uestc微波固態(tài)電路第三章微波晶體管放大器-改

第三章

微波晶體管放大器主要內(nèi)容微波雙極結型晶體管微波場效應晶體管微波晶體管放大器的特性小信號微波晶體管放大器的設計微波晶體管功率放大器特性用小信號S參數(shù)設計微波晶體管功率放大器

§3.1引言分類：

晶體管器件分為結型晶體管和場效應晶體管。用途：放大器、振蕩器、開關、移相器、有源濾波器結型晶體管包括雙極結型晶體管和異質(zhì)結雙極型晶體管，它既可以是NPN結構，也可以是PNP結構。材料：結型晶體管是使用硅、硅-鍺、砷化鎵和銦化磷材料制成。世界上第一只點接觸三極管出現(xiàn)在1948年，隨著半導體材料的不斷改進和更新，晶體管的品種和性能取得了飛速發(fā)展?！?.1引言20世紀50年代，三極管基本選用的是鍺材料，其性能和可靠性都受到很大限制，基本沒有實用器件進入微波領域。20世紀60年代初，隨著硅材料的改進和平面工藝的出現(xiàn)，硅三極管性能的改進不僅使其工作頻率進入微波領域，而且還在不斷提高。硅結型晶體管用作放大器，頻率范圍可達2~10GHz，而用在振蕩器中時頻率高達20GHz。使用SiGe的結型晶體管可用于20GHz或更高工作頻率。異質(zhì)結雙極型晶體管（HBT）使用GaAs或InP材料，能在超過100GHz的頻率工作。§3.1引言

場效應晶體管（FET）可有多種類型：金屬半導體場效應晶體管（MESFET）高電子遷移率晶體管（HEMT）贗晶型高電子遷移率晶體管（PHEMT）金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）金屬絕緣物半導體場效應晶體管（MISFET）§3.2微波雙極結型晶體管雙極晶體管（BJT）由兩個相距很近的PN結組成，它包含電子和空穴兩種極性的載流子參與導電，所以稱為雙極晶體管（以區(qū)別單極管與FET），它是目前應用最廣泛的半導體器件之一。硅雙極晶體管在X頻段以下有優(yōu)勢，而AlGaAs/GaAs異質(zhì)結雙極晶體管（HBT）在超過200GHz上占優(yōu)勢。微波硅雙極性晶體管微波雙極晶體管結構圖微波硅雙極性晶體管雙極晶體管共射極簡化等效電路

rbb:基極串聯(lián)電阻re:發(fā)射極正偏交流電阻rcc:集電極串聯(lián)電阻Cc1:集電極反偏勢磊電容Cc2:集電極和基極勢磊電容

CTe:發(fā)射極正偏勢磊電容CDe:發(fā)射極正偏擴散電容Cbc,Cbe,Cce:封裝電容Lb,Le,Lc:封裝電感α0:Ic/Ie

（Vcb=0），發(fā)射極到集電極的電流傳輸系數(shù)（α

=β/（1+β

））晶體管的增益帶寬積fT(即特征頻率)

ec是發(fā)射極到集電極的總延遲時間微波硅雙極性晶體管

提高微波雙極晶體管增益帶寬積的措施：在功率容量和可靠性允許的條件下，應盡量減小發(fā)射極面積。可減小基區(qū)寬度WB，電極尺寸受工藝水平限制，同時也影響器件的承受功率。另一種方法是恰當?shù)剡x擇基區(qū)摻雜濃度與梯度來實現(xiàn)漂移場，加速載流子的運動速度。

微波硅雙極性晶體管微波雙極晶體管交指型結構示意圖

低噪聲雙極晶體管功率增益GP

：在某一特定測試條件下，晶體管的輸出功率與輸入功率之比。

低噪聲雙極晶體管幾種功率增益：插入增益GT：即共射極接法的微波管，插入到特性阻抗為Z0的傳輸系統(tǒng)中所提供的功率增益。（Γs=ΓL=0）最大可用功率增益Gmax（或MAG）:它是指在晶體管輸入和輸出完全共軛匹配條件下，晶體管所能提供的最大實用功率增益，即最大單向功率增益Gu，它與Gmax的不同在于它忽略內(nèi)部反饋，即假定S12=0時的最大功率增益為

低噪聲雙極晶體管微波雙極晶體管GT、Gmax、Gu與頻率的關系規(guī)律：6dB/倍頻程下降

低噪聲雙極晶體管噪聲系數(shù)F

：晶體管的輸入端信號/噪聲功率比與輸出端信號/噪聲功率比的比值。

噪聲來源：熱噪聲：主要由載流子的不規(guī)則熱運動引起的，它的大小與晶體管本身歐姆電阻有關。散粒噪聲：由于電流流動時載流子運動的起伏產(chǎn)生的，其大小與電流成正比。閃爍噪聲：一般認為與半導體制造工藝及表面處理情況有關。

低噪聲雙極晶體管雙極晶體管的噪聲系數(shù)隨頻率的變化

1/f噪聲白噪聲噪聲系數(shù)

定義：在輸入噪聲功率為kT0B時，網(wǎng)絡輸入信噪比與輸出信噪比的比值，反映了網(wǎng)絡產(chǎn)生的噪聲大小或者Te。其中:J/K，波爾茲曼常數(shù)T0是常溫290K即輸入噪聲功率為-174dBm/Hz網(wǎng)絡產(chǎn)生的噪聲功率：kTeB，Te為等效噪聲溫度。

