&5.3 BJT和FET的选择 选择依据取决于应用。
1）在射频接收机前端， 噪声系数和增益特别重 要： 陆上微波通信，与天 线直接的第一级放大器 必需用低噪声放大器 2) 而在其它场合，功率增 益和输出功率更重要。 噪声系数与频率关系
注意：增益有三种定义：最大功率增益（Gmax），最 佳噪声系数增益（ GNF）以及插入增益（ Gi）。 Gmax 一般在电路共轭匹配时得到。 GNF与 Gmax一般不等。 下图给出 SiGe HBT功率、功率附加效率、增益与输 入功率关系，因此选择器件满足增益指标时，注意所 用增益的定义。
第五章 射频放大器 (书中第五章、第十章)
电子科技大学 游长江
&5.1 射频二极管及电路模型
•Schottky二极管
当半导体材料与某些金属接触时，电子从半导体侧 向金属侧扩散形成的势垒称为“肖特基势垒”，形成 势垒的结构也叫“金-半结”。 “金-半结”也具有单 向导电特性。 Smaller junction capacitance!
f 10 1 K f fT
3
g m Rg Rs
场效应管一般高频等效
D G G RG Ri cgd gmvgs cgs RD D Rds cds
S
e
fT>>fS 时，可以简化等效为
G
Vi S Ii
S
gmVi
Rds
D
三、异质结双极晶体管(HBT)
HBT结构
异质结双极晶体管（HBT）最高工作频率已达 到 100GHz ；器件很小时，电流增益达到 10-20 ， 当基极线宽较大时，电流增益可到55。当集电极电 流 很 小 、 基 极 线 宽 0.15m 、 发 射 极 面 积 40m×100m时，电流增益可超过 3800。集电极 电流较大时，电流增益大于1500也已实现。
May used in RF and MW circuits
•Schottky二极管I-V特性
•Schottky二极管的电路模型
– DC model – Small signal AC model – Small signal RF model – Large signal RF model Small signal AC model
Output power (dBm) 33 29 25 21 17 13 9 5 70 60 50 40 30 20 10 0 PAE (%)
048121620 Input power (dBm)
HEMT、HBT目前达到的水平
＆5.4 放大器功能与主要技术指标
一、放大器功能
放大器功能主要是“放大”信号。在通 信系统中它主要的放大对象是信号电压， 电流或功率电平。针对不同的对象，对放 大器的性能要求各不相同。 放大器的另一种应用是进行阻抗匹配 （或转换），跟随器就是其中应用之一， 它可以视为增益为1的放大器。
四、高电子迁移率晶体管(HEMT)
高电子迁移率晶体管（high-electron mobility
transistor HEMT）。HEMT也叫TEGFET（twodimensional electron ）或异质结FET（HFET）。
其特点是:工作频率高,噪声性能好,功率容量大.
60GHz增益可达到11dB，90GHz时增益达到 6.2dB，典型NF在40GHz为1.8dB，62GHz时 2.6dB，发射极每mm2功率密度，10GHz时到2W， 输出功率电平达到4-6W。 为了减少渡越时间提高工作频率HEMT必须做 得很薄，要用离子注入、分子束外延、MOCVD 工艺制作。 RF放大管都可以用双端口S参数来描述！！ 请同学们对照前面相关内容即可.
•场效应晶体管工作特性
Operation in linear region
Operation in saturation region
Transfer characteristic
Output characteristic
•场效应晶体管工作区域
•场效应晶体管电路模型
gm表示跨导，cgs、cgd、cds分别表示栅源，栅漏、以 及衬垫电容。Rg、Rd、Rs、Rj和Rds分别表示栅、漏、 源、本征沟道和输出电阻，Ids表示漏源电流。Lg、Ld 和Ls分别表示栅、漏、源电极电感。
正偏压及微波信号共同作用下的PIN管
对于微波大信号，在信号负半周内由于正向偏置电 流为 I 层储存了大量的载流子，微波频率极高，在极 短的信号负半周内， I 层中的载流子能够立即构成幅 度足够的反向电流，管子仍然“导通”。
很小的正向偏流IF可以保证在微波大信号的整个周 期内PIN是导通的!!! PIN负偏压下,其I层中电荷储存近于零，在微波信 号正半周期内注入I层的载流子总量十分有限，远不足 以改变I层的高阻态，故管子处于截止状态。
为什么工程上要用分贝来表示 （1）增益很大时，其对数值较小 （2）对数对绝对值大小不敏感，但对变化 率敏感 （3）人耳对音响的听觉与强度呈对数关系 （4）多级放大器级联时增益计算方便，乘 变加。 （5）计算信号大小方便。
2.输入阻抗与输出阻抗
信 号 源 Rs Ii Ri Vs Vi 放大器 Vo Ro Io 负 载 RL
PIN管对微波信号的通断仅取决于幅度很小的 DC偏压极性，与微波信号的幅度无关，这是PIN管 的一个重要特点,是PIN用作微波电路开关的依据， 其优点是改变PIN管偏置电压的极性即可控制微波 电路的开关功能。
PIN二极管等效电路
管芯参量为I层电阻RJ，I层电 容CJ，串联电阻RS；管子封装参量 为引线电感LS，管壳电容CP。
3. 频率f 时最大可用增益
Gmax fT 4 f R Ri Rs Rg f T Ls 4f T C ds Ri Rs 2 Rg 2f T Ls s as
2 1
f每增加倍频程，增益降6dB，为了增加Gmax必须 提高fT，减小各种电阻以及源长度Ls。
Dynamic resistance depends on bias and is strongly temperature dependent
Small signal RF model
肖特基势垒二极管的等效电路含有随偏压变化的 势垒电阻RJ，势垒电容-结电容CJ，由半导体材料 体电阻与接触电阻组合的串联电阻RS，引线电感Ls 和封装电容Cs.
