1、1 1第二章 微波小信号(低噪声)放大电路第二章 微波小信号(低噪声)放大电路2.1微波晶体管简介2.2微波晶体管小信号建模2.3微波小信号放大器性能分析2.4微波晶体管放大器匹配网络拓扑结构的选择 方法与直流偏置电路2.5微波小信号放大器的设计2.6 微波小信号宽带放大器电路的设计方法简介2.7其它类型微波小信号宽带放大器电路的设计2.8微波集成电路(MIC)简介2 2第二章 微波小信号(低噪声)放大电路根据给定的技术指标选定晶体管时，要对器件的模型和特性进行分析；设计输入输出匹配网络时，要对微波网络进行分析和综合；最后对整个放大器进行性能最优化，方可得到最佳的设计结果。其主要步骤如下：1.
2、器件模型的建立2.匹配网络的分析和综合3.直流偏置电路的设计4.放大器整体性能的优化3 3第二章 微波小信号(低噪声)放大电路2.1微波晶体管简介微波晶体管是现代射频和微波系统中的关键器件，可以用来设计制作微波放大器、微波振荡器、微波开关、微波相移器和有源滤波器等。微波晶体管可分为结型晶体管和场效应晶体管。4 4第二章 微波小信号(低噪声)放大电路5 5第二章 微波小信号(低噪声)放大电路2.1.1微波双极晶体管(BJT)1.微波双极晶体管的结构微波双极晶体管是一种PN结器件，如图2-1所示，它是由背靠背的结所构成。由于它是一个三端器件，所以它即可以是PNP型，也可以是NPN型。对于微波应用而
3、言，优先选用NPN型，这是因为器件的工作依赖于少数载流子穿越基极区的扩散能力，而电子通常具有比空穴好得多的迁移特性，所以选用NPN结构。其工作原理与PN结型晶体三极管一样，这里就不再介绍了。6 6第二章 微波小信号(低噪声)放大电路图2-1硅NPN型双极晶体管(a)剖视图；(b)顶视图7 7第二章 微波小信号(低噪声)放大电路2.微波双极晶体管的主要特性参数表征微波晶体管性能的参数有很多种，其主要参数如下：1)静态电流增益电流增益有两种定义的形式，其一是静态共基极电流增益，用表示，其定义为(2-1)值是小于1的，对于优良的晶体管其值可达到0.99或者更高。8 8第二章 微波小信号(低噪声)放大
4、电路另一定义为静态共发射极电流增益，用表示，其定义为(2-2)它反映出晶体管电流放大的能力。根据晶体管的工作原理得知9 9第二章 微波小信号(低噪声)放大电路2)特征频率fT晶体管的载流子从发射极渡越到集电极是需要时间的，这个时间称为延迟时间。当工作频率比较高时，延迟时间与信号的周期相比已显得很长了，这时输出的电流与输入电流出现了相位差。当工作频率进一步提高时，载流子在基区中运动而尚未达到集电极构成集电极电流时，加在输入端的交变信号的大小和方向就改变了，因而就造成载流子运动的混乱现象，使得电流放大系数下降。工作频率越高，电流放大系数下降的就越厉害。1010第二章 微波小信号(低噪声)放大电路由
5、此可见，电流放大系数具有一定的频率特性，通常用特征频率fT来表示电流放大系数的频率特性。其定义为，在共发射极电路中，电流放大系数等于1时，所对应的频率称为特征频率。(2-3)1111第二章 微波小信号(低噪声)放大电路3)最大振荡频率fmax最大振荡频率反映了晶体管最大的振荡频率，其定义为，在共发射极电路中，功率放大倍数等于1时，所对应的频率称为最大振荡频率。经分析晶体管单向最大资用功率增益可以近似表示为式中：RB为基区体电阻，CC为集电极势垒电容。当G=1时，所对应的频率为最高振荡频率fmax，即1212第二章 微波小信号(低噪声)放大电路4)晶体管的直流伏安特性曲线对于双极晶体管有三种连接
6、方式，即共发射极电路、共基极电路、共集电极电路，每一种连接方式都有各自的输入端和输出端，输入端与公共端之间的电压与电流之间的关系称为输入特性。输出端与公共端之间的电压与电流之间的关系称为输出特性。这些特性用曲线的形式表示，称为特性曲线，或称为伏安特性曲线。它在设计放大器时选择工作点或在大信号建模时是十分有用的。图2-2给出共发射极的输入、输出特性曲线。1313第二章 微波小信号(低噪声)放大电路图2-2共发射极输入和输出特性曲线(a)输入特性曲线；(b)输出特性曲线1414第二章 微波小信号(低噪声)放大电路5)微波晶体管的散射参数(即S参数)该参数表征微波晶体管在微波频段的特性，S11表示输