網(wǎng)絡產(chǎn)生的噪聲功率不變；網(wǎng)絡輸入和輸出信噪比的惡化與輸入的噪聲功率有關；信噪比不會改善。

常溫下，無源網(wǎng)絡的插損為L，則線性二端口網(wǎng)絡的噪聲系數(shù)F可以表示為：

式中：Rn為線性二端口網(wǎng)絡的等效噪聲電阻。：二端口網(wǎng)絡的最小噪聲系數(shù)。

Ysopt＝Gsopt+jBsopt：獲得最小噪聲系數(shù)要求的最佳信號導納。

它們都可以用測量的方法得到。Ys＝Gs+jBs為信號源導納功率雙極晶體管耗散功率大于1W的晶體管被定義為功率晶體管電流容量大，要求增大發(fā)射極周長以及發(fā)射區(qū)和基區(qū)面積。即獲得最大的發(fā)射極周長/面積的比值。電極結構：梳狀結構、覆蓋結構和網(wǎng)狀結構。功率雙極晶體管

主要指標有：輸出功率功率增益工作類別功率雙極晶體管輸出功率取決于自身的電流和電壓承受能力常用的輸出功率定義：

飽和輸出功率P0：指微波功率管在特定測試條件下所能獲得的最大輸出功率。

線性輸出功率P1dB：也稱為1dB增益壓縮時的輸出功率。

脈沖輸出功率Pp

：當晶體管在脈沖工作狀態(tài)下（脈沖調(diào)制微波），所能獲得的最大輸出功率。Pp>

P0功率雙極晶體管晶體管輸入-輸出功率曲線

晶體管在小信號工作時，其功率增益保持不變。但隨著輸入信號的增大，晶體管開始進入非線性區(qū)，這時功率增益將隨著輸入增加而逐漸下降。當增益下降到比線性增益低1dB時，所對應的輸出功率即定義為1dB壓縮輸出功率，有時也簡稱為線性輸出功率。功率雙極晶體管功率增益取決于晶體管的fT及其動態(tài)阻抗。功率管的測試往往是基于獲得最大輸出功率，而對應的增益就不是最大，一般給出的值都與輸出功率狀態(tài)相對應。由于功率放大器是非線性工作，小信號線性分析已不適用，目前實際電路設計中常采用以下三種方法，即動態(tài)阻抗法、大信號S參數(shù)法和負載牽引法，因而對功率晶體管要求給出各種相應的附加參數(shù)。說明：工作類別有三類，即甲、乙、丙三類（也稱為A、B、C三類）。甲類：發(fā)射結處于正向偏壓，靜態(tài)時維持較高的靜態(tài)電流。

特點：增益高、噪聲低、線性好；

缺點：輸出功率小且效率低，其理論效率為50%，實際25%~40%乙類：發(fā)射結處于零偏壓，靜態(tài)時無電流，在外信號到來時，開啟發(fā)射極結才能進行放大，只是開啟功率要比丙類小。

特點：與甲類相比是輸出功率大，效率高，其理論最高效率可達78%；而與丙類相比是線性好，增益高。為克服零偏壓處的失真，也可稍加一點正向偏壓，這稱甲乙類（或AB類）放大。丙類：發(fā)射結處于反向偏壓，靜態(tài)時沒有直流電流(只有很小的集電極反向漏電流)，當外信號到來時，將發(fā)射結打開，才起放大作用。

特點：輸出功率大，集電極效率高，最高理論效率可接近100%，實際可達50%～70%；

缺點：增益低、線性差和噪聲大。異質(zhì)結雙極晶體管（HBT）硅雙極晶體管是采用同一半導體材料形成PN結，稱同質(zhì)結雙極晶體管。結構上存在基極電阻與發(fā)射極注入效率間的矛盾，限制頻率提高。由不同半導體材料接觸形成的異質(zhì)結雙極晶體管HBT可從根本上克服這個矛盾。

采用發(fā)射極比基極有更寬禁帶的半導體。通過選擇異質(zhì)結能帶，使HBT的電流增益與基極和發(fā)射極摻雜無關，降低了基極電阻、輸出電導以及發(fā)射極耗盡電容，從而大大改善了高頻性能?！?.3微波場效應晶體管GaAsMESFETGaAsHEMTGaAsMESFETGaAsMESFET的結構示意圖

工作原理：控制柵壓Vgs（↓）可以靈敏改變耗盡層的寬窄，從而調(diào)制溝道厚度，最終達到控制漏流Ids（↓）Vgs≤0GaAsMESFET（a）管芯等效電路（b）等效電路元件在結構中的位置

MESFET管芯等效電路

Cgs:柵源部分耗盡層結電容Cdg:柵漏部分耗盡層結電容

Cdc:疇電容，模擬溝道中電荷偶極子的電容Cds:漏極和源極之間的襯底電容Cdc:疇電容，模擬溝道中電荷偶極子的電容Rgs:之間未耗盡層的電阻Rg,Rs,Rd:柵、源和漏極串聯(lián)電阻（體電阻及引出端接觸電阻）Gds:漏極微分電導（=dIds/dVds|Vgs

