您好,欢迎访问三七文档
当前位置:首页 > 高等教育 > 工学 > 大学物理大学-射频电路第16讲晶体管放大器
ResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology晶体管BJTFET放大器的工作特性功率增益噪声系数稳定性第16讲内容ResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology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,从而放大了射频信号,属于有源器件。晶体管放大器由放大管、匹配电路和偏置电路三大部分组成。这也构成了放大器设计的三个方面。RFsourceInputMatchingNetwork(IMN)DCbiasload[S]OutputMatchingNetwork(OMN)ΓLΓoutΓSΓinPLPinc16.1晶体管ResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology常用的放大管是晶体管。晶体管分为两类:结型晶体管(JunctionTransistor)双极晶体管(BipolarJunctionTransistor,BJT)异质结双极晶体管(HeterJunctionBJT,HBJT)Transistor=Transfer+resistorResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology场效应晶体管(FieldEffectTransistor)金属半导体FET(MetalSemiconductorFET,MESFET)高电子迁移率晶体管(HighElectronMobilityTransistor,HEMT)假晶态HEMT(PseudomorphicHEMT,PHEMT)金属氧化物半导体FET(MetalOxideSemiconductorFET,MOSFET)金属绝缘物半导体FET(MetalinsulatorSemiconductorFET,MISFET)ResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology射频晶体管的材料主要是硅(Si)、砷化镓(GaAs)、硅锗(SiGe)、铟磷(InP)等。硅结型晶体管1948年由Bardeen和Brattain在美国AT&TBell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2~10GHz,用于振荡器可到20GHz。ResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyMISFET和JFET具有较低的截止频率,通常工作于1GHz以下。GaAsMESFET、GaAsHEMT的特点是更高的工作频率和更低的噪声系数。前者可工作到60-70GHz,后者超过100GHz。因此,GaAsFET广泛用于低噪声放大器和高频率放大器。ResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyRF/MW晶体管特性ResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyBJT结构BJT可以采用NPN和PNP型。为了获得增益高、成本低,通常采用NPN型。BJT通常用于4GHz以下的频率。ResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyBJT的工作机理BJT是一个电流控制器件,其基极电流控制集电极电流的大小。ResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology共发射极BJTIeBJT的电路型式BJT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极电路。在共发射极电路中,发射-基极结是正偏,而集电极-基极结是反偏的,它们由相同极性的电源供电。ResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology共发射极BJT的输入、输出特性ResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyBJT的等效电路BJT可以用散射参数表征,也可以表示为等效电路。共发射极BJT的大信号等效电路:ERRFIIICFFRIIIBECEVBEVCEICIBIRαFIFαRIRBJT的Ebers-Moll电路模型FI/1BCqVkTRCSIIe/1BEqVkTFESIIeFESRCSSIII0.950.990.020.05FR正向电流增益反向电流增益Is-晶体管饱和电流ResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology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:正向激活模式基极-集电极二极管截止和基极-发射极二极管导通。因此,可以推断:IR0,基极-集电极二极管和基极-发射极电流源可忽略不计。VCEVCEsat=0.1V,VBE≈0.7VIFVBEBEECαFIFVCEResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology反向激活模式基极-集电极二极管导通和基极-发射极二极管截止。因此,可以推断:IF0,基极-集电极二极管电流源和基极-发射极二极管可忽略不计。VCE<-0.1V,VBC≈0.7VIRVBEBEECαRIRVCEResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology共发射极BJT的小信号混合型等效电路[exp()1]()26beescemoebeqVIIkTIImAqgIVkT发射极电流跨导ResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyGaAsMESFET不同于BJT,FET是单极性器件,即只有一种载流子(空穴或电子)对穿过沟道的电流作贡献。空穴贡献,称为P型沟道FET电子贡献,称为N型沟道FETFET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,来控制从源极到漏极的电流。ResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyGaAsMESFET的结构ResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyGaAsMESFET的物理过程GaAsMESFET在GaAs衬底(绝缘层)上外延一薄层N型高纯度半导体高导电层,构成N型沟道。它经源极(S)和漏极(D)的欧姆接触与外电路相连接。因为GaAs的费米电平大于肖特基金属的费米电平,所以GaAs中多余的电子溢出而进入栅极金属一侧,并在其后形成耗尽区,于是在栅极的欧姆接触与N型半导体导电区域间形成肖特基势垒。势垒的存在把栅极欧姆接触与沟道中移动的电子隔开。ResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology当漏极和栅极加上偏压时,耗尽区的大小和位置发生变化,沟道的截面积大小也就随之发生变化,这就影响了I一V特性。栅偏压越负,耗尽区下面的导电沟道越小,漏极电流就越小,反之,如果栅偏压越正,漏极电流就越大。ResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyVDSDSGVGSIDIG(c)FET符号VDS0IDVGS-VT0VGS=0VGS0(d)输出特性线性区饱和区ResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyGaAsMESFET的大信号模型VGDVGSCGSCGDIDDGSDSrDrsResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnologyGaAsMESFET的小信号等效电路migvivResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology16.2放大器的工作特性设计RF/MW放大器时所考虑的主要问题包括:功率增益噪声系数稳定性驻波比设计方法基于晶体管的S参数VsResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology功率增益实际应用中常用三种功率增益转换功率增益GT:负载吸收功率PL与信号源输出的资用功率Pa之比,即GT=PL/Pa可用功率增益Ga:网络输出的资用功率Pout对信号源输出的资用功率Pa之比,即Ga=Pout/Pa工作功率增益Gp:负载吸收功率PL对输入到网络的功率Pin之比,即Gp=PL/PinResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology推导根据不难得到根据电压分压原理,归一化电压为22LcLLcZZaZZbscsscZZZZ11111221111222211222211222LLbSaSaSaSbbSaSaSaSb11221111111incLinLincZZbSSSaSZZ+12212222221soutsSSbSaS1111(1)insinsinZVVabaZZ11inincinZZ11SScSZZ2121221LSbaSResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology可得于是,得输入功率负载吸收功率1112SssincVaZ22222*1112(1||)|1|11(1)2281sinsinincsinVPVIaZ2222221*22212222222212222(1)111(1)2221(1)1811LLLLsLScLSinSPVIbaSVSZSResearchInstituteofAntennasRFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology信号源的资用功率Pa是源提供的最大功率,发生在输入端共轭匹配时:同理,网络输出资用功率Pout是负载吸收的最大功率,发生在输出端共轭匹配时*222|||1||8(1||)inSsSainCSVPPZ*2222212*222||(1||)|1||8|1|1LoutsoutsoutLcoutsi
本文标题:大学物理大学-射频电路第16讲晶体管放大器
链接地址:https://www.777doc.com/doc-8586059 .html