7、出端口匹配时，输入端口的反射系数，S22表示输入端口匹配时，输出端口的反射系数，S21表示输出端口匹配时，输入端口向输出端口的传输系数，即是归一化入射波的放大倍数，S12表示输入端口匹配时，输出端口向输入端口的传输系数，即是输出端口向输入端口的反馈系数。该参数可以使用矢量网络分析仪测量获得。1515第二章 微波小信号(低噪声)放大电路3.微波晶体管的噪声特性 在晶体管内，载流子的不规则运动引起不规则变化的电流起伏，因而产生不规则变化的电压起伏，这种不规则变化的电流和电压形成晶体管的噪声。晶体管噪声是晶体管的重要参数。1616第二章 微波小信号(低噪声)放大电路在微波晶体管噪声分析中常常用三个噪
8、声源来表示微波晶体管的噪声。晶体管的热噪声用一个电压源来表示，即基极电流的散弹噪声可用一个电流源来表示，即集电极电流的散弹噪声也可用一个电流源来表示，即利用晶体管共发射极噪声等效电路可以导出晶体管最小噪声系数，其表达式为(2-5)式中1717第二章 微波小信号(低噪声)放大电路图2-3给出了微波双极晶体管最小噪声系数与集电极电流的关系曲线。对于小信号低噪声微波双极晶体管最佳集电极电流为1 mA3 mA。1818第二章 微波小信号(低噪声)放大电路图2-3最小噪声系数与集电极电流关系1919第二章 微波小信号(低噪声)放大电路4.微波晶体管的等效电路模型根据微波双极晶体管的物理结构可以导出它的等
9、效电路模型。Ebers-Moll模型通常被看成是微波双极晶体管的基本模型，图2-4给出了以共基极和共发射极两种结构的等效电路模型。该基本模型由两个背靠背的二极管与电流源并联组成。2020第二章 微波小信号(低噪声)放大电路图2-4共基极和共发射极两种结构微波双极晶体管的等效电路模型(a)共基极；(b)共发射极2121第二章 微波小信号(低噪声)放大电路2.1.2微波异质结双极晶体管(HBT)1.异质结双极晶体管的基本原理AlGaAs/GaAs异质结双极晶体管结构如图2-5所示。发射极采用轻掺杂、宽带隙的AlGaAs材料，基极采用重掺杂较窄带隙的GaAs材料，而集电极则采用GaAs或较宽带隙材料
10、。这种异质结结构和特殊的工艺，大大减小了普通双极晶体管存在的渡越时间效应，从而提高了它的工作频率上限，降低了1/f噪声。2222第二章 微波小信号(低噪声)放大电路图2-5异质结双极晶体管(HBT)横截面示意图2323第二章 微波小信号(低噪声)放大电路2.异质结双极晶体管的主要性能参数1)异质结双极晶体管的直流放大系数分析表明，HBT的直流放大系数与其物理参数之间的关系为(2-6)2424第二章 微波小信号(低噪声)放大电路2)HBT特征频率和最高振荡频率图2-6给出了HBT的共发射极基本等效电路。特征频率为(2-7)最高振荡频率为(2-8)2525第二章 微波小信号(低噪声)放大电路图2-
11、6异质结双极晶体管基本等效电路2626第二章 微波小信号(低噪声)放大电路2.1.3微波场效应晶体管(FET)1.微波场效应管的种类和工作原理与结构1)微波结型场效应管(JFET)微波结型场效应管的结构示意图如图2-7所示。2727第二章 微波小信号(低噪声)放大电路图2-7结型场效应管(JFET)结构示意图2828第二章 微波小信号(低噪声)放大电路结型场效应管的基本工作原理是利用栅极上的电压产生可变电场来控制源、漏之间的电流，是一种电压控制器件。栅极电压的变化使栅结的空间电荷层的宽度发生变化，由于栅结形成的P+N在反向偏置电压控制下，P+N空间电荷层向N型半导体内扩展，P+N结的反向偏置电
12、压越高，两个空间电荷层之间的N沟道就越窄，流过源-漏间的电流也就越小，当反相偏置电压的数值等于UT时，两个空间电荷层相交，则沟道宽度等于零，此时源-漏之间的电流等于零，此时称为夹断状态，UT称为夹断电压。源-漏电流与漏压、栅压的关系称为输出特性曲线，如图2-8所示。2929第二章 微波小信号(低噪声)放大电路图2-8结型场效应管的输出特性曲线3030第二章 微波小信号(低噪声)放大电路2)金属氧化物场效应管(MOSFET)金属氧化物场效应管(MOSFET)的结构示意图如图2-9所示。在P型半导体基片上形成两个条状的N+区，N+区和P型基片形成N+P结，在两个N+区之间的P型基片上生长一层氧化层
13、，在两个N+区和氧化层上再沉积一层金属形成三个电极，分别为源极(S)、漏极(D)、栅极(G)。3131第二章 微波小信号(低噪声)放大电路 图2-9金属氧化物场效应管(MOSFET)结构示意图3232第二章 微波小信号(低噪声)放大电路根据半导体材料和工艺过程的不同，它可以构成增强型MOSFET和耗尽型MOSFET。所谓增强型MOSFET，是指UGS=0时，晶体管处于夹断状态(无沟道存在，IDS=0)的MOS晶体管。增强型是指随着UGS的增加，流过沟道的电流也随之增强。所谓耗尽型MOSFET，是指UGS=0时，晶体管就处于开通状态的MOS晶体管。增强型MOSFET和耗尽型MOSFET都可以有N