在正偏压之下，PIN管势垒降低以至消失。P+、N+ 层中载流子向I层扩散，形成正向通路。空穴、电子从 注入I层到复合消失，I层处于低阻态。正偏压愈大， 正向电流愈大，I层乃至整个PIN管电阻愈小。 3. DC偏压和微波信号同时作用下的PIN管特性 PIN管在正、负偏压下的电阻变化与一般PN结管没 大区别，其对直流、低频有单向导电性。显然，在正 偏压下，PIN管对微波小信号始终导通。
Metal semiconductor FET (MISFET)
• 常见场效应晶体管
• Si 场效应晶体管 GaAs 场效应晶体管 InP 场效应晶体管 SiC场效应晶体管 GaN 场效应晶体管 MESFET(肖特基势垒晶体管)是微波场效应器件中 用得最多的器件,其用外延法生长的有源层是掺杂硫 或锡离子的N型GaAs，栅电极用蒸发铝得到，源和漏 是金-锗合金。 GaAs场效应晶体管（GaAs FET）截止频率比硅双 极晶体管截止频率要高，噪声系数低，其广泛用于 LNA, PA, 振荡器，RFIC/MMIC，超高速A/D变换器，高速逻 辑器件。
4. 最小噪声系数
NFmin 1 2K f fCgs
Rg Rs gm
为了减小管子的噪声，应减小栅、源电阻和提高截 止频率。 上面各式中，vs表示饱和速度（1.2107cm/s在 300K，砷化镓），L是栅长，单位m，Kf2.5， K10.27。
1 K1Lf g m Rg Rs
•场效应晶体管主要参量
1.截止频率: 电流增益为 1 时的工作频率 gm vs fT 2C gs 2L 2. 最大振荡频率:（最大可用增益0dB频率） fT f max 2 r1 f T 3
r1 Rg Ri Rs Rds , 3 2 Rg Cdg
增大fmax，应减小栅极、本征体、源极电阻，增加衬垫 电阻Rds，同时减小漏栅之间电容
III.要求输出功率稳定（RL变化），Ro=RL 通常的射频放大器不加说明时有：
Ro RL 50
3.频率响应范围
二、放大器主要技术指标
1.增益
信 号 源
Ii Vi
放 大 器
Io 负 载 Vo
电压增益 电流增益
Vo GV Vi
Vo 或 GV 20 lg (dB) Vi
Io Gi Ii
或
Io Gi 20lg (dB) Ii
功率增益
Po Po Vo I o Gp GV Gi 或 G p 10lg (dB) Pi Pi Vi I i
一、晶体三极管的高频等效(续)
b
βIi c
Ri R0
e
由
vbe r b e
g m vbe
gm

r be
二、场效应晶体管
场效应晶体管基于改变沟道中电场从而改变沟 导的电导率而工作的.
Metal insulator semiconductor FET (MISFET)
Junction Field Effect Transistors (JEFT)
PIN二极管在正偏压/负偏压之下的等效电路
正偏压
负偏压
PIN二极管应用
Attenuating, Switching, Modulating, Limiting, Phase shifting
Attenuator
Switching
右图是用于移动通信的 智能天线，工作于2.4GHz， 它是制作在印刷电路板上的 相互垂直的两个半波偶极子 天线。偶极子天线辐射场与 天线轴垂直方向辐射最强， 沿轴方向辐射最小。天线的 “智能”体现在根据需要切 换天线工作模式（天线 1 工 作或天线 2 工作），天线的 切换就是用PIN管实现的。 PIN管控制的智能天线