=

常數(shù)）gm:小信號跨導，gmVgi

受控電流源GaAsMESFET參數(shù)包括：零柵漏極電流Idss、共源正向跨導gm、柵漏擊穿電壓VBR、夾斷電壓Vp以及柵-源截止電流Igss等。頻率參數(shù)fT的定義與雙極晶體管的不同，它由下式表示：Cgs是FET的柵-源電容，

gm是共源正向跨導，其定義為：在共源電路中，固定漏壓下，單位柵壓改變引起的漏極電流改變，即，Vds=常數(shù)。

GaAsMESFETVgs/Vp

=0MESFET中Ids、與Vgs、Vds的關系曲線低噪聲GaAsFET功率增益

Gp小功率時插入增益一般不符合6dB/倍頻程的下降規(guī)律。但其最大單向化功率增益和最大可用功率增益（或MAG）仍符合6dB/倍頻程的下降規(guī)律。噪聲系數(shù)F：隨頻率的變化與雙極管不同，隨頻率單調(diào)上升，在低頻段上升緩慢。功率GaAsFET輸出功率P0和最佳負載

GaAsFET的輸出特性曲線VBR是柵漏擊穿電壓功率GaAsFET飽和輸出功率P0

、線性輸出功率P1dB和脈沖輸出功率PP。功率增益Gp

：取決于fT和動態(tài)阻抗，與輸出功率有關。高電子遷移率晶體管（HEMT）P-HEMT的結構圖

低溝道電阻和源電阻，使噪聲系數(shù)極低?！?.4微波晶體管放大器的特性微波晶體管放大器的主要指標:功率增益噪聲系數(shù)穩(wěn)定性輸入和輸出駐波比（VSWR）輸出功率工作頻帶線性度動態(tài)范圍微波晶體管的S參數(shù)晶體管四個S參數(shù)的物理意義S11是晶體管輸出端接匹配負載時的輸入端電壓反射系數(shù)S22是晶體管輸入端接匹配負載時的輸出端電壓反射系數(shù)S21是晶體管輸出端接匹配負載時的正向傳輸系數(shù)，代表功率增益S12是晶體管輸入端反向傳輸系數(shù)，代表晶體管內(nèi)部反饋的大小

晶體管四個S參數(shù)的特點S11S22雙極晶體管雙極晶體管輸入輸出等效電路MESFET輸入輸出等效電路晶體管四個S參數(shù)的特點雙極晶體管的S21在頻率低時較大，但隨頻率升高而下降快，通常以6dB/倍頻程速率下降，MESFET在一定頻率范圍內(nèi)變化較小，因此有利于寬帶設計。雙極晶體管和MESFET的S12都隨頻率升高而增大。

MESFET的S12要小得多，作放大器時穩(wěn)定性好；作振蕩器時，需加外反饋元件。微波晶體管放大器的增益

負載端與信源端的反射系數(shù)分別為:微波晶體管放大器的增益計算放大器功率增益的三種定義轉(zhuǎn)換功率增益資用功率增益實際功率增益轉(zhuǎn)換功率增益GT定義：放大器負載吸收的功率PL與信源可用功率Pa之比。當晶體管2-2’端口接負載ZL時，。

輸入端：對應輸入阻抗：同理，當1-1’端口接信源阻抗ZS時（將信號源aS短路），可求得輸出端反射系數(shù)：（3.16a）轉(zhuǎn)換功率增益GT含義：晶體管兩個端口之間無反饋，則輸出端負載與輸入阻抗沒有相互影響，此時的晶體管叫做單向化器件。入射功率（3.17a）反射功率（3.17b）放大器輸入功率（3.17c）信號源可用功率（3.17d）轉(zhuǎn)換功率增益GT其中aS是信號源接匹配負載時的歸一化入射波。轉(zhuǎn)換功率增益轉(zhuǎn)換功率增益與晶體管的S參數(shù)和負載阻抗、信源阻抗都有關系，即大小與兩個端口的匹配程度都有關。物理意義：插入放大器后負載實際得到的功率是無放大器時可能得到的最大功率的多少倍

單級微波晶體管放大器的電路模擬

輸入匹配網(wǎng)絡的有效增益系數(shù)：

晶體管自身的有效增益系數(shù)：輸出匹配網(wǎng)絡的有效增益系數(shù)：總變換增益是即當和

時，

達到最大值，

稱為雙共軛匹配。

此式說明了晶體管自身參數(shù)但這樣并未充分發(fā)揮晶體管用作放大器的潛力。只有共軛匹配，才能傳輸最大功率

的物理意義。當晶體管內(nèi)反饋很小時，則可忽略S12進行單向化設計。即當S12≈0，單向化轉(zhuǎn)換功率增益為資用功率增益Ga定義：放大器輸出端的資用功率PLa與信號源資用功率Pa之比。放大器輸出端的資用功率為：其中故放大器在輸出端口的等效波源，如圖所示。

放大器輸出等效波源

資用功率增益Ga根據(jù)等效信源波的物理意義，有

端口的輸出資用功率為

其中資用功率增益Ga

資用功率增益只與晶體管S參數(shù)和信源阻抗有關，而與輸出端口的匹配程度無關，利用此式便于研究信源阻抗變化對放大器功率增益的影響。物理意義：插入放大器后負載可能得到的最大功率是無放大器時可能得到的最大功率的多少倍。資用功率增益只是表示放大器功率增益的一種潛力。實際功率增益G

定義：負載所吸收的功率與放大器輸入功率之比。實際功率增益G只與晶體管S參數(shù)和負載阻抗有關，而與輸入端口的匹配程度無關，此式便于研究負載變化對放大器功率增益的影響。其中三種功率增益間的聯(lián)系