14、沟道和P沟道两种类型。图2-10 给出MOSFET的输出特性曲线。3333第二章 微波小信号(低噪声)放大电路图2-10MOSFET的输出特性曲线3434第二章 微波小信号(低噪声)放大电路3)微波金属-半导体场效应晶体管(MESFET)和异质结场效应管金属-半导体场效应晶体管(MESFET)的结构示意图如图2-11所示。金属-半导体场效应晶体管(MESFET)采用高电阻率的本征GaAl材料作为衬底，在衬底上生长一层N型外延层，称为沟道。在沟道上方制作源极、栅极和漏极，使栅极形成肖特基势垒，源极和漏极称为欧姆接触。3535第二章 微波小信号(低噪声)放大电路图2-11金属半导体场效应晶体管(M
15、ESFET)的结构示意图3636第二章 微波小信号(低噪声)放大电路由图2-12可以看出，在PHEMT结构中，增加了一个InGaAs薄层介于在不掺杂AlGaAs 隔离层和不掺杂GaAs缓冲层之间，因而在AlGaAs隔离层和InGaAs沟道层之间形成的二维电子气中电子具有更高的迁移速率，而且可被外界栅压所调制，因此PHEMT的微波特性更优于HEMT。3737第二章 微波小信号(低噪声)放大电路图2-12HEMT和PHEMT器件物理结构示意图(a)HEMT；(b)PHEMT3838第二章 微波小信号(低噪声)放大电路二维电子气是HEMT(包括PHEMT)器件中载流子的主要存在形式，和MESFET相
16、比，HEMT器件有以下几方面的优势：(1)高的电子迁移率。在常温下，HEMT的电子迁移率通常是MESFET的两倍，在液氮温度下，可以达到100倍以上。(2)HEMT材料中达到饱和速度的临界场强比MESFET小，因此更适合于低电压工作。(3)HEMT沟道层薄，短沟道现象不严重，利于制作用于毫米波频段的纳米栅。3939第二章 微波小信号(低噪声)放大电路2.微波场效应晶体管的主要性能参数 1)微波场效应晶体管的特征频率特征频率fT是共源电路在电流放大系数等于1时所对应的频率。为了分析方便，忽略了一些较小的参数，可得(2-9)4040第二章 微波小信号(低噪声)放大电路2)微波场效应晶体管的噪声特性
17、对于本征场效应管的噪声来源主要有两个，一个是沟道热噪声，它是由于沟道中导电部分的电阻产生的。另一个感应栅噪声，它与前者有关，是沟道中产生的起伏噪声电压在栅极上感应的噪声。这两种噪声就其本质来讲都是热噪声。在其噪声等效电路中可用两个噪声电流源来表示，一个是另一个是式中P和R是与直流有关的因子。其最小的噪声系数为(2-10)4141第二章 微波小信号(低噪声)放大电路3.微波场效应晶体管的等效电路模型图2-13(a)是立体结构图，图2-13(b)为等效电路模型。等效电路模型元件大体可以分为两类：一类是与偏置相关的本征元件，如跨导gm、漏极输出电阻RDS、本征沟道电阻Ri、栅极源极间本征电容CGS、
18、栅极漏极间本征电容CGD、漏极源极间本征电容CDS、时间延迟常数。另一类是与偏置无关的寄生元件，如栅极引线寄生电感LG、源极引线寄生电感LS、漏极引线寄生电感LD、栅极源极间寄生封装电容CPG、漏极源极间寄生封装电容CPD、栅极漏极间寄生封装电容CPGD、分布栅极寄生电阻RG、漏极寄生电阻RD、源极寄生电阻RS。4242第二章 微波小信号(低噪声)放大电路图2-13场效应晶体管结构示意图和小信号等效电路模型(a)场效应晶体管结构示意图；(b)小信号等效电路模型4343第二章 微波小信号(低噪声)放大电路 2.2微波晶体管小信号建模2.2.1基于小信号散射参数的建模方法根据MESFET场效应晶体
19、管结构示意图，我们可以获得MESFET器件小信号基本的等效电路模型，图2-14显示出小信号等效电路模型。确定晶体管小信号等效电路模型以及确定等效电路元件数值的过程，就是建模过程。4444第二章 微波小信号(低噪声)放大电路图2-14场效应晶体管小信号等效电路模型4545第二章 微波小信号(低噪声)放大电路1.模型参数的计算方法(1)图2-14中虚线方框表示为本征半导体等效电路模型，首先将本征半导体等效电路模型看成两端口网络，如图2-15所示，利用端口短路法来求出其两端口导纳矩阵。4646第二章 微波小信号(低噪声)放大电路图2-15场效应晶体管本征半导体等效电路模型4747第二章 微波小信号(
