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有源微波電路ppt課件(編輯修改稿)

2025-06-01 00:02 本頁面
 

【文章內容簡介】 管中,用于較低頻率的是金屬氧化物場效應管( Metal Oxide Semiconductor FET, MOSFET),用于大功率放大器件 。金屬半導體場效應管( Metal Semiconductor FET, MESFET),它采用 GaAs制成 ,用于微波波段的小信號放大器和功率放大器 。高電子遷移率場效應晶體管( High Electron Mobility Transistor, HEMT)用 GaAs和AlGaAs材料制成 ,用作微波波段的低噪聲放大器。 微波場效應晶體三極管 一.金屬半導體晶體場效應三極管的結構、等效電路及工作原理 MESFET結構示意圖及符號 上圖(左)是金屬半導體場效應晶體三極管結構示意圖,其 制造工藝 大致是:用半絕緣材料 GaAs作 襯底 ,在它上面生長出非常薄的 N型外延層(稱為 有源層溝道 );在 N型外延層上做三個 電極 ,這就是源極(用 S表示)、柵極(用 G表示)和漏極(用 D表示),其中源極、漏極與 N型外延層之間為歐姆接觸,而柵極下方形成 耗盡層 、使柵極與 N型外延層之間為 肖特基勢壘結 。上圖(右)是場效應管在電路中的表示符號。 2.等效電路 (詳見書)注:等效電路各參量取決于 MESFET的材料和物理尺寸。 3.工作原理 場效應晶體三極管的 工作方式 是通過改變柵源之間的電壓VGS來 改變柵極肖特基勢壘的寬度 ,進而改變漏極電流 IDS和電壓VDS的大小。一般柵源之間加負偏壓,即柵極電壓為負,源極電壓為正;漏源之間加正偏壓,即漏極電壓為正,源極電壓為負。 場效應晶體三極管特性曲線 如右圖:我們稱使為 IDS零的VGS為 夾斷電壓 VP。 VDS不能無限增加,有一個極限值成為 擊穿電壓 。 由右圖可知,只要 VGS有很小的變化,都會使 IDS有較大的變化,用較小的柵極交流信號電壓來控制較大的漏源電流,這就是場效應晶體三極管功率放大的基本原理 。 為了提高金屬半導體場效應晶體三極管的工作頻率,需要縮短柵長(即減小溝道耗盡層長度)來減小載流子的渡越時間。當柵長縮短到大約 1181。m時,將會出現 短溝道效應 , 使工作頻率升高受到限制 (短溝道效應的分析詳見書) 。 二.高電子遷移率場效應晶體三極管( HEMT)的結構及工作原理 由于短溝道效應限制了金屬半導體場效應管工作頻率的提高,因而需要有新的 工作頻率更高 的場效應晶體三極管。高電子遷移率場效應晶體三極管利用了異質結(不同半導體材料構成的結)的特殊性能來突破 GaAsFET的頻率上限。下圖是HEMT的結構原理圖。最下部是厚約 GaAs半絕緣 襯底 ,在襯底上外延出一層厚約 150( 1= )的 GaAs作為 溝道 ,溝道上部是摻雜 N型 nAlGaAs層。不摻雜的 GaAs和 N型 nAlGaAs構成 異質結 。在兩層半導體之間還增加很薄的一層不摻雜的 AlGaAs(厚度約 30)作 隔離層 (圖中虛線處)。為了使源極和漏極引出端有 良好的電接觸 ,在源極 S和漏極 D與 N型 nAlGaAs之間分別增加了 N型重摻雜 n+GaAs。 工作原理: HEMT的偏置與 MESFET的偏置相同。 HEMT工作頻率 MESFET工作 頻率高 有以下三個 原因 : 1)由于溝道是不摻雜的 GaAs,消除了雜質散射,因此溝道中的電子遷移率比MESFET的 N型摻雜溝道中的電子遷移率幾乎高一倍; 2)由于溝道中電場分布比較均勻,這樣就減弱了 MESFET的短溝道效應; 3)隔離層是一層很薄的不摻雜的 AlGaAs,它可以使二維電子氣中的電子在空間上與原來附屬的施主( nAlGaAs)雜質相對脫離,減弱了雜質干擾,進一步提高了電子遷移率。