式中，M1、M2分別為輸入、輸出端失配系數(shù)。三個功率增益中若已知其中一個，即可知另外兩個。一般情況下，，表示兩個端口都偏離共軛匹配，所以，雙共軛匹配時，，此時

微波晶體管放大器的穩(wěn)定性S12意味著放大器有內(nèi)反饋，可能造成放大器不穩(wěn)定（這可以從放大器輸入端口或輸出端口是否等效有負阻來進行判斷）如果放大器端口存在負阻，則有可能（并非一定）產(chǎn)生自激振蕩，這意味著或。假設放大器輸入阻抗，則輸入端反射系數(shù)的模為可見當時，。輸出端口類似。因為和與源和負載匹配網(wǎng)絡有關，因而放大器的穩(wěn)定性依賴于通過匹配網(wǎng)絡提供的和。因此，當采用S參數(shù)法來分析放大器時，就從其輸入端口或輸出端口反射系數(shù)的模是否大于1來判斷放大器的穩(wěn)定性。穩(wěn)定判別圓由可見和是分式線性變換的關系。

由上式可以推得，當時，，只與網(wǎng)絡的有關。它表示一個圓心在,半徑為的圓

L，

1相互映射均由晶體管S參數(shù)決定在的條件下，S2圓將平面分成圓內(nèi)、外兩部分——

穩(wěn)定區(qū)：包含原點（=0）的部分；

不穩(wěn)定區(qū)：不包含原點的部分；

S2圓稱為“穩(wěn)定判別圓”，或稱“輸入穩(wěn)定判別圓”（判斷的是輸入端口的穩(wěn)定性）；也稱“輸出穩(wěn)定圓”（是輸出負載平面上的一個判別圓，用來確定對輸出負載的正確選擇）。

101010復平面復平面復平面圓圓S2圓與單位圓的相對關系有兩種情況，六種可能性（當時）（a）10圓

10圓（b）10圓（c）10圓（d）10圓（e）圓10（f）當，此時必定——不包含原點

因為所以，當，時，即（a）、（b）、（c）三種可能性，S2圓外為穩(wěn)定區(qū)，S2圓內(nèi)為不穩(wěn)定區(qū)。（a）10圓

10圓（b）10圓（c）而當時，此時必定。所以S2圓必定包含原點。圖（d）、（e）、（f）三種可能性，S2圓內(nèi)為穩(wěn)定區(qū)，S2圓外為不穩(wěn)定區(qū)。10圓（d）10圓（e）圓10（f）用同樣方法，由，得到平面上的穩(wěn)定判別圓（S1圓），可稱為輸出端口穩(wěn)定判別圓或輸入穩(wěn)定圓。S1圓方程為：其中絕對穩(wěn)定與潛在不穩(wěn)定（有條件穩(wěn)定）

由圖（a）、（d）可見，單位圓內(nèi)全部是穩(wěn)定區(qū)，即對于任意，都滿足；同時對任意，也都滿足，則這樣的晶體管稱為是絕對穩(wěn)定的（無條件穩(wěn)定）。用這樣的晶體管設計放大器，其兩個端口端接的無源阻抗都可以任選。（a）10圓10圓（d）其余四種情況都在單位圓內(nèi)存在不穩(wěn)定區(qū)，設計放大器可有兩種方法：（1）避開并遠離不穩(wěn)定區(qū)，即選擇圖中（或）單位圓內(nèi)非陰影區(qū)，仍能使輸入端口（或輸出端口）穩(wěn)定；（2）如果不穩(wěn)定區(qū)內(nèi)的某值使，但只要在輸入端口所接能滿足，則仍然可以使之穩(wěn)定。

一般只取第（1）種。這兩種方法雖然能使放大器仍然穩(wěn)定工作，但包含著不穩(wěn)定因素。如果端接負載有所變化，可能就會發(fā)生振蕩，因此稱為有條件穩(wěn)定或潛在不穩(wěn)定。

絕對穩(wěn)定的充要條件對圖（a），有，代入R2及表達式得

因為所以得K為穩(wěn)定系數(shù)。（a）10圓絕對穩(wěn)定的充要條件對圖（d），有

且可知因為所以不等式換號得所以K>1是輸入端口絕對穩(wěn)定的必要條件。（3.51）（3.50）10圓（d）絕對穩(wěn)定的充要條件將式K>1倒推回去時，開始各式均成立，唯獨到最后由式（3.49）：，并不一定導致，必須增加一個條件才能保證充分性，因此只檢驗K>1是不充分的。即：或絕對穩(wěn)定的充要條件同樣可證明輸出端口絕對穩(wěn)定的充要條件為設計放大器時應保證晶體管放大器兩個端口都絕對穩(wěn)定，因此晶體管雙口網(wǎng)絡絕對穩(wěn)定的充要條件為：對所有頻率都應滿足放大器的穩(wěn)定措施如果在工作頻段內(nèi)場效應晶體管或雙極晶體管處于非穩(wěn)定狀態(tài)，則應當采取適當措施使晶體管進入穩(wěn)定狀態(tài)。方法是在其不穩(wěn)定的端口增加一個串聯(lián)電阻或并聯(lián)電阻。下圖給出了輸入端口的電路。這個電阻必須與一起抵消掉的負阻成分。