20、低噪声)放大电路本征半导体模型的导纳矩阵为(2-11)4848第二章 微波小信号(低噪声)放大电路(2)将RS和LS的串联电路也看成一个两端口网络，如图2-16(a)所示，它与本征半导体网络是网络串联，如图12-16(b)所示。所以先求出图2-16(a)电路的阻抗参数矩阵，然后将本征半导体网络的导纳参数矩阵转换为阻抗参数矩阵，网络串联后总的阻抗参数矩阵等于两个阻抗参数矩阵之和。4949第二章 微波小信号(低噪声)放大电路图12-16(a)的阻抗参数矩阵和本征半导体网络的阻抗参数矩阵分别为网络串联后总的阻抗参数矩阵为 (2-12)5050第二章 微波小信号(低噪声)放大电路图2-16场效应晶体管
21、本征半导体网络与RSLS网络串联示意图5151第二章 微波小信号(低噪声)放大电路(3)将LG、RG、CPG组成的型网络和LD、RD、CPD组成的反型网络与串联后的总网络是级联关系，如图2-17所示，所以采用转移参数矩阵来进行计算。先求出LG、RG、CPG组成的型网络的转移参数矩阵AG和LD、RD、CPD组成的反型网络的转移参数矩阵AD，再将串联后的总网络的阻抗矩阵Zt转换为At，则级联后的转移参数矩阵AJ为(2-13)5252第二章 微波小信号(低噪声)放大电路图2-17场效应晶体管串联后网络与寄生参数网络的级联示意图5353第二章 微波小信号(低噪声)放大电路(4)反馈元件CPGD所组成的
22、网络与级联后的网络是网络并联关系。参见图2-18。网络并联采用导纳参数最为方便，所以先求出反馈元件所组成的网络的导纳参数矩阵YF，再将级联后的转移参数矩阵AJ转化成导纳参数矩阵YJ，则并联后总的导纳参数矩阵Y也就是晶体管小信号等效电路模型的导纳参数矩阵为(2-14)5454第二章 微波小信号(低噪声)放大电路图2-18场效应晶体管级联后网络与反馈参数网络的并联示意图5555第二章 微波小信号(低噪声)放大电路(5)将晶体管小信号等效电路模型的导纳参数矩阵Y对50 归一化，得到归一化的导纳参数矩阵y，然后利用归一化的导纳参数矩阵与散射参数矩阵的关系，将归一化导纳参数矩阵转化成散射参数矩阵S。56
23、56第二章 微波小信号(低噪声)放大电路2.网络参数灵敏度分析网络灵敏度分析用来衡量电路中的元件参数变化对网络参数的影响程度。我们将给出网络参数灵敏度分析的基本概念，而具体计算方法需要时可参考其它文献资料。设某一网络参数S是某一元件值x的函数，即S=S(x)，则S对x的灵敏度定义为(2-15)5757第二章 微波小信号(低噪声)放大电路上式中S表示灵敏度，上标的S表示某一网络参数，下标x表示某一元件值。如电压传输系数T对某一元件值x的灵敏度为(2-16)再如电路传输衰减L对某一元件值x的灵敏度为(2-17)5858第二章 微波小信号(低噪声)放大电路若电压传输系数T为复数，即T=|T|ej，则
24、T对某一元件值x 的灵敏度为 (2-18)再如功率增益G对某一元件值x的灵敏度为 (2-19)5959第二章 微波小信号(低噪声)放大电路用分贝数表示功率增益灵敏度时 (2-20)微波电路特性的函数表示式一般都比较复杂，变量也很多，可以利用下面的基本关系式来简化灵敏度的计算。6060第二章 微波小信号(低噪声)放大电路(1)两个函数乘积的灵敏度等于两个函数自身灵敏度之和，即(2-21)证明：6161第二章 微波小信号(低噪声)放大电路(2)两个函数相除的灵敏度等于两个函数自身灵敏度之差(以下证明从略)，即(2-22)(3)函数乘以k倍时，其灵敏度保持不变，即(2-23)(4)函数的k次方的灵敏
25、度等于函数自身的灵敏度的k倍，即(2-24)6262第二章 微波小信号(低噪声)放大电路(5)函数加上常数的灵敏度为(2-25)(6)函数倒数的灵敏度等于函数灵敏度的负值，即(2-26)(7)函数对变量的倒数的灵敏度为(2-27)6363第二章 微波小信号(低噪声)放大电路(8)以e为底的指数函数的灵敏度为(2-28)(9)复合函数的灵敏度为(2-29)6464第二章 微波小信号(低噪声)放大电路3.建立目标函数F(xi)使得目标函数取最小值，即可获得模型参数。目标函数建立的方法有很多种，现给出一种建立目标函数的方法，即取(2-30)6565第二章 微波小信号(低噪声)放大电路4.优化方法的选