用較小的柵極交流信號電壓控制較大的漏極電流,這就是 HEMT功率 放大的基本原理 ??梢?HEMT的工作原理與 MESFET的工作原理即類似又有不同, 不同之處 在于 HEMT通過柵壓控制 二維電子氣濃度 進而控制 IDS,而 MESFET則是通過柵壓控制 耗盡層寬度 進而控制 IDS。 三.場效應晶體三極管的主要技術參數 特征頻率又稱為最高工作頻率或截至頻率 ,用 fT表示。特征頻率是共源極電路在漏極和源極短路、電流增益為 1時的頻率,其表達式: GSmT Cgf?2?0)(10 ????jymm ejgg ???式中 gm0為低頻跨導, г0是載流子在溝道中從源極端到漏極端的渡越時間(皮秒量級); ωy為跨導截止頻率,通常為數十到數百 GHz ,由此得到 gm的是場效應晶體三極管的跨導。由上式可知,要想提高特征頻率 fT ,就必須提高 gm 、減小柵源間的結電容 CGS。為減小 CGS,應縮短柵長。另一方面,柵長短,電子在溝道中的渡越時間 г0也短,這有利于提高跨導,從而有利于提高特征頻率。正是由于這些理由,微波場效應晶體三極管都是 短柵管 。在實際應用中,一般應選 fT高于工作頻率 3~ 5倍的管子。 場效應晶體三極管的 單向功率增益 G : SGSGDSGSmRRRRCgfG ???22 )2(41? 場效應晶體三極管的 最高振蕩頻率 fmax是單向功率增益為 1( 0dB)時對應的頻率: SGSGDSTRRRRff??? 2m a x 由此可見, 場效應晶體三極管的單向功率增益隨工作頻率升高而下降, f每增加一個倍頻程, G下降 6dB。 微波場效應晶體三極管的 噪聲來源 有:熱噪聲,高場擴散噪聲和谷際散射噪聲,閃爍噪聲。場效應晶體三極管的 最小噪聲系數 Fmin與頻率的近似關系為 : 2m a x )( ffG ? GaAsTET最小噪聲系數 fF1 Fmin fF2 f 0 最小噪聲系數和工作頻率之間的關系如右圖: fF1和 fF2別是第一轉角頻率和第二轉角頻率 ,f超過 fF2后將以每倍頻程 3dB的速度增大 。 輸出功率偏離線性 1dB時的輸入功率或輸出功率稱為 1dB壓縮點 。它給出了管子 線性工作的輸入功率范圍 。 TffnpqF )1(21 2m i n ???四.場效應晶體三極管 S參數的測量 雖然場效應晶體三極管的等效電路能反映管內的物理過程,但由于等效電路復雜、電路參量多、分析繁,因此不便于用它來分析、設計含有場效應晶體三極管的各功能電路。通常采用 S參數來表征微波場效應晶體管的外特性 ,并用 S參數來 分析、設計微波晶體管電路 。 微波晶體管 S參數的測量可用 矢量電壓表 或矢 量網絡分析儀 來記錄與頻率和偏置有關的 4個 S參量。 微波晶體管放大器的增益 微波晶體管放大器按使用要求可分為 寬帶型、低噪聲型和功率型 等 ,就性能要求而言,主要有放大器的 增益 、放大器的 穩(wěn)定性 和放大器的 噪聲系數 。 下圖虛線方框內是單管場效應晶體三極管放大器的框圖。設FET輸入、輸出端的反射系數分別為 Γin、 Γout,輸入匹配電路輸出端口和輸出匹配電路的輸入端口的反射系數分別為 Γs、 ΓL由圖可知, Γin、 Γout可分別表示成: LLin SSSS??????22211211 1ssout SSSS??????11211222 1式中 S11,S12,S21,S22是 FET的 S參數。 b2 微波場效應晶體管放大器框圖 R0 負載 信源 R0 a1 b1 a2 FET 輸入 匹配 電路 輸出 匹配 電路 Γs ΓL Γin Γout 微波放大器增益定義有實際功率增益、轉換功率增益和資用功率增益,但最常用的是 轉換功率增益 GT。