技术的发展。
在本世纪80年代，在硅片上外延生长出了高质量的SiGe应变材料，人们利用“能带工程”理论成功地研制出Si1-x Ge x基区的双极性异质结晶体管，由于Si1-x Ge x应变材料，电子迁移率高，其禁带宽度可通过Ge组分变化调节的优点，显示出独特的有价值的物理性质。
在高频、高速、光电、低温等器件及集成电路应用方面有非常重要的意义。
2.国内外SiGe技术的研发现状早在20世纪50年代中期，Kroemer就提出异质结器件的原理和概念。
由于Si和Ge晶格失配达4％，SiGe材料的制备有很大难度。
直到80年代，异质结技术才有明显发展。
早期在Si衬底上生长SiGe外延层的研究主要采用MBE方法。
1975年，Kasper等人发表了关于在Si衬底上MBE生长Si/Ge超晶格的文章，对SiGe生长中由于晶格失陪引起的位错以及位错对电学和光学性能的影响进行了许多研究，生长出全应变，低缺陷密度的高质量SiGe/Si异质结材料。
随后各种SiGe/Si异质结期间相继研制成功，如：SiGe HBT，应变SiGe沟道的P-MosFET和驰豫SiGe/Si应变电子沟道N-MosFET。
目前SiGe HBT的f T超过200GHz，2GHz下，噪声系数〈0.5dB，不但可以用于移动通信，并完全快满足局域网和光纤通信的要求。
1998年德国TEMIC和美国IBM公司先后宣布SiGe器件量产，此后SiGe器件开始快速应用于1-40GHz的通讯和超高速电路领域，特别是SiGe高频低噪声和大功率产品广泛应用于各类通信领域，产生巨大商业价值。
国内在技术研究方面相对国际比较落后。
清华大学微电子所自行研制了适于工业生产的UHV/CVD式单片SiGe外延设备，并用此设备生长出器件质量的Si/SiGe异质结材料。
3.SiGeHBT的基本性质（补充能带图，并讲清楚能带变化带来的好处，有个公式）SiGe HBT中的SiGe材料作基区，由于Ge在Si中的引入，使基区禁带宽度变小，能带结构发生变化。
由于这种变化，SiGeHBT呈现出许多优于Si同质结双极晶体管的重要特性，而它又具有GaAs不可比拟的价格上的优势，所以SiGeHBT在无线通讯和光纤通讯中得到广泛的应用。
基区SiGe中Ge含量的分布可以有均匀、三角、体型等形态。
3.1 SiGeHBT的直流特性直流增益β和厄利电压Va是HBT直流的重要参数。
他们都和SiGe HBT基区Ge含量有关。
对于RF和微波应用，他们的乘积也是一个重要指标，βVa值越大，输出电流对偏置电压的波动越不敏感，输出越稳定。
3.2 SiGeHBT的交流特性SiGeHBT的交流频率主要有两个参数表征，即交流截至频率f T和最大震荡频率f MAX。
交流截至频率（或电流增益截至频率）f T，定义为电流增益为1时的频率；最大震荡频率f MAX，则定义为功率增益为1时的频率。
截止频率表达为гb 、гc、和гe分别表示载流子在基区、发射区和收集去的传输时间分别表示载流子在EB结耗尽区和CB结耗尽区的渡越时间。
一般而言f T由基区渡越时间和发射区渡越时间决定。
这两个渡越时间都是因为Ge的掺入而减小，所以得到很大的提高。
最大震荡频率表达式如下其中，为基区电阻，为收集极-基极电容。
模拟分析表明，Ge的存在减小了基区电阻。
当基区掺杂浓度高时，Ge含量越高基区电阻越小。
电阻的减小是由于载流子迁移率提高的结果。
相比而言，同质结BJT为保证电流增益，必须很大（N E，N B分别为E区和B区掺杂浓度），由于基区掺杂较小较大，f MAX必然很小，因而电流增益β和f MAX是相互制约的。
在SiGe/Si HBT 中，SiGe基区可以进行高掺杂，同时保证合适的电流增益β，因而很小，f MAX 可得到提高（放在前面，结合能带图讲SiGe HBT的优点）。
3.3SiGe HBT的噪声特性主要的4个噪声源是：电阻的热噪声，基区电阻的热噪声，发射极的散粒噪声和收集极的隔离噪声。
噪声系数和基区电阻、基区渡越时间、电流增益有关，越小、越小、越大，噪声系数F越小。
SiGe HBT中Ge的引入减小了和，提高了，这些都是使晶体管噪声特性得到改善。
相比而言，Si ＨＢＴ的基区掺杂不可能很高，严重影响了和，导致其噪声特性较差。
（看文档相关部分）3.4 SiGe HBT的结构及制作工艺SiGe HBT主要有两种设计方案，一种是德国的（DBAG）设计，另一种是IBM设计。
如图：Temic反感的主要特点在于SiGe基区很薄，Ge组分高、基区高掺杂。
由于基区很薄，电子在基区中渡越时间很短，可以实现高的值；高Ge组分基区及中杂引起的带隙收缩使得期间在发射区浓度远低于基区掺杂浓度时仍可获得高的电流增益；小的基区电阻和小的收集极/基极电容是获得的必要条件，设计中由于基区中掺杂，所以本征电阻值很小，基区接触电阻占主导地位，采用或者合金做接触材料可以改善基区接触电阻，很容易获得极小的基区电阻值，所以能够得到很高；另外由于基区电阻很小，得噪声特性很好。