26、取 作为例子我们采用遗传算法对低噪声场效应管NE32584(UDS2 V，IDS10 mA)小信号等效电路模型(如图2-19所示)参数进行优化，其结果如表2-2所示。表2-2给出在这个频段内S参数的测量值和模拟值的对比结果。表2-3给出了等效电路模型参数值。6666第二章 微波小信号(低噪声)放大电路图2-19NE32584等效电路模型6767第二章 微波小信号(低噪声)放大电路6868第二章 微波小信号(低噪声)放大电路6969第二章 微波小信号(低噪声)放大电路2.2.2基于不同条件下测量值的建模方法半导体器件模型是影响电路设计精度的最主要因素。电路的规模越大，技术指标和频段越高，对器件的
27、模型要求也就越高。准确的半导体器件模型对于提高微波单片设计的成功率、缩短电路的研制周期，是非常重要的。场效应晶体管小信号等效电路模型是在对器件的物理机制和物理结构的理解基础上提出的，图2-20给出了高电子迁移率晶体管(HEMT)小信号等效电路模型。7070第二章 微波小信号(低噪声)放大电路图2-20HEMT小信号等效电路模型7171第二章 微波小信号(低噪声)放大电路如何准确提取等效电路中的各元件值，对于模型建立是至关重要的。对于元件提取大致上可以分为寄生电容的提取、寄生电感的提取、寄生电阻的提取、本征元件的提取等四个步骤。每一个步骤又有许多方法可以采用，可根据具体的情况和所具有的测试夹具来
28、选择。7272第二章 微波小信号(低噪声)放大电路(1)寄生电容的提取方法之一是可以采用在截止状态(对应于偏置为UDS=0、UGS0的情况)下的等效电路模型，如图2-21 所示，电容CB表示由于耗尽层的延伸造成的栅极边缘电容，在低频的情况下，寄生电感和电阻可以忽略不计，通过测量所对应的散射参数，从而转换成导纳参数，由器件在截止状态下的物理结构模型可以得出(2-31)是在截止状态下的非归一化的导纳参数。7373第二章 微波小信号(低噪声)放大电路图2-21截止状态下的等效电路模型7474第二章 微波小信号(低噪声)放大电路(2)寄生电感的提取方法之一是可以采用在正向偏置COLD-FET状态(对应
29、于偏置为UDS=0、UGS0、正向栅极电流一般设置为0.07 mA/m0.1 mA/m的情况)下，器件的跨导近似为零，有源器件呈现无源网络，即gm=0，CGS=CGD=CDS=07575第二章 微波小信号(低噪声)放大电路相应的等效电路模型如图2-22所示，测量所对应的散射参数，再转换成阻抗参数。由等效电路模型可以得出(2-32)是在正向偏置COLD-FET状态下的非归一化的阻抗参数。7676第二章 微波小信号(低噪声)放大电路图2-22正向偏置COLD-FET状态下的等效电路模型7777第二章 微波小信号(低噪声)放大电路(3)寄生电阻的提取方法之一是在器件不加任何偏置的情况(称为无偏置的情
30、况)(此时等效电路的模型如图2-23所示)下，测量出此时的散射参数，然后转换成阻抗参数。7878第二章 微波小信号(低噪声)放大电路图2-23无偏置情况下的等效电路模型7979第二章 微波小信号(低噪声)放大电路由等效电路模型可以求出阻抗参数为(2-33)8080第二章 微波小信号(低噪声)放大电路阻抗参数的实部可以表示为 (2-34)利用在截止条件下的阻抗参数可得 (2-35)8181第二章 微波小信号(低噪声)放大电路根据上述方程可以求解出全部的寄生电阻。式中是在截止条件下的非归一化的阻抗参数。是在无偏置的情况下非归一化的阻抗参数。(4)本征元件的提取方法之一是消去所有寄生元件的影响，测量
31、出此时的散射参数，再转换为导纳参数，即可计算出本征元件值。8282第二章 微波小信号(低噪声)放大电路 2.3微波小信号放大器性能分析2.3.1微波小信号放大器的功率增益图2-24表示计算微波晶体管功率增益的两端口网络，图中a0表示信号源输出的入射波，由图可以得到如下的表达式(2-36)8383第二章 微波小信号(低噪声)放大电路图2-24微波晶体管两端口网络8484第二章 微波小信号(低噪声)放大电路晶体管的S参数可以写成如下形式(2-37)由上两式可得8585第二章 微波小信号(低噪声)放大电路在图2-24中，网络的输入功率和负载吸收的功率为8686第二章 微波小信号(低噪声)放大电路(1
