微波固态电路课件：第三章微波晶体管放大器-改.ppt

1、第三章第三章微波晶体管放大器微波晶体管放大器主要内容主要内容l微波双极结型晶体管l微波场效应晶体管 l微波晶体管放大器的特性l小信号微波晶体管放大器的设计l微波晶体管功率放大器特性l用小信号S参数设计微波晶体管功率放大器 3.1 引引 言言 l分类分类： 晶体管器件分为结型晶体管和场效应晶体管。l用途用途：放大器、振荡器、开关、移相器、有源滤波器l结型晶体管结型晶体管包括双极结型晶体管和异质结双极型晶体管，它既可以是NPN结构，也可以是PNP结构。l材料材料：结型晶体管是使用硅、硅-锗、砷化镓和铟化磷材料制成。 l世界上第一只点接触三极管出现在1948年，随着半导体材料的不断改进和更新，晶体管

2、的品种和性能取得了飞速发展。 3.1 引引 言言l20世纪50年代，三极管基本选用的是锗材料，其性能和可靠性都受到很大限制，基本没有实用器件进入微波领域。 l20世纪60年代初，随着硅材料的改进和平面工艺的出现，硅三极管性能的改进不仅使其工作频率进入微波领域，而且还在不断提高。 l硅结型晶体管用作放大器，频率范围可达210GHz，而用在振荡器中时频率高达20GHz。l使用SiGe的结型晶体管可用于20GHz或更高工作频率。l异质结双极型晶体管（HBT）使用GaAs或InP材料，能在超过100GHz的频率工作。 3.1 引引 言言 场效应晶体管场效应晶体管（FET）可有多种类型：l金属半导体场效

3、应晶体管（MESFET）l高电子迁移率晶体管（HEMT）l赝晶型高电子迁移率晶体管（PHEMT）l金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）l金属绝缘物半导体场效应晶体管（MISFET）3.1 引引 言言lGaAs材料材料：载流子迁移率高、耐高温、抗辐射，适用于微波和高速器件。 lGaAs FET和和HEMT对低噪声放大器特别有用对低噪声放大器特别有用。 l硅硅微波晶体管主要用在S波段波段以下，价格便宜，可靠性高价格便宜，可靠性高。lGaAs FET 主要用在SK波段，价格较高价格较高，可靠性不如硅。lHEMT和和HBT主要用在毫米波主要用在毫米波。 3.2 微波双极结型晶体管微波双极结型晶

4、体管 l双极晶体管（BJT）由两个相距很近的PN结组成，它包包含含电子和空穴两种极性的载流子电子和空穴两种极性的载流子参与导电，所以称为双极晶体管（以区别单极管与FET），它是目前应用最广泛的半导体器件之一。l硅双极晶体管在X频段以下有优势，而AlGaAs/GaAs异质结双极晶体管（HBT）在超过200GHz上占优势。l工作原理和直流特性与普通三极管相似工作原理和直流特性与普通三极管相似。 微波硅双极性晶体管微波硅双极性晶体管 金属电极 B E B P+ P+ N+发射区 P 基区 N+衬底 C N 集电区 微波双极晶体管结构图 微波硅双极性晶体管微波硅双极性晶体管 金属电极 B E B P+

5、 P+ N+发射区 P 基区 N+衬底 C N 集电区 双极晶体管共射极简化等效电路 u结构尺寸大大缩小，基区宽度可小于0.1微米。u管壳有更小的分布参数。Cbc ,Cbe , Cce : 封装电容Lb ,Le , Lc : 封装电感0 : Ic/Ie （Vcb=0），发射极到集电极的电流传输系数（ =/（1+ ）晶体管的增益带宽积增益带宽积fT(即特征频率即特征频率)反映高频放大性能反映高频放大性能12Tecfec是发射极到集电极的总延迟时间 微波硅双极性晶体管微波硅双极性晶体管 提高微波双极晶体管增益带宽积的措施：l在功率容量和可靠性允许的条件下，应尽量减小发射极面积。 l可减小基区宽度W

6、B，电极尺寸受工艺水平限制，同时也影响器件的承受功率。l另一种方法是恰当地选择基区掺杂浓度与梯度来实现漂移场，加速载流子的运动速度。 微波硅双极性晶体管微波硅双极性晶体管 A A B B 微波双极晶体管交指型结构示意图 B 剖面AA u高频“集边效应”，使发射电流只集中在发射极的周界上，条带结构增加周长与面积比。u减小基区横向电阻，降低噪声。低噪声双极晶体管低噪声双极晶体管 l功率增益 GP ：在某一特定测试条件下，晶体管的输出功率与输入功率之比。 PoiGP P低噪声双极晶体管低噪声双极晶体管几种功率增益：l插入增益GT：即共射极接法的微波管，插入到特性阻抗为Z0的传输系统中所提供的功率增益

