射频器件基础知识培训胶片

LDMOS FET典型剖面结构图
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LDMOS 结构特点
• 横向沟道
• LDMOS最大的特征是具有横向沟道结构，漏极、源极和栅极 都在芯片表面
•
双扩散技术（Double Diffusion）
• LDMOS采用双扩散技术，在同一光刻窗口相继进行硼（B， 形成 P- 区）、磷（P，形成 N- 区）两次扩散，由两次杂质扩 散横向结深之差可以精确地决定沟道长度 L 。由于目前扩散 工艺很成熟，沟道长度L可以做得很小（1um以下）并且不受 光刻精度的限制
• IP3
• 任一微波单元电路，输入信 号增加1dB，输出三阶交调 产物将增加3dB，这样输入 信号电平增加到一定值时， 输出三阶交调产物与主输出 信号相等，这一点称为三阶 截止点
• PndB
• ndB压缩点用来衡量电路输 出功率的能力 • 当输入信号较小时，其输出 与输入可以保证线性关系， 随着输入信号电平的增加， 输入电平增加1dB，输出将 增加不到1dB，增益开始压 缩，增益压缩ndB时的输入 信号电平称为输入ndB压缩 点
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线性与非线性
• 线性失真：信号波形的等比例的放大、 缩小、相位移动等变化 • 非线性失真：信号波形的不等比例的放 大、缩小、相位移动等变化
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非线性失真的主要指标
• 非线性失真的主要指标
• IMD3 • IP3 • P1dB
A Zl
Zo
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反射系数与驻波系数
• 反射系数：
• 定义为反射信号电压电平 与入射信号电压电平之比 Zl Zo Γ Zl Zo
A Zl
• 驻波系数：
• 定义为射频信号包络的最 大值与射频信号包络的最 小值之比 1 Γ VSWR 1 Γ
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噪声与干扰
• 噪声可分为自然的和人为的噪声
• 自然噪声有热噪声、散粒噪声和闪烁噪声等 • 人为噪声有交流噪声、感应噪声和接触不良 噪声等
• 干扰一般来自于外部，也分为自然的和 人为的干扰
• 自然干扰有天电干扰、宇宙干扰和大地干扰 等 • 人为干扰主要有工业干扰和无线电台干扰
• Faraday Shield（法拉第屏蔽）
• 起屏蔽作用，可以降低栅极边缘电场，从而提高漏源击穿电 压，减小生成热载流子的因素。同时，也降低了栅极（输入） 和漏极（输出）间的寄生电容（Cdg） • 然而，法拉弟屏蔽层也相应的增加了Cgs的值。在电路设计中， 优化输入匹配网络可以抵消增加的Cgs
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低噪声放大器 ——工作原理
2DEG层 层
2D
HEMT原理 原理
PHEMT层结构 层结构
• HEMT/pHEMT工作原理：
• • • • 与MESFET基本相同的器件结构 2DEG沟道层 栅电容控制2DEG电流的强弱 源-漏间距LSD、栅长LG与沟道内电子漂移速度v决定器件频率 特性；WG决定器件RF电流——增益、功率
低噪声放大器 ——功能、指标
• 功能：
• 在尽量小的恶化系统 噪声系数的前提下， 对信号进行放大
• 分类
• 分离器件 与 MMIC • MESFET 与 HEMT/pHEMT
• 主要指标：
• 噪声系数 • 增益
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低噪声放大器 ——内部结构
• 以ATF-54143为例
射频器件基础知识
目录
• 射频电路基本概念
• • • • • 阻抗 噪声 S参数 非线性失真 功率
• 射频器件基础知识
（主要功能、关键指标、 内部结构、工作原理）
• • • • • • •
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射频放大器 射频开关 射频衰减器 功分器、耦合器 环形器、隔离器 混频器 滤波器
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• 在沟道与漏极之间有一个低浓度的 n- 漂移区（N- LDD）， LDD可以通过注入磷（P）或砷（As）离子得到。LDD的影响 是两方面的：一方面，与传统的注入N+工艺相比，漏极区域 的电场强度（是导致热载流子的主要原因）大约降低80%，同 时提高了漏极击穿电压，另一方面，N-注入也使源漏间串联 电阻增加，降低了器件的跨导
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2端口网络的S参数
• S11为放大器的输入 反射系数 • S21为放大器的增益 • S22为放大器的输出 反射系数 • S12为放大器的反向 隔离度
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射频电路基础 ——非线性失真
• 什么是线性失真？ • 什么是非线性失真？ • 非线性失真的主要指标
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射频小信号放大器 ——功能、指标
• 功能：
• 信号的线性放大
• 分类
• Si、SiGe、GaAs 与 InGaP • HBT 与 MESFET
• 主要指标：
• • • • 增益 P1dB OIP3 噪声系数
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射频小信号放大器 ——内部结构
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射频网络
• 射频设计中所指的网络为具有固定输入和输出 关系的一段电路，网络有N个输入输出接口就 叫N端口网络
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S参数
• 对N网络进行分析需要常用网络参数。如Z参数，A参数， Y参数，S参数等 • S参数的物理意义最明显，因此分析中使用最广泛 • S参的物理意义在于从某个端口输入一定的功率后在其 他端口引起的输出，实部表示功率电平，虚部表示相位
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射频电路基础 ——功率
• 射频信号的功率常用dBm、dBW表示， 它与mW、W的换算关系如下：
• 例如信号功率为x W，利用dBm表示时其大 x. 1000 小为： .