當已知負載吸收的功率 ;信號源輸出的資用功率 (信號源能輸出的最大信號功率,也就是 時放大器網絡的輸入功率)時,轉換功率增益 GT : 2 2 22121 1 2 2 1 2 2 1| | ( 1 | | ) ( 1 | | )| ( 1 ) ( 1 ) |sLT L as L s LSG P PS S S S? ? ? ???? ? ? ? ? ? ?LP aP???? sin 可見, GT的物理意義 非常明確它是插入放大器網絡后負載實際獲得功率比沒有放大器網絡時負載得到最大功率增大的倍數。 當放大器的輸入端和輸出端分別實現了 共軛匹配 時(即 、 ),放大器的功率增益稱為放大器的資用功率增益, 資用功率增益 用 Ga表示。顯然 Ga等于放大器在輸出端共軛匹配時的轉換功率增益 GT。 ???? ins ???? outL 設計微波晶體管放大器時,必須首先保證它能穩(wěn)定工作而不產生自激振蕩,在此條件下再去優(yōu)化設計放大器使之達到所需的性能指標,設計才有意義。 微波晶體管放大器之所以存在 穩(wěn)定性問題 ,關鍵在于微波晶體管內部有反饋,這體現在微波晶體管的散射參數 S12上,因為 S12表示微波晶體管內有 反向傳輸 ,當 |S12|較大,且相位適當時,將形成 正反饋而發(fā)生自激振蕩 ,使放大器處于不穩(wěn)定狀態(tài)。 根據微波晶體管的 S參數,通常將微波晶體管分為 無條件穩(wěn)定 (又稱為 絕對穩(wěn)定 )和 有條件穩(wěn)定 (又稱為 潛在不穩(wěn)定 )兩大類。無條件穩(wěn)定指的是負載阻抗(或 ΓL)和信源阻抗(或 Γs)可以任意選擇,放大器都穩(wěn)定工作而不會自激振蕩。有條件穩(wěn)定指的是只有在負載阻抗和信源阻抗?jié)M足一定條件時,放大器才能穩(wěn)定工作而不會發(fā)生自激。 微波晶體管放大器的穩(wěn)定性 一.穩(wěn)定性判別圖 放大器是否穩(wěn)定,取決于放大器輸入阻抗 Zin和輸出阻抗 Zout是否有 負阻 。如果 Zin和 Zout有負實部,則 |Гin|和 |Гout|大于 1,放大器就出現振蕩。因此 |Гin|和 |Гout|都等于 1就是放大器穩(wěn)定與不穩(wěn)定的分界線 (關于穩(wěn)定性判別圓的詳細推導和分析見書 ) 。 絕對穩(wěn)定要求同時滿足以下兩個條件:選用使 |Г L|1的任何負載都能滿足 |Г in |1,選用使 |Г s|1的任何源阻抗都能滿足 |Г out |1。 絕對穩(wěn)定是實際工作中要求的放大器工作情況 。 二.絕對穩(wěn)定的充要條件 晶體管放大器 絕對穩(wěn)定的充分必要條件(判決條件) 是晶體管的 S參數必須同時滿足以下三個條件: 211 12 21222 12 212 2 211 2212 211 | | |1 | | |1 | | | | | |112 | |S S SS S SSSKKSS??????????? ? ? ?? ? ? ??? 微波晶體管放大器的噪聲系數 一.微波晶體管放大器噪聲系數的一般表達式 有源二端口網絡噪聲系數計算模型 工程上常用有源二端口網絡模型來簡化噪聲系數的計算 ,經分析計算模型如上圖 (c)。圖中 和 分別是有噪聲網絡的等效噪聲電壓源和等效噪聲電流源。一般二端口網絡的噪聲系數 F的定義為: nu ni22 nsno iiF ?2noi 2nsi式中: 代表網絡輸出端總的噪聲功率, 代表信號源的噪聲功率。推導得: BK T GuYiuYiFsnsnnsn4)R e (2||1 222 ?????式中, K為波爾茲曼常數, T為絕對溫度, B為帶寬 , 是有噪聲網絡的等效噪聲電壓在 噪聲源的導納 上產生的噪聲電流。 由上式可知噪聲系數 F
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