大学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fT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fT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-xGex基区的双极性异质结晶体管，由于Si1-xGex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：SiGeHBT，应变SiGe沟道的P-MosFET和驰豫SiGe/Si应变电子沟道N-MosFET。目前SiGeHBT的fT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）SiGeHBT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。3.1SiGeHBT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SiGeHBT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。3.2SiGeHBT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fT和最大震荡频率fMAX。交流截至频率（或电流增益截至频率）fT，定义为电流增益为1时的频率；最大震荡频率fMAX，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fT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（NE，NB分别为E区和B区掺杂浓度），由于基区掺杂较小较大，fMAX必然很小，因而电流增益β和fMAX是相互制约的。在SiGe/SiHBT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，fMAX可得到提高（放在前面，结合能带图讲SiGeHBT的优点）。3.3SiGeHBT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。SiGeHBT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，SiＨＢＴ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）3.4SiGeHBT的结构及制作工艺SiGeHBT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（LowNoiseAmplifer）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，121AGFF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SiGeHBT，非常适合GPS（GlobalPositioningSatellite）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1525.4MHz0.89dB66.1K1535.4MHz0.91dB67.5K1545.4MHz0.90dB66.8K1555.4MHz0.92dB68.8K1565.4MHz0.92dB68.5K1575.4MHz0.92dB68.4K1585.4MHz0.89dB66.3K1595.4MHz0.92dB68.5K1605.4MHz0.92dB68.2K..1615.4MHz0.93dB69K1625.4MHz0.91dB67.6K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。有些场合下偏置电路和匹配电路是结合在一起的，如高通结构的匹配电路常用并联的匹配电感同时作为偏置扼流线圈。通过对晶体管参数的研究，此次的晶体管直流偏置选在VCE=2.5V,IC=10mA点，在这个点可以获得较好的性能。晶体管在此偏置点不同频率下的参数如下：!fS11S21S12S22!GHzMAGANGMAGANGMAGANGMAGANG0.9000.6032-76.817.023119.60.040257.30.6937-41.21.0000.5707-82.915.956115.50.042855.30.6555-43.61.1000.5405-88.714.963111.90.045253.70.6202-45.5..1.2000.5127-94.114.052108.60.047452.20.5880-47.11.3000.4875-99.213.227105.50.049551.00.5589-48.51.4000.4653-104.112.489102.60.051549.90.5328-49.71.5000.4458-108.811.83499.90.053449.00.5095-50.71.6000.4290-113.311.25597.30.055348.30.4888-51.61.7000.4144-117.710.73894.70.057147.60.4702-52.41.8000.4017-121.810.27092.30.058946.90.4535-53.21.9000.3903-125.89.83790.00.060846.40.4