p ( dBm) 10 log 1
• 例如：1W等于30dBm，等于0dBW。
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• 主要指标：
• • • • 增益 P1dB OIP3 Pout
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射频大功率放大器(LDMOS) ——内部结构
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射频大功率放大器(LDMOS) ——内部结构
• LDMOS平面结构的扫描电镜照片(MRF9080)：
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非线性失真的主要指标 ——IMD3
• 三阶交调（IMD3）
• 三阶交调（双音三阶交调）是用来衡量非线 性的一个重要指标
三阶交调常用dBc表 示，即交调产物与主 输出信号的比
IMD3
三三三三 五三三三
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非线性失真的主要指标 ——IP3、P1dB
Zo
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阻抗匹配
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射频电路基础 ——噪声
• 什么是噪声？ • 噪声与干扰 • 噪声因子与噪声系数
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什么是噪声？
• 信号中所有的无用成分都称为噪声干扰 • 任何射频电子系统都是在噪声与干扰环境下工 作的，射频电子系统的任务之一是与噪声及干 扰作斗争，尽可能减小系统本身产生的噪声， 尽可能在传递信号、处理信号的过程中使信噪 比的恶化降到最小，这是设计射频电子系统首 要考虑的问题。
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噪声因子与噪声系数
• 噪声系数决定了接收灵敏度的好坏，是用 来衡量射频部件对小信号的处理能力 S N • 噪声因子与噪声系数 Nf =
in
in
• 噪声因子用Nf（或F）表示，定义为： N out 即输入信噪比与输出信噪比的比值，表示信噪 比恶化的情况 • 噪声系数用NF表示，定义为：NF (dB ) = 10 ⋅ log(Nf )
射频电路基础 ——阻抗
• • • • • 阻抗的定义 特征阻抗 端口阻抗 反射系数与驻波系数 阻抗匹配
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阻抗的定义
• 射频电路中阻抗的概念有很多，对于器 件有器件阻抗，对于2端口网络有输入阻 抗和输出阻抗，对于传输线有特性阻抗
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Subcollector
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射频小信号放大器 ——工作原理
• SGA-6486内部电路结构
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射频大功率放大器 ——功能、指标
• 功能：
• 大功率信号的线性放 大、输出
• 分类
• 分离、单片集成、混 合集成 • Si、GaAs、SiC • LDMOS、VDMOS、 BJT
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目录
• 射频电路基本概念
• • • • • 阻抗 噪声 S参数 功率 线性与非线性
• 射频器件基础知识
（主要功能、关键指标、 内部结构、工作原理）
• • • • • • • •
射频器件基础知识
射频放大器 射频开关 射频衰减器 功分器、耦合器 环形器、隔离器 混频器 滤波器（声表、介质） VCO、频综
特征阻抗
• 特征阻抗是微波传输线的固有特性，可以理解 为传输线上入射电压波与入射电流波之比。 • 对于TEM波传输线，特征阻抗又等于单位长度 分布电抗与导纳之比。无耗传输线的特征阻抗 为实数，有耗传输线的特征阻抗为复数。
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端口阻抗
• 我们分析阻抗和阻抗匹配问题的目的就在于使电路中 任意一个参考平面向源端和向负载端的阻抗相等，从 而使信号完全通过该参考面，不发生反射。如果对于 某参考面2端阻抗不等则会产生反射现象形成驻波。见 下图：在参考面A处 • 情况1：阻抗连续，没有反射，传输线上各点电压相等， 形成行波 • 情况2：阻抗跳变，发生反射，形成驻波 • 情况3：短路或开路发生全反射
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射频放大器
• 低噪声放大器
• 主要功能、关键指标、分类 • 内部结构 • 工作原理
• 射频小信号放大器
• 主要功能、关键指标、分类 • 内部结构 • 工作原理
• 射频大功率放大器
• 主要功能、关键指标、分类 • 内部结构 • 工作原理
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NF 2 G1 1 ... NF n 1 G1 . G2. ... . Gn 1
Sout
• 噪声的级联公式： NF总 NF1
G1、NF1
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G2、NF2
Gn、NFn
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射频电路基础 ——S参数
• 射频网络： • S参数 • 2端口网络的S参数
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• 以SGA-6486为例
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射频小信号放大器 ——工作原理
B E B
Field Oxide
Channel Stop Subcollector P-Substrate 20 Ω cm
C
C deep
Metal 2
Metal1
Only Difference
Base - SiGe replaces Silicon
•
无BeO隔离层
• 一般地，衬底直接接地，不需BeO隔离，以降低热阻，达到最 好的散热效果，同时减低了封装成本。由于BeO为有毒物质， 不用BeO有利于保护环境
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LDMOS 结构特点
• P+ Sinker
• 连接源极到衬底，消除连接源极的表层键合丝
• N-LDD（Lightly Doped Drain ，轻掺杂漏极）
射频开关 ——功能、指标
• 功能：
• 控制信号、选择通道
• 分类
• GaAs、Si • Pin管、MESFET、 PHEMT、SOI MOSFET • 单刀单掷开关、单刀 双掷开关、单刀四掷 开关、双刀双掷开关 等
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低噪声放大器 ——工作原理
• MESFET工作原理：
• 表面沟道型器件 • 源S、漏D、栅G：载流子经沟道自S到D；G电位控制着沟道 宽度 • 源-漏间距LSD、栅长LG与沟道内电子漂移速度v决定器件频率 特性；WG 决定器件RF电流——增益、功率
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射频大功率放大器 ——内部结构
单片集成
混合集成
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射频大功率放大器(LDMOS) ——工作原理
• LDMOS剖面结构
• LDMOS，Laterally Double-Diffused Metal Oxide Semiconductors，横向双扩散晶体管 • LDMOS是为射频功率放大器设计的改进的n沟道增 强型MOSFET。