Research Institute of Antennas & RF Techniques 射频电路射频电路 RF Circuits 第第1616讲讲 晶体管放大器晶体管放大器(1)(1) 褚庆昕 华南理工大学电子与信息学院华南理工大学电子与信息学院 天线与射频技术研究所天线与射频技术研究所 Email:qxchuscut.edu.cn Research Institute of Antennas RF Techniques South China University of Technology 晶体管晶体管 BJT FET 放大器的工作特性放大器的工作特性 功率增益功率增益 噪声系数噪声系数 稳定性稳定性 第第16讲内容讲内容 Research Institute of Antennas RF Techniques South China University of Technology 射频放大器是最常用的射频电路之一，放大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。射频信号，属于有源器件。 晶体管放大器由晶体管放大器由放大管放大管、匹配电路匹配电路和和偏置电偏置电 路路三大部分组成。这也构成了放大器设计的三大部分组成。这也构成了放大器设计的 三个方面。三个方面。 RFRF sourcesourceInputInput MatchingMatching NetworkNetwork (IMN)(IMN)DC biasDC biasloadloadSSOutputOutput MatchingMatching NetworkNetwork (OMN)(OMN)L LoutoutS SininP PL LP Pincinc16.1 晶体管晶体管 Research Institute of Antennas RF Techniques South China University of Technology 常用的放大管是晶体管。晶体管分为两类：常用的放大管是晶体管。晶体管分为两类： 结型晶体管（结型晶体管（Junction Transistor） 双极晶体管双极晶体管 （Bipolar Junction Transistor，BJT） 异质结双极晶体管异质结双极晶体管 （Heter Junction BJT，HBJT） Transistor=Transfer +resistor Research Institute of Antennas RF Techniques South China University of Technology 场效应晶体管（场效应晶体管（Field Effect Transistor） 金属半导体金属半导体FET（Metal Semiconductor FET，MESFET） 高电子迁移率晶体管（高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor，HEMT） 假晶态假晶态 HEMT（Pseudomorphic HEMT， PHEMT） 金属氧化物半导体金属氧化物半导体FET（Metal Oxide Semiconductor FET，MOSFET) 金属绝缘物半导体金属绝缘物半导体FET（Metal insulator Semiconductor FET，MISFET) Research Institute of Antennas RF Techniques South China University of Technology 射频晶体管的材料主要是硅（射频晶体管的材料主要是硅（Si）、砷化镓）、砷化镓 (GaAs）、硅锗（）、硅锗（SiGe）、铟磷（）、铟磷（InP）等。）等。 硅结型晶体管硅结型晶体管1948年由年由Bardeen 和和 Brattain 在在 美国美国AT&T Bell实验室发明。由于成本低、相实验室发明。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和最流行的射频器件。用于放大器可工作于 210GHz，用于振荡器可到，用于振荡器可到20GHz。 Research Institute of Antennas RF Techniques South China University of Technology MISFET和和JFET具有较低的截止频率，通常具有较低的截止频率，通常 工作于工作于1GHz以下。以下。 GaAs MESFET、GaAs HEMT 的特点是更高的特点是更高 的工作频率和更低的噪声系数。前者可工作的工作频率和更低的噪声系数。前者可工作 到到6070GHz，后者超过，后者超过100GHz。因此，。因此， GaAs FET广泛用于低噪声放大器和高频率放广泛用于低噪声放大器和高频率放 大器。大器。 Research Institute of Antennas RF Techniques South China University of Technology RF/MW晶体管特性晶体管特性 Research Institute of Antennas RF Techniques South China University of Technology BJT 结构结构 BJT可以采用可以采用NPN和和PNP型。为了获得增益高、型。为了获得增益高、 成本低成本低,通常采用通常采用NPN型。型。BJT通常用于通常用于4GHz 以下的频率。以下的频率。 