32、)工作功率增益GP。其定义为负载所吸收的功率PL与输入功率Pin之比，即(2-38)8787第二章 微波小信号(低噪声)放大电路(2)转换功率增益Gt。其定义为负载所吸收的功率PL与信号源输出的资用功率Pa之比。信号源输出的资用功率Pa就是信号源最大的输出功率，也就是满足的条件时网络的输入功率，即(2-39)8888第二章 微波小信号(低噪声)放大电路(3)资用功率增益Ga。其定义为负载所吸收的资用功率PLa与信号源输出的资用功率Pa之比。负载所吸收的资用功率PLa就是负载吸收的最大功率，也就是满足的条件时网络的输出功率，即满足 条件下的转换功率增益(2-40)8989第二章 微波小信号(低噪
33、声)放大电路(4)插入功率增益Gin。它就是无反射时的功率增益，即G=0，L=0时的功率增益(2-41)该增益反映了晶体管本身的特性，但是它不是晶体管放大器的最大增益，只有当和时才能获得最大增益。9090第二章 微波小信号(低噪声)放大电路如某一放大器所使用晶体管的散射参数为S11=0.370,S21=3.585，S12=0.210，S22=0.445，G=0.111，L=0.187。其功率增益为工作功率增益：9191第二章 微波小信号(低噪声)放大电路转换功率增益：资用功率增益：9292第二章 微波小信号(低噪声)放大电路2.3.2微波小信号放大器的相位与时延在求解图2-24的两端口网络的转
34、移功率增益时可以得到Gt=|S21|2，这时S21可定义为转移功率增益函数。在求解图2-24的两端口网络的插入功率增益时可以得到Gin=|S21|2，这时S21可定义为插入功率增益函数。对于这些增益函数用S表示，它是网络各元件值和频率的函数，可以写成S=S(X，)(2-42)9393第二章 微波小信号(低噪声)放大电路式中X=(x1，x2，xn)1是电路参数变量的矢量。增益函数还可以用模和相角来表示，即S=|S|ej(2-43)这里是两端口网络的传输相位，对于转移增益函数，称其为转移相位，对于插入增益函数，称其为插入相位。9494第二章 微波小信号(低噪声)放大电路当网络元件值不变时，相位随着
35、频率的变化称为时延，即时延D()可表示为(2-44)在无失真系统中，要求D()不随频率变化，即相位与频率成线性关系。时延D()可用数值差分的方法来计算，即(2-45)式中：是很小的频率增量，也称为步长，()2为高阶无穷小量。9595第二章 微波小信号(低噪声)放大电路2.3.3微波小信号放大器的稳定性及其判别准则设计微波晶体管放大器就是根据所选择的微波晶体管的S参数设计输入匹配网络和输出匹配网络，如图2-25所示，所设计的电路必须保证能稳定地工作，不产生自激振荡，并远离自激振荡状态。9696第二章 微波小信号(低噪声)放大电路图2-25微波晶体管放大器示意图9797第二章 微波小信号(低噪声)
36、放大电路大家知道输入匹配网络的反射系数G的模和输出匹配网络的反射系数L的模都小于或等于1，而放大器输入端的反射系数in和放大器输出端的反射系数out为(2-46)9898第二章 微波小信号(低噪声)放大电路由上式可以看出，要保证微波放大器稳定地工作，就是要设计输入匹配网络的反射系数G和输出匹配网络的反射系数L，使得|in|1和|out|1，这样就能保证微波放大器稳定地工作。大家知道|in|1或|out|1，是在in平面上或out平面上一个单位圆内，如图2-26所示。9999第二章 微波小信号(低噪声)放大电路图2-26输入反射系数复平面和输出反射系数复平面100100第二章 微波小信号(低噪声
37、)放大电路现在研究输入匹配网络的反射系数G与out的关系和输出匹配网络的反射系数L与in的关系。由式(2-46)可以看出G与out的关系和L与in的关系是一样的，因此只研究一个关系式就可以了。由式(2-46)得知(2-47)101101第二章 微波小信号(低噪声)放大电路由上式可求出L102102第二章 微波小信号(低噪声)放大电路(2-48)103103第二章 微波小信号(低噪声)放大电路式中：(2-49)104104第二章 微波小信号(低噪声)放大电路也就是说，如果选择L=0，要保证|in|1就必须使得网络的|S11|0。由(2-50)式可知，此时|2r2，因此L平面的原点在稳定圆外，如图
38、2-27(a)和图2-27(b)所示，所以稳定圆外是稳定区域，稳定圆内是不稳定区域。要使L平面上的单位圆内全部是稳定区域，就要使稳定圆与L平面上的单位圆不相交，这就是图2-27(a)所示的情况，由图可见|r1，因此|2(r+1)2，把(2-50)式代入可得107107第二章 微波小信号(低噪声)放大电路将上式整理后可得(2-51)108108第二章 微波小信号(低噪声)放大电路(2)|S22|2|20。由(2-50)式可知，此时|21。109109第二章 微波小信号(低噪声)放大电路对图2-27(d)所示的情况，同样可求得|2(r1)2，将(2-50)代入此式110110第二章 微波小信号(低