（a）并聯(lián)電阻（b）串聯(lián)電阻

輸入端口穩(wěn)定電路的條件：

或

輸出端口穩(wěn)定電路的條件：

或用增加電阻的方法實現(xiàn)晶體管穩(wěn)定的代價包括：產(chǎn)生功率傳輸損失；晶體管的噪聲系數(shù)惡化（由于電阻產(chǎn)生的附加熱噪聲）

微波晶體管放大器的噪聲特性噪聲系數(shù)：任意線性兩端口網(wǎng)絡，輸入端接入和網(wǎng)絡輸入電阻相等的源電阻，并處于標準溫度時，網(wǎng)絡實際輸出的總噪聲功率和僅由輸入端電阻產(chǎn)生的輸出噪聲功率之比為網(wǎng)絡的噪聲系數(shù)，即式中，—輸出端的總噪聲功率，B—帶寬，G—網(wǎng)絡的可用增益，k—玻耳茲曼常數(shù)，k=1.38

10

23J/K?？紤]一個具有增益，，…，和噪聲系數(shù)，，…，的n級串接級聯(lián)二端口網(wǎng)絡，則此n級二端口網(wǎng)絡的總噪聲系數(shù)為微波晶體管放大器的噪聲特性通常，將噪聲系數(shù)用dB表示為:任意有噪聲兩端口網(wǎng)絡，如圖（a）所示。將其內(nèi)部噪聲全部等效到輸入端，表示為一個等效噪聲電壓源和一個等效噪聲電流源，則網(wǎng)絡自身變成理想無噪聲網(wǎng)絡，如圖（b）所示。由于在理想無噪聲網(wǎng)絡前、后的信噪比不變，因此可以去掉該網(wǎng)絡來進行噪聲系數(shù)計算，見圖（c）。

（a）（b）（c）有噪聲的二端口網(wǎng)絡

微波晶體管放大器的噪聲特性假如電路以電壓噪聲為主，則采用一個高的源阻抗會使傳輸?shù)脑肼曅盘栕钚?；假如以電流噪聲為主，則連接一個低的源阻抗會使傳輸?shù)脑肼曅盘栕钚?。當兩種噪聲源同時存在時，從電路的最小噪聲系數(shù)將得出一個特定的源導納（或源阻抗），稱之為最佳源導納。噪聲系數(shù)可以用等效網(wǎng)絡的四個噪聲參數(shù)來描述式中，四個噪聲參量為：等效噪聲電阻Rn，最小噪聲系數(shù)Fmin，最佳信源電導Gopt和電納Bopt。以信源反射系數(shù)來表示：這時對應的四個噪聲參量為：等效噪聲電阻Rn

，最小噪聲系數(shù)Fmin

，最佳信源反射系數(shù)的模及幅角。（3.65）§3.5小信號微波晶體管放大器的設計

任務主要是在一定的中心頻率及頻帶范圍內(nèi)設計輸入、輸出匹配網(wǎng)絡，使其滿足一定的增益、噪聲系數(shù)要求，此外，還需滿足輸入、輸出駐波比的要求。高增益設計假設實際信源及負載阻抗都等于傳輸線特性阻抗，則即則要求輸入匹配網(wǎng)絡M1使變換到、輸出匹配網(wǎng)絡M2使變換到，并同時滿足以下聯(lián)立方程：

SR

SG￠

,SZGS

,LZGLoutG

inG

11S￠

22S￠

LG￠

LR

輸入

匹配

網(wǎng)絡

M1輸出

匹配

網(wǎng)絡

M2FET

說明：①開路支節(jié)的終端，可以是開路，也可以是短路端口，實際中常用開路端口。②

/4阻抗變換器及指數(shù)數(shù)變換器只能將兩個實數(shù)阻抗加以匹配。③指數(shù)漸變線和多節(jié)

/4阻抗變換器具有寬帶特性。

并聯(lián)型匹配網(wǎng)絡串接型匹配網(wǎng)絡雙共軛匹配因為，即晶體管內(nèi)部反饋不可忽略，放大器為雙向器件，輸入、輸出端口互有影響，必須解上述聯(lián)立方程，得到雙共軛匹配的條件為其中

用穩(wěn)定系數(shù)K表示的形式為：將其代入轉(zhuǎn)換功率增益的表達式可得：

在晶體管絕對穩(wěn)定條件下進行雙共軛匹配設計時，、都取帶負號的解，此時，，最大轉(zhuǎn)換功率增益也應取負號。最大穩(wěn)定功率增益被定義為K=1的臨界情況：由測得的晶體管S參數(shù)，很容易由以上兩式估計晶體管在絕對穩(wěn)定條件下、無外反饋時的最大增益潛力。寬帶設計在頻帶高端按雙共軛匹配設計，在頻帶低端因失配而使放大器增益偏離最大值

下圖中晶體管隨頻率增加而下降，曲線M表示匹配網(wǎng)絡頻率特性，二者趨勢正好補償。假設由晶體管和匹配網(wǎng)絡M1、M2構成的總網(wǎng)絡的散射參數(shù)用表示，則當時，總網(wǎng)絡的輸入反射系數(shù)即為，輸出反射系數(shù)即為，因此整個放大器的輸入駐波比及輸出駐波比分別為

SR

SG￠

,SZG

,LZG

outG

inG

11S￠

22S￠

LG￠

LR

輸入

匹配

網(wǎng)絡

M1輸出

匹配

網(wǎng)絡

M2FET

SL例3.1用cfy66-08HEMT管設計一個中心頻率為5.4GHz的窄帶晶體管放大器，要求獲得最大轉(zhuǎn)換功率增益達20dB以上。解：（1）選工作點為，，，測出cfy66-08HEMT管在5.4GHz時S參數(shù)為（2）檢驗穩(wěn)定性因為K<1，且，所以該晶體管是潛在不穩(wěn)定的。