Research Institute of Antennas RF Techniques South China University of Technology BJT的工作机理的工作机理 BJT是一个电流控制器件，其基极电流控制集是一个电流控制器件，其基极电流控制集 电极电流的大小。电极电流的大小。 Research Institute of Antennas RF Techniques South China University of Technology 共发射极共发射极BJT Ie BJT的电路型式的电路型式 BJT是有三种电路型式，即共基极、共发射极是有三种电路型式，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和共集电极电路。在功率放大器中常用共发射 极电路。极电路。 在共发射极电路中，发射在共发射极电路中，发射-基极结是正偏，而基极结是正偏，而 集电极集电极-基极结是反偏的，它们由相同极性的基极结是反偏的，它们由相同极性的 电源供电。电源供电。 Research Institute of Antennas RF Techniques South China University of Technology 共发射极共发射极BJTBJT的输入、输出特性的输入、输出特性 Research Institute of Antennas RF Techniques South China University of Technology BJT的等效电路的等效电路 BJT可以用散射参数表征，也可以表示为等效可以用散射参数表征，也可以表示为等效 电路。电路。 共发射极共发射极BJT的大信号等效电路：的大信号等效电路： ERRFIIICFFRIIIBECEVBEBEVCECEI IC CI IB BI IR RF FI IF FR RI IR RBJT的的Ebers-Moll 电路模型电路模型 FI/1BCqVkT RCSIIe/1BEqVkT FESIIeFESR CSSIII0.950.990.020.05FR正向电流增益正向电流增益 反向电流增益反向电流增益 Is-晶体管饱和电流晶体管饱和电流 Research Institute of Antennas RF Techniques South China University of Technology 对于正向和反向激活模式情况，电路模型可以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：简化为以下两种情况： 正向激活模式正向激活模式 基极基极-集电极二极管截止和基极集电极二极管截止和基极-发射极发射极 二极管导通。因此，可以推断：二极管导通。因此，可以推断：IR 0 , 基极基极-集电极二极管和基极集电极二极管和基极-发射极电流源发射极电流源 可忽略不计。可忽略不计。 VCE VCEsat = 0.1V , VBE 0.7 V I IF FVBEBEBEECF FI IF FVCECEResearch Institute of Antennas RF Techniques South China University of Technology 反向激活模式反向激活模式 基极基极-集电极二极管导通和基极集电极二极管导通和基极-发射极发射极 二极管截止。因此，可以推断：二极管截止。因此，可以推断：IF 0 , 基极基极-集电极二极管电流源和基极集电极二极管电流源和基极-发射极发射极 二极管可忽略不计。二极管可忽略不计。 VCE 0.1V , VBC 0.7 V I IR RVBEBEBEECR RI IR RVCECEResearch Institute of Antennas RF Techniques South China University of Technology 共发射极共发射极BJT的小信号混合的小信号混合 型型等效电路等效电路 exp() 1() 26be esce moe beqVIIkT II mAqgIVkT发射极电流跨导 Research Institute of Antennas RF Techniques South China University of Technology GaAs MESFET 不同于不同于BJT，FET是单极性器件，即只有一是单极性器件，即只有一 种载流子（空穴或电子）对穿过沟道的电流种载流子（空穴或电子）对穿过沟道的电流 作贡献。作贡献。 空穴贡献，称为空穴贡献，称为P型沟道型沟道FET 电子贡献，称为电子贡献，称为N型沟道型沟道FET FET是电压控制器件，通过改变栅极上所加是电压控制器件，通过改变栅极上所加 的电压，产生可变电场，来控制从源极到漏的电压，产生可变电场，来控制从源极到漏 极的电流。极的电流。 Research Institute of Antennas RF Techniques South China University of Technology GaAs MESFET的结构的结构 Research Institute of Antennas RF Techniques South China University of Technology GaAs MESFET的物理过程的物理过程 GaAs MESFET在在GaAs衬底衬底(绝缘层绝缘层)上外延上外延 一薄层一薄层N型高纯度半导体高导电层，构成型高纯度半导体高导电层，构成N 型沟道。它经源极型沟道。它经源极(S)和漏极和漏极(D)的欧姆接触的欧姆接触 与外电路相连接。与外电路相连接。 因为因为GaAs的费米电平大于肖特基金属的费的费米电平大于肖特基金属的费 米电平，所以米电平，所以GaAs中多余的电子溢出而进中多余的电