5__通信射频电路_射频放大器

PIN管对微波信号的通断仅取决于幅度很小的 DC偏压极性，与微波信号的幅度无关，这是PIN管 的一个重要特点,是PIN用作微波电路开关的依据， 其优点是改变PIN管偏置电压的极性即可控制微波 电路的开关功能。
PIN二极管等效电路
管芯参量为I层电阻RJ，I层电 容CJ，串联电阻RS；管子封装参ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 为引线电感LS，管壳电容CP。
第五章 射频放大器 (书中第五章、第十章)
电子科技大学 游长江
&5.1 射频二极管及电路模型
•Schottky二极管
当半导体材料与某些金属接触时，电子从半导体侧 向金属侧扩散形成的势垒称为“肖特基势垒”，形成 势垒的结构也叫“金-半结”。 “金-半结”也具有单 向导电特性。 Smaller junction capacitance!
3. 频率f 时最大可用增益
Gmax fT 4 f R Ri Rs Rg f T Ls 4f T C ds Ri Rs 2 Rg 2f T Ls s as
2 1
f每增加倍频程，增益降6dB，为了增加Gmax必须 提高fT，减小各种电阻以及源长度Ls。
四、高电子迁移率晶体管(HEMT)
高电子迁移率晶体管（high-electron mobility
transistor HEMT）。HEMT也叫TEGFET（twodimensional electron ）或异质结FET（HFET）。
其特点是:工作频率高,噪声性能好,功率容量大.
60GHz增益可达到11dB，90GHz时增益达到 6.2dB，典型NF在40GHz为1.8dB，62GHz时 2.6dB，发射极每mm2功率密度，10GHz时到2W， 输出功率电平达到4-6W。 为了减少渡越时间提高工作频率HEMT必须做 得很薄，要用离子注入、分子束外延、MOCVD 工艺制作。 RF放大管都可以用双端口S参数来描述！！ 请同学们对照前面相关内容即可.
(1) 输入阻抗
I.为使放大器得到较大的输入电压，应使 Ri Rs
Vi Ri Ii
II.为使放大器得到较大的输入电流，应使 Ri Rs
III.为使放大器得到最大的输入功率，应使 Ri Rs
(2) 输出阻抗
Vo Ro Io
I.要求输出电压稳定（RL变化），Ro小好。 II.要求输出电流稳定（RL变化），Ro大好。
为什么工程上要用分贝来表示 （1）增益很大时，其对数值较小 （2）对数对绝对值大小不敏感，但对变化 率敏感 （3）人耳对音响的听觉与强度呈对数关系 （4）多级放大器级联时增益计算方便，乘 变加。 （5）计算信号大小方便。
2.输入阻抗与输出阻抗
信 号 源 Rs Ii Ri Vs Vi 放大器 Vo Ro Io 负 载 RL
4. 最小噪声系数
NFmin 1 2K f fCgs
Rg Rs gm
为了减小管子的噪声，应减小栅、源电阻和提高截 止频率。 上面各式中，vs表示饱和速度（1.2107cm/s在 300K，砷化镓），L是栅长，单位m，Kf2.5， K10.27。
1 K1Lf g m Rg Rs
•场效应晶体管主要参量
1.截止频率: 电流增益为 1 时的工作频率 gm vs fT 2C gs 2L 2. 最大振荡频率:（最大可用增益0dB频率） fT f max 2 r1 f T 3
r1 Rg Ri Rs Rds , 3 2 Rg Cdg
增大fmax，应减小栅极、本征体、源极电阻，增加衬垫 电阻Rds，同时减小漏栅之间电容
f 10 1 K f fT
3
g m Rg Rs
场效应管一般高频等效
D G G RG Ri cgd gmvgs cgs RD D Rds cds
S
e
fT>>fS 时，可以简化等效为
G
Vi S Ii
S
gmVi
Rds
D
三、异质结双极晶体管(HBT)
HBT结构
异质结双极晶体管（HBT）最高工作频率已达 到 100GHz ；器件很小时，电流增益达到 10-20 ， 当基极线宽较大时，电流增益可到55。当集电极电 流 很 小 、 基 极 线 宽 0.15m 、 发 射 极 面 积 40m×100m时，电流增益可超过 3800。集电极 电流较大时，电流增益大于1500也已实现。
一、晶体三极管的高频等效(续)
b
βIi c
Ri R0
e
由
vbe r b e
g m vbe
gm

r be
二、场效应晶体管
场效应晶体管基于改变沟道中电场从而改变沟 导的电导率而工作的.