39、噪声)放大电路由于|S22|2|21和|S11|1和|S22|1。综上所述，晶体管两端口网络绝对稳定条件是(2-53)114114第二章 微波小信号(低噪声)放大电路2.3.4微波小信号放大器的噪声系数1.噪声的来源 在电子器件中载流子的无规则运动所产生的电流或电压是随机变化的，它的平均值为零，但是可以用概率密度来表述。这种信号称之为噪声(noise)。115115第二章 微波小信号(低噪声)放大电路在电子器件中存在多种产生噪声的机制，其主要的有如下的三种：(1)热噪声(thermal noise)。这是最基本的噪声形式，其产生的机理是由于载流子不规则的运动产生的热效应引起的。在大多数电子电路
40、中热噪声占主导作用，所以热噪声是非常重要的，为此我们将进一步叙述。1927年约翰逊(Johnson)和奈奎斯特(Nyquist)对在温度为T的情况下，电阻R由于载流子不规则的热运动而产生的噪声功率为 Pn=kTB (2-54)116116第二章 微波小信号(低噪声)放大电路其中T为绝对温度(单位为K)，k为波尔兹曼(Boltzmann)常数，k=1.381023 J/K，B是测量系统的噪声带宽，用戴维宁(Thevenin)等效电路代替有噪声的电阻，如图2-28所示。由图可见，等效电路由一个等效噪声电压源和一个无噪声电阻串联而成。该噪声源可以提供最大噪声电压输出，其输出功率为Pn=kTB，则11
41、7117第二章 微波小信号(低噪声)放大电路图2-28电阻热噪声的等效电路(a)有噪声的电阻；(b)有噪声的电阻等效为无噪声电阻和噪声电压源；(c)有噪声的电阻等效为无噪声电导和噪声电流源118118第二章 微波小信号(低噪声)放大电路噪声电压的均方值为也可以用噪声电流的均方值来表示还可以采用噪声电压功率谱密度来表示119119第二章 微波小信号(低噪声)放大电路(2)散弹噪声(shot noise)。在电子器件中，电流流动时由于载流子运动的起伏而产生的噪声，其大小与电流成正比。散弹噪声的电流均方值由下式给出(2-55)120120第二章 微波小信号(低噪声)放大电路(3)闪烁噪声(flick
42、er noise)。发生在工作于低频下的电子器件中，其噪声功率的大小随频率的升高而降低，该噪声产生的机理目前尚不明确。因为闪烁噪声功率与频率的变化成反比，所以常常称为1/f噪声。由于它在低频才显示出其影响，因此在微波放大器中不考虑它的影响，但是在微波振荡器中必须考虑它的影响，因为它直接影响微波振荡器的相位噪声。121121第二章 微波小信号(低噪声)放大电路在双极晶体管(BJT)中，一般用三个噪声源来表示晶体管的噪声，表示热噪声，表示基极电流的散弹噪声，表示集电极电流的散弹噪声。在frL，根号内的值为正的且大于xG，为了保证b1为正值，所以要取正号，将rG、xG、rL、xL的值代入，可得b1=
43、0.6399，x2=1.0814。则150150第二章 微波小信号(低噪声)放大电路2.采用Smith导抗圆图方法所谓的Smith导抗圆图就是把Smith阻抗圆图和导纳圆图放在一起，如图2-34所示，在圆图上的任意一点，归一化的阻抗和导纳可以同时读出，同时避免了阻抗与导纳之间的转换，这样使用就很方便。利用串联一个电抗是沿着等电阻圆变化，并联一个电纳是沿着等电导圆变化的规律来设计串联电抗值和并联电纳值。151151第二章 微波小信号(低噪声)放大电路图2-34Smith导抗圆图示意图152152第二章 微波小信号(低噪声)放大电路采用这种方法可以设计实现图2-33所示的任何一种匹配网络，实现最佳
44、功率传输的常规设计程序应该包括以下六个步骤：(1)求出归一化源阻抗和负载阻抗的共轭值，并把它标注在Smith导抗圆图上。(2)在Smith导抗圆图上过源阻抗点画出等电阻圆和等电导圆。(3)在Smith导抗圆图上过负载阻抗共轭点画出等电阻圆和等电导圆。(4)找出第二步和第三步所画圆的交点，交点的个数就是可能存在的形匹配网络的数目。153153第二章 微波小信号(低噪声)放大电路(5)先沿着相应的圆将源阻抗点移动到上述交点上，然后再沿相应的圆移动到负载共轭点上，根据这两次移动的过程就可以求出电抗和电纳的归一化值。(6)根据给定的工作频率就可以确定电感和电容的实际值。154154第二章 微波小信号(