（3）增加穩(wěn)定性

在漏級串聯(lián)一個55

的電阻，犧牲增益以提高穩(wěn)定性。

整個網(wǎng)絡的S參量求解：將晶體管的S參量變換為阻抗參量，然后將晶體管的阻抗參量與電阻的阻抗參量相加，最后再將總阻抗參量變換成S參量。經(jīng)計算此時新網(wǎng)絡的S參數(shù)為

（4）計算雙共軛匹配時源和負載的反射系數(shù)。（5）計算單級最大資用功率增益可見，一級放大器不能實現(xiàn)20dB增益指標，因此設計一個兩級放大器，其輸入、輸出及級間匹配網(wǎng)絡都設計成滿足共軛匹配，可得本例在設計時采用微帶結構，如圖所示。輸入端信源阻抗和輸出端負載阻抗均為50Ω，則圖中，因頻率較低，三個匹配網(wǎng)絡都采用并聯(lián)分支線，并假設所有微帶線特性阻抗均為50

。兩級放大器匹配網(wǎng)絡示意圖（6）輸入匹配網(wǎng)絡的設計輸入匹配網(wǎng)絡的任務是使晶體管HEMT1輸入端口的源反射系數(shù)為。圖中A點是在導納圓圖上的對應點，經(jīng)過相移線，并聯(lián)短路分支線，即與實際信源阻抗50

匹配。

輸入匹配網(wǎng)絡設計圓圖AB向源向負載開路點短路點-180度+180度的圓0度CO輸出匹配網(wǎng)絡設計圓圖DE向源向負載開路點短路點-180度+180度的圓0度FO對向源或向負載方向旋轉(zhuǎn)的說明：

當沿著反射系數(shù)

的方向前進時，對應于圓圖上向負載方向旋轉(zhuǎn)，即逆時針旋轉(zhuǎn)。因為其相位超前。反之為向源方向旋轉(zhuǎn)，即順時針旋轉(zhuǎn)。

·向電源向負載短路點-180度+180度的圓0度DC輸出匹配網(wǎng)絡設計圓圖

輸出匹配網(wǎng)絡的任務是使晶體管HEMT2輸出端口的負載反射系數(shù)為。圖中C點是在導納圓圖上的對應點，經(jīng)過相移線，并聯(lián)短路分支線，即與實際負載阻抗50

匹配。這里取短路分支線的原因是為了使電長度小于。

（7）輸出匹配網(wǎng)絡的設計（8）級間匹配網(wǎng)絡的設計

50W

～

GS￠

l2

l1

HEMT1

GSm

GLm

G*Lm

P￠

l7

l5

l6

GSm

GLm

l3

l4

GL￠

50W

P

HEMT2

先求出(E)，經(jīng)過相移線，在參考面向左看去的歸一化導納值為：(G點)；而對應的A點經(jīng)過相移線，向左看去的歸一化導納值(F點)為因此在應接入短路的并聯(lián)分支線級間匹配網(wǎng)絡設計圓圖向電源向負載開路點短路點-180度+180度的圓0度（9）補充說明以上設計并未考慮偏置電路影響?？蓪⑸鲜鲈O計結果連同偏置電路一起作為放大器電路的初始拓撲，借助計算機優(yōu)化設計軟件，優(yōu)化各段微帶線長度和特性阻抗，使放大器不僅在5.4GHz，而且在一定頻帶內(nèi)滿足增益要求。

說明：①輸入、輸出匹配網(wǎng)絡采用

型匹配網(wǎng)絡。②基極和集電極采用并聯(lián)方式供電，也可用單電源加電位器同時給B、C極供電。③偏置電路采用了兩級

/4高阻---低阻抗開路線引入，以減小對微波電路的影響，通常還要加旁路電容。④輸出、輸入采用微帶隔直電容，以免前后級或負載相互因直流電位產(chǎn)生影響，這種影響往往會燒壞器件或者儀器設備。如工作頻率很高，可用微帶側(cè)耦合帶通濾波器隔直。

S波段低噪聲放大器低噪聲設計雙共軛匹配時可獲得最大功率傳輸，但同時對噪聲傳輸也最大，因此實現(xiàn)（等于）的狀態(tài)一定不對應Fmin。為獲得最小噪聲系數(shù)，應選擇最佳信源反射系數(shù)。此時放大器輸入匹配網(wǎng)絡的任務在于使管子端口滿足下式：

最佳噪聲匹配這種以最小噪聲系數(shù)出發(fā)來設計輸入匹配網(wǎng)絡的方法，稱為“最佳噪聲匹配”。此時對應的放大器資用功率增益稱為“相關增益”。按最小噪聲系數(shù)設計放大器時，其輸出端通常按共軛匹配設計，即設計輸出匹配網(wǎng)絡使管子端口滿足下式例3.3用Hewlett-PackardAT-41511管，設計一個工作在2GHz的單級低噪聲放大器，基板H=0.8mm，。已知：該管在f=2GHz，=2.7V，時，忽略封裝參數(shù)的影響，，，S參數(shù)為解：（1）計算穩(wěn)定系數(shù)