Metal insulator semiconductor FET (MISFET)
Junction Field Effect Transistors (JEFT)
Metal semiconductor FET (MISFET)
• 常见场效应晶体管
• Si 场效应晶体管 GaAs 场效应晶体管 InP 场效应晶体管 SiC场效应晶体管 GaN 场效应晶体管 MESFET(肖特基势垒晶体管)是微波场效应器件中 用得最多的器件,其用外延法生长的有源层是掺杂硫 或锡离子的N型GaAs，栅电极用蒸发铝得到，源和漏 是金-锗合金。 GaAs场效应晶体管（GaAs FET）截止频率比硅双 极晶体管截止频率要高，噪声系数低，其广泛用于 LNA, PA, 振荡器，RFIC/MMIC，超高速A/D变换器，高速逻 辑器件。
&5.2 放大管的高频特性及端口描述
放大器的核心是放大管，故其高频特 性主要也取决于放大管。
一、晶体三极管的高频等效
b b c
c
e
rbb’
cbe vb’e rb’e
gmvb’e
r0
rcc
e
一、晶体三极管的高频等效(续)
说明： （1）电阻中所有参数均与工作点 Q有关 （2）rb’e为交流输入电阻 （3）gm=ICQ/VT，为正向传输跨导。 （4）r0为交流输出电阻 （5）由于现代工艺的进展，一般情况下， 我们通常可以选择fT>>fS(工作频率)。此时等 效特性可简化如下：
二、放大器主要技术指标
1.增益
信 号 源
Ii Vi
放 大 器
Io 负 载 Vo
电压增益 电流增益
Vo GV Vi
Vo 或 GV 20 lg (dB) Vi
Io Gi Ii
或
Io Gi 20lg (dB) Ii
功率增益
Po Po Vo I o Gp GV Gi 或 G p 10lg (dB) Pi Pi Vi I i
PIN二极管在正偏压/负偏压之下的等效电路
正偏压
负偏压
PIN二极管应用
Attenuating, Switching, Modulating, Limiting, Phase shifting
Attenuator
Switching
右图是用于移动通信的 智能天线，工作于2.4GHz， 它是制作在印刷电路板上的 相互垂直的两个半波偶极子 天线。偶极子天线辐射场与 天线轴垂直方向辐射最强， 沿轴方向辐射最小。天线的 “智能”体现在根据需要切 换天线工作模式（天线 1 工 作或天线 2 工作），天线的 切换就是用PIN管实现的。 PIN管控制的智能天线
May used in RF and MW circuits
•Schottky二极管I-V特性
•Schottky二极管的电路模型
– DC model – Small signal AC model – Small signal RF model – Large signal RF model Small signal AC model
正偏压及微波信号共同作用下的PIN管
对于微波大信号，在信号负半周内由于正向偏置电 流为 I 层储存了大量的载流子，微波频率极高，在极 短的信号负半周内， I 层中的载流子能够立即构成幅 度足够的反向电流，管子仍然“导通”。
很小的正向偏流IF可以保证在微波大信号的整个周 期内PIN是导通的!!! PIN负偏压下,其I层中电荷储存近于零，在微波信 号正半周期内注入I层的载流子总量十分有限，远不足 以改变I层的高阻态，故管子处于截止状态。
•场效应晶体管工作特性
Operation in linear region
Operation in saturation region
Transfer characteristic