45、低噪声)放大电路图2-35是按照上述的六个步骤使用导抗圆图求解解析法所给出的例子，A点是zG所对应的阻抗点，其阻抗和导纳在圆图上可以查出，zG=2+j1，yG=0.4j0.2。C点是zL*所对应的阻抗点，其阻抗和导纳在圆图上可以查出，zL*=1j0.2，yL*=0.963+j0.192。过zG点的等电导圆与过zL*点的等电阻圆交于B点，该点的阻抗为并联电容后的阻抗ztc，ztc=1j1.22，对应的导纳为ytc=0.4+j0.49，则并联的电容容纳为jb1=ytcyG。然后再串联一个电感，就转换到zL*，串联电感的感抗为jx2=ztczL*。155155第二章 微波小信号(低噪声)放大电路最后
46、在圆图上读出并联电容的归一化电纳和归一化电抗，最后根据工作频率计算出电容值和电感值。156156第二章 微波小信号(低噪声)放大电路图2-35Smith导抗圆图例子计算示意图157157第二章 微波小信号(低噪声)放大电路利用导抗圆图计算的结果和利用解析法计算的结果有一定的误差，这是由于从导抗圆图上读数的误差所引起的。应该注意的是利用解析法求解时可能无解，利用导抗圆图求解时，可能出现等电导圆与等电阻圆不相交，此时也无解，这说明采用此匹配电路拓扑不能达到匹配，应该重新选择匹配电路的拓扑。图2-32给出的8种电路拓扑都有匹配死区(也就是不能匹配区域)，如图2-32(h)的电路拓扑的匹配死区(仅仅针
47、对zG=1的源阻抗而言)在图2-36给出，所以在设计选择匹配电路拓扑时要引起格外注意。158158第二章 微波小信号(低噪声)放大电路图2-36图2-32(h)电路拓扑的匹配死区159159第二章 微波小信号(低噪声)放大电路2.4.2分布参数匹配网络拓扑的选择在工作频率很高的场合下，采用集中参数电路很难实现时，可以采用分布参数电路来实现。图2-37给出分布参数电路拓扑可供选择的几种方案，图中的集中参数电容是隔直电容，它的计算方法同样可以采用解析法和导抗圆图法，这些方法在微波技术中已详细介绍了，这里就不再论述了。160160第二章 微波小信号(低噪声)放大电路图2-37传输线匹配电路拓扑161
48、161第二章 微波小信号(低噪声)放大电路2.4.3微波小信号放大器的直流偏置电路1.双极晶体管的直流偏置电路图2-38(a)给出了采用电压反馈的电阻性偏置电路，电感LB和LC是用以阻断向RB和RC传输射频信号，同时直流偏置又能无损耗地通过它加到晶体管各个极上。由图2-38(a)可知所以(2-80)162162第二章 微波小信号(低噪声)放大电路适当选择RB和RC的数值，以满足晶体管所需要的直流工作点。图2-38(b)给出了另外一种偏置电路，这种电路调整范围较大，能够使得放大器更稳定地工作。163163第二章 微波小信号(低噪声)放大电路图2-38双极晶体管的直流偏置电路164164第二章 微
49、波小信号(低噪声)放大电路2.金属栅场效应晶体管的直流偏置电路金属栅场效应晶体管(MESFET)通常需要负的栅压，因此它有两种馈电方法，一种是单电源供电，另一种是双电源供电。165165第二章 微波小信号(低噪声)放大电路图2-39场效应晶体管的直流偏置电路166166第二章 微波小信号(低噪声)放大电路2.5微波小信号放大器的设计微波小信号放大器是个微波线性放大器，微波多级放大器的设计内容就是设计输入匹配网络、极间匹配网络、输出匹配网络以及直流偏置电路，如图2-40所示。167167第二章 微波小信号(低噪声)放大电路图2-40多级微波小信号放大器的组成168168第二章 微波小信号(低噪声
50、)放大电路2.5.1绝对稳定条件下的单向化设计当微波晶体管等效为两端口网络时，一般情况下S12很小，尤其是微波场效应晶体管S12更小，如果在设计时忽略S12，就称为单向化设计。169169第二章 微波小信号(低噪声)放大电路当忽略S12时，即S120时，微波放大器的转移功率增益Gt变为单向化转移功率增益Gtu，此时in=S11、out=S22，单向化转移功率增益Gtu为(2-81)170170第二章 微波小信号(低噪声)放大电路根据获得最大增益的条件，则G=S11*、L=S22*来设计输入匹配网络和输出匹配网络。最大单向化转换功率增益Gtumax为(2-82)171171第二章 微波小信号(低