其中，

由于K>1，且＞，＞，因此該晶體管在2GHz是絕對穩(wěn)定的。

為獲得最小噪聲系數(shù)，應選擇最佳信源反射系數(shù)。此時放大器輸入匹配網(wǎng)絡的任務是使晶體管輸入端口滿足。圖中A點是在導納圓圖上的對應點，經(jīng)過相移線，并聯(lián)開路分支線，即與實際信源阻抗50Ω匹配。·向電源向負載開路點短路點-180度+180度的圓0度BA輸入匹配網(wǎng)絡設計圓圖（2）按最小噪聲系數(shù)設計輸入匹配網(wǎng)絡圖中C點是在導納圓圖上的對應點，經(jīng)過相移線，并聯(lián)短路分支線，即與實際負載阻抗50Ω匹配。（3）匹配輸出級輸出端通常按共軛匹配設計，即設計輸出匹配網(wǎng)絡使管子滿足下式：

輸出匹配網(wǎng)絡設計圓圖向電源向負載開路點短路點-180度+180度的圓0度DC單向化設計

當S12≈0，單向化轉(zhuǎn)換功率增益為

其中，GS和GL是與輸入、輸出匹配網(wǎng)絡有關的增益分量，G0是晶體管的插入增益。當要求輸入、輸出端口都滿足共軛匹配時有則最大單向轉(zhuǎn)換功率增益為實際上晶體管仍是雙向器件，得到的增益仍是GT

定義為單向優(yōu)質(zhì)比u（單向化優(yōu)質(zhì)因數(shù)）。

令

因此單向化設計時產(chǎn)生一定的誤差，誤差范圍為

例3.2設計一個工作頻率為5.7GHz，增益為18dB的MESFET放大器。已知MESFET在5.7GHz頻率點的S參量為：，，，。（1）放大器是否為無條件穩(wěn)定？（2）假設單向化條件成立（），求最佳反射系數(shù)條件下的最大功率增益。解（1）檢驗穩(wěn)定性因為K>1，且，，所以該晶體管是絕對穩(wěn)定的。（2）計算最佳反射系數(shù)條件下的最大功率增益（即，）：則最大單向化轉(zhuǎn)換功率增益為；多級放大器晶體管選擇兩級晶體管放大器在網(wǎng)絡無耗和良好匹配的前提下，線性工作條件時，兩級放大器的總功率增益等于單級放大器增益和的乘積，如果以dB為單位，即

兩級放大器總的噪聲系數(shù)為如果輸入端口在熱噪聲功率3dB以上的最小可探測功率為，則與最小可探測功率對應的輸出功率為

例3.4多級放大器晶體管的選擇。設計一個放大器，要求P-1=18dBm，功率增益不低于20dB。請根據(jù)表3.1中列出的某些晶體管在2GHz頻率上的有關特性參數(shù)，確定放大器的級數(shù)并為每一放大器選擇合適的晶體管。估算放大器的總噪聲系數(shù)F。

表3.1晶體管特性參數(shù)晶體管型號F（dB）Gmax（dB）

（dBm）BFG5051.9104BFG5201.9917BFG5402.0721解由于放大器的輸出功率必須達到18dBm，所以放大器的輸出級只能采用BFG540晶體管。因為放大器的輸出功率=18dBm遠小于BFG540的1dB壓縮功率，所以該晶體管可以工作在其最大增益狀態(tài)Gmax=7dB。至少需要有3級。為使最后一級具有18dBm的輸出功率，第二級晶體管必須能夠提供=18dBm

7dBm=11dBm的功率輸出，這使BFG505被淘汰出候選名單。由于BFG540的功率容量大大超出了第二級的需要，所以選用BFG520。晶體管型號F（dB）Gmax（dB）

（dBm）BFG5051.9104BFG5201.9917BFG5402.0721因為=11dBm遠小于BFG520的1dB壓縮功率，其最大增益狀態(tài)將可達Gmax=9dB。由此可知，第一級晶體管必須具備的最小增益為G=13dB

9dB=4dB，最小輸出功率Pout1=11dBm

9dBm=2dBm。顯然，BFG505完全能夠勝任Pout1=2dBm，G1=4dB的任務。而放大器的輸入功率則為Pin=-2dBm。晶體管型號F（dB）Gmax（dB）

（dBm）BFG5051.9104BFG5201.9917BFG5402.0721根據(jù)放大器級聯(lián)的噪聲系數(shù)公式：顯而易見第一級的增益越高則放大器級聯(lián)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)越小。在此例中BFG505最多只能提供6dB的增益（在給定的Pin下），否則將進入飽和工作狀態(tài)。如果采用BFG520作為第一級，則可以避開這個問題。這樣我們可以使第一級提供最大的增益，第二級則提供足夠的功率去驅(qū)動輸出晶體管，還可以調(diào)整每一級的增益以使所有晶體管都不進入飽和狀態(tài)。放大器最終設計的原理框圖如圖所示，其中各級放大器的增益是根據(jù)上述討論結果選定的，這個放大器的噪聲系數(shù)預計為三級放大器的結構框圖微波寬帶放大器平衡式放大器反饋式放大器有源匹配式放大器電阻電抗匹配式放大器分布式放大器平衡式放大器組成：由兩個單級放大器與正交寬帶耦合器組成的單級平衡放大器優(yōu)點：輸入、輸出駐波好，噪聲系數(shù)好，輸出功率比單管放大器大3dB，動態(tài)范圍加大1倍，三階交調(diào)系數(shù)改善6dB。多用一只晶體管，總尺寸較大，且要求相位線性及交調(diào)特性，兩個器件要挑選配對，在MMIC中使用較多。反饋式放大器組成：在FET漏極和柵極之間加入RL串聯(lián)反饋電路。特點：改善放大器的輸入、輸出匹配，并且通過降低低頻端的增益改善了平坦度，可實現(xiàn)多個倍頻程的放大。用途：僅適用于低頻放大器。