Output characteristic
•场效应晶体管工作区域
•场效应晶体管电路模型
gm表示跨导，cgs、cgd、cds分别表示栅源，栅漏、以 及衬垫电容。Rg、Rd、Rs、Rj和Rds分别表示栅、漏、 源、本征沟道和输出电阻，Ids表示漏源电流。Lg、Ld 和Ls分别表示栅、漏、源电极电感。
&5.3 BJT和FET的选择 选择依据取决于应用。
1）在射频接收机前端， 噪声系数和增益特别重 要： 陆上微波通信，与天 线直接的第一级放大器 必需用低噪声放大器 2) 而在其它场合，功率增 益和输出功率更重要。 噪声系数与频率关系
注意：增益有三种定义：最大功率增益（Gmax），最 佳噪声系数增益（ GNF）以及插入增益（ Gi）。 Gmax 一般在电路共轭匹配时得到。 GNF与 Gmax一般不等。 下图给出 SiGe HBT功率、功率附加效率、增益与输 入功率关系，因此选择器件满足增益指标时，注意所 用增益的定义。
PIN二极管结构
PIN二极管特性
1.不加偏压时，PIN管电阻是很 大的,呈现阻断特性。 PIN管P+、N+都是重掺杂的， 本征层的电阻很高。空间电荷 层即耗尽层主要建立在I层中， 因此在不加偏压时PIN管的电阻 是很大的。 2. 直流偏压下的PIN管特性 在负偏压之下（P负、N正）， 耗尽层变厚, I层电阻进一步增大， 反向电流极小。负偏压达到某值 时出现雪崩击穿，反向电流急剧 增大。此时的负偏压值称为反向 PIN中杂质,空间电荷及电场分布 击穿电压VB。
Dynamic resistance depends on bias and is strongly temperature dependent
Small signal RF model
肖特基势垒二极管的等效电路含有随偏压变化的 势垒电阻RJ，势垒电容-结电容CJ，由半导体材料 体电阻与接触电阻组合的串联电阻RS，引线电感Ls 和封装电容Cs.
在正偏压之下，PIN管势垒降低以至消失。P+、N+ 层中载流子向I层扩散，形成正向通路。空穴、电子从 注入I层到复合消失，I层处于低阻态。正偏压愈大， 正向电流愈大，I层乃至整个PIN管电阻愈小。 3. DC偏压和微波信号同时作用下的PIN管特性 PIN管在正、负偏压下的电阻变化与一般PN结管没 大区别，其对直流、低频有单向导电性。显然，在正 偏压下，PIN管对微波小信号始终导通。
•Schottky二极管应用
混频,检波,开关,移相 mixers, detectors, rectifiers, switch, phase shifter
Schottky二极管检波电路
Schottky二极管开关电路
•PIN二极管
PIN二极管是微波控制电路中重要的微波控制 器件。PIN管与一般的PN结二极管不同，在P跟N型 半导体材料之间多了一个绝缘区-本征区。严格地 说本征区并非完全“绝缘”，还有很少的载流子 以支持很小的电流。
Output power (dBm) 33 29 25 21 17 13 9 5 70 60 50 40 30 20 10 0 PAE (%)
048121620 Input power (dBm)
HEMT、HBT目前达到的水平
＆5.4 放大器功能与主要技术指标
一、放大器功能
放大器功能主要是“放大”信号。在通 信系统中它主要的放大对象是信号电压， 电流或功率电平。针对不同的对象，对放 大器的性能要求各不相同。 放大器的另一种应用是进行阻抗匹配 （或转换），跟随器就是其中应用之一， 它可以视为增益为1的放大器。
III.要求输出功率稳定（RL变化），Ro=RL 通常的射频放大器不加说明时有：
Ro RL 50
3.频率响应范围