IBM设计方案中基区Ge含量较低，基区教宽，基区掺杂也较低，该方案最大的特点是基区Ge含量采用渐变的形式。
渐变的Ge组分的形式在基区形成一个飘移场，减小了基区渡越时间，改善了特性；基区掺杂浓度较低，通过选用大的的比值可以提高；同时，IBM设计的方案也获得了较好的基区电阻和寄生效应，从而得到了较高的和很低的噪声。
3.5SiGe器件在低噪声放大器方面的应用（整合）低噪声放大器在接收机中起着重要的作用，当输入信号很小时，它能够基本无附加噪声（低噪声）的放大，以达到所要求的信噪比，当输入信号很大时，LNA（Low Noise Amplifer）可以无失真的接收大信号。
适合LNA设计是当今通信电路的一个关键。
LNA设计要求同时满足高增益、低噪声、输入输出匹配、工作稳定、高线性度。
如图：G ：增益4.微波晶体管的设计指标与器件的选用4.1 设计预期指标工作频率：1.575GHz增益 ：≥16dB驻波比：≤2：1噪声系数：≤1.5dB50Ω输入匹配较好线性度4.2各项指标的设计考虑及提出依据: 低噪声放大器作为通信系统中的一个组成部分，它的技术指标影响整个系统的性能好坏，合理的技术指标不仅是系统的要求也是一个优秀的设计能否顺利完成、一个器件的性能能否充分挖掘和利用的关键。
4.2.1 噪声系数NF（解释噪声系数，级联公式）这项指标是设计目标中最重要的一项，用输出信噪比和输入信噪比的比值F 表示，121A G F F -=由噪声系数的级联公式可知，作为系统的最前端对整个系统的影响是最大的，而噪声系数直接影响接收机的灵敏度。
4.2.2 增益G根据噪声级联公式，接收机前端的增益必须足够高以克服后级噪声的影响，另一方面因为电路要能够抵抗较强的带外干扰，过高的增益会增加后级电路的负担，主要指线性指标和增益压缩，另外在射频频率上取得高增益代价较大，增益过高还容易造成电路不稳定，所以必须对整个接收链路的增益分配进行合理安排。
4.2.3输入驻波比低噪声放大器的主要指标是噪声系数，所以输入匹配电路必然偏离驻波比最佳的共扼匹配状态，但由于输入信号极其微弱，驻波比过大引起的反射损耗是不能接受的，所以设计时必须在噪声系数和输入驻波比之间做一定的折衷。
4.2.4稳定性为了保证放大器在系统中稳定工作，不发生自激振荡，设计时应当保证在器件工作范围内全频段稳定4.2.5各项指标之间的矛盾和折衷在射频电路设计中，为了设计一个符合要求的设计，必须对各项指标进行不同程度的折中，因为各项指标之间是相互影响并且相互制约的。
噪声系数和输入驻波之间的折衷：由于最优噪声匹配点并非共扼匹配点，所以为了兼顾两者，常常采用负反馈的方法。
噪声系数和增益之间的折衷：由于最优噪声匹配点并非共扼匹配点，最小噪声和最大增义不能同时满足，为了获得低噪声系数往往牺牲一定的增益。
稳定性与其它指标的折衷：为了获得稳定性所加入的反馈或者阻性负载对增益和噪声等其它指标都会有所影响，设计时必须合理权衡。
4.3器件的选择此次设计用的三极管为BFP640，这是一款高增益低噪声的SiGe HBT，非常适合GPS（Global Positioning Satellite）低噪声放大器的应用。
晶体管的封装寄生参数如下：= LNA 噪声=频率Nf 温度1525.4 MHz 0.89 dB 66.1 K1535.4 MHz 0.91 dB 67.5 K1545.4 MHz 0.90 dB 66.8 K1555.4 MHz 0.92 dB 68.8 K1565.4 MHz 0.92 dB 68.5 K1575.4 MHz 0.92 dB 68.4 K1585.4 MHz 0.89 dB 66.3 K1595.4 MHz 0.92 dB 68.5 K1605.4 MHz 0.92 dB 68.2 K1615.4 MHz 0.93 dB 69 K1625.4 MHz 0.91 dB 67.6 K从表中可以看出在所要求的工作频率上，晶体管可以得到比较小的噪声，适合运用在本次设计中。
5.微波低噪声放大器的设计5.1晶体管直流偏置点的选择器件一旦选定之后，就要对直流偏置点进行选择，因为无论是小信号特性（噪声系数，S参数），还是大信号特性，在不同的工作点下都是不同的，工作点一定时，在不同的工作频率，器件特性也是不同的，所以根据设计要求需要的工作频率选定合适的偏置点。
偏置点选定后就应该选取合适的偏置电路结构，一般无源偏置结构较简单，可以简化设计过程，但如果在温度变化很大的应用来说，为了保证偏置点的稳定，有源偏置是较好的选择。
另外偏置电路的设计必须保证对放大器匹配电路工作不会造成影响，同时也可以利用偏置电路提高放大器的一些工作特性，如偏置电阻就可以提高放大器的稳定性。