有源匹配式放大器特點：用FET代替微帶線或電容和電感作匹配電路元件。組成：在放大器的輸入端加入一共柵FET電路，圖中MN是匹配網(wǎng)絡，而在放大器的輸出端則采用FET共漏極電路，以實現(xiàn)與50Ω匹配。用途：用于10GHz以上單片集成電路中。

電阻電抗匹配式放大器組成：電阻作為匹配網(wǎng)絡的一部分，設計時使電阻僅在低頻端吸收能量，而對高頻端盡可能少影響放大器的增益。特點：電路穩(wěn)定性好，但由于引入電阻性損耗會使放大器噪聲系數(shù)變壞。

分布式放大器把微波管的集中參數(shù)電容和電阻（輸入和輸出）分別吸收到傳輸線中，作為傳輸線集中參數(shù)等效電路中的一部分。由多條傳輸線和多個微波管構成分布式有損傳輸線，其中輸入線將各級FET的柵極相連，輸出線將各管漏極相連。各級之間聯(lián)線的相移和電阻值均不相同。只要傳輸線負載和傳輸線特性阻抗匹配，它就相當于無頻率限制的有損均勻傳輸線，使微波以行波方式在傳輸線中傳輸。輸入傳輸線和輸出傳輸線相位一致，正向波相位相同而疊加輸出，反相波相位不同部分抵消或被匹配負載吸收，就能使微波傳播過程中由微波管逐次放大，從而構成理論上無頻率限制的微波放大器。這種放大器的帶寬可達幾個倍頻程。微波晶體管放大器CAD工具簡介

CAD程序包特點：原理圖捕捉支持工具層次設計電路元件庫模擬控制優(yōu)化版圖存在多種不同類型的分析研究電路響應的模擬引擎常用的商業(yè)CAD軟件AgilentEEsofEDASeriesⅣAgilentEEsofEDAADSAWR公司的MicrowaveOffice2000Cadence公司的AnalogArtistOptotek公司的MMICADAgilent公司的Genesys

目前主要用仿真軟件來設計，用戶只需要輸入拓撲結構和初值（可任取）、器件參數(shù)、要求的特性等等，然后由軟件優(yōu)化。一般開始時用隨機優(yōu)化，然后用梯度優(yōu)化，最后用人工判斷設計結構的可實現(xiàn)性以及結果是否為最佳，有時需要人工進行調(diào)節(jié)

。

如果拓撲結構比較復雜，可能不易得到最佳結果，可以先分幾個部分優(yōu)化，最后合在一起優(yōu)化。比如先把偏置電路、每級等單獨優(yōu)化。

如果對某些頻率增益有特定要求，或者多個優(yōu)化目標的側(cè)重點不同（如噪聲系數(shù)、反射系數(shù)），可用加權系數(shù)來加重。單級放大器多級放大器優(yōu)化過程中的響應ADS軟件中對放大器進行仿真§3.6微波晶體管功率放大器著重要考慮的是輸出功率、效率、增益、交調(diào)產(chǎn)物和熱效應。要求：失真小、效率高、輸出功率大，其工作狀態(tài)和設計方法與要求增益最高的情況并不一致。放大器工作在非線性區(qū)，在晶體管的輸入端和輸出端看到的阻抗將與輸入功率電平有關，所以小信號近似通常將失效，此時必須求得晶體管的大信號S參量或阻抗以便得到合理的設計結果。

功率放大器的特性功率效率（也稱為集電極效率或漏極效率）：晶體管的射頻輸出功率與電源消耗功率之比，它表示功放把直流功率轉(zhuǎn)換成射頻功率的能力，但不反映它的功率放大能力。功率附加效率：能同時反映功放的效率與增益，相同功率效率而增益高的管子有較高的功率附加效率

功率壓縮當晶體管的輸入功率達到飽和狀態(tài)時，其增益開始下降，或者稱為壓縮。1dB(dBm)(dBm)動態(tài)范圍用和之差表示了放大器的線性放大區(qū)，其中為對應于最小可檢測輸入信號的輸出功率，其量值比輸出噪聲功率大XdB。在多數(shù)情況下，指標XdB取為3dB。交調(diào)失真交調(diào)失真對應于兩個以上的頻差不大的未調(diào)制信號輸入到一個放大器所產(chǎn)生的相應輸出，它是由于功放的非線性造成的。通常，輸出端口有用與無用功率（單位dBm）之差被定義為以dB為單位的交調(diào)失真，即放大器交調(diào)失真示意圖交調(diào)失真一般來說，若輸入l個信號，其角頻率分別是，，…，，由于功放的非線性作用，輸出分量中將包含許多混合分量：

m，n，…，p=0，1，2…

則各分量分別稱為（m+n+…+p）階交調(diào)分量。（m+p）階交調(diào)系數(shù)可以寫成：定義三階交調(diào)系數(shù)為式中，Pi和Pi+1是分別對應角頻率為和的基波信號輸出功率；P3是三階交調(diào)頻率處的三階交調(diào)功率；M