7、。 （s= L= 0）l最大可用功率增益Gmax（或MAG）:它是指在晶体管输入和输出完全共轭匹配条件下，晶体管所能提供的最大实用功率增益，即l最大单向功率增益Gu，它与Gmax的不同在于它忽略内部反馈，即假定S12=0时的最大功率增益为 221TGS221max12(1)SGKKS221221122(1)(1)uSGSS低噪声双极晶体管低噪声双极晶体管微波双极晶体管GT、Gmax、 Gu与频率的关系 规律规律：6dB/倍频程下降 低噪声双极晶体管低噪声双极晶体管l噪声系数噪声系数F ：晶体管的输入端信号/噪声功率比与输出端信号/噪声功率比的比值。 噪声来源噪声来源：l热噪声热噪声：主要由载流

8、子的不规则热运动引起的，它的大小与晶体管本身欧姆电阻有关。l散粒噪声散粒噪声：由于电流流动时载流子运动的起伏产生的，其大小与电流成正比。l闪烁噪声闪烁噪声：一般认为与半导体制造工艺及表面处理情况有关。 1iioooipS NNFSNNG低噪声双极晶体管低噪声双极晶体管噪声系数（dB） 3dB/倍频程 频率（GHz） 6dB/倍频程 3dB f1 0.1 fN 1.0 f2 双极晶体管的噪声系数随频率的变化 1/f 噪声白噪声噪声系数噪声系数 定义：定义：在输入噪声功率为在输入噪声功率为kTkT0 0B B 时，网络输入信噪比与时，网络输入信噪比与输出信噪比的比值，反映了网络产生的噪声大小或者输

9、出信噪比的比值，反映了网络产生的噪声大小或者Te 。其中其中: :231.38 10J/K，波尔兹曼常数T0是常温290K即输入噪声功率为-174dBm/Hz00000()11ieeeiSkGB TTTTTFkT BGSTT 网络产生的噪声功率：kTeB，Te为等效噪声温度。FL:k 2.5Gbps Ni=kT0B=-114dBm B=1MHz Si=-94dBm F1=2=3dB，G1=10 F2=2=3dB，G2=10 S01=-84dBm N01=kT0BG+(F-1) kT0BG =-104dBm-104dBm=-101dBm Si/Ni =20dB=100 S01/N01 =17dB

10、=50 S02=-74dBm N02= N01G+(F-1) kT0BG =-91dBm-104dBm=-90.8dBm S02/N02 =16.8dB=47.9 F=F1+(F2-1)/G1=2+1/10=2.1=3.2dB 线性二端口网络的噪声系数线性二端口网络的噪声系数F F可以表示为：可以表示为： 2minsoptssenYYYRRFFminF式中：式中：RnRn为线性二端口网络的等效噪声电阻。为线性二端口网络的等效噪声电阻。：二端口网络的最小噪声系数。二端口网络的最小噪声系数。 YsoptGsopt+jBsopt：获得最小噪声系数：获得最小噪声系数 要求的最佳信要求的最佳信号导纳。号

11、导纳。 minF它们都可以用测量的方法得到。它们都可以用测量的方法得到。Y Ys sG Gs s+jB+jBs s为信号源导纳为信号源导纳功率双极晶体管功率双极晶体管 l耗散功率大于1W的晶体管被定义为功率晶体管l电流容量大，要求增大发射极周长以及发射区和基区面积。即获得最大的发射极周长/面积的比值。l电极结构：梳状结构、覆盖结构和网状结构。 功率双极晶体管功率双极晶体管 主要指标有：l输出功率l功率增益 l工作类别 功率双极晶体管输出功率功率双极晶体管输出功率l取决于自身的电流和电压承受能力l常用的输出功率定义： 饱和输出功率饱和输出功率 P0：指微波功率管在特定测试条件下所能获得的最大输出

12、功率。 线性输出功率线性输出功率 P1dB：也称为1dB增益压缩时的输出功率。 脉冲输出功率脉冲输出功率Pp ：当晶体管在脉冲工作状态下（脉冲调制微波），所能获得的最大输出功率。 Pp P0功率双极晶体管功率双极晶体管 斜率-功率增益 GP Pin Pout P0 P1dB 1dB 晶体管输入-输出功率曲线 晶体管在小信号工作时，其功率增益保持不变。但随着输入信号的增大，晶体管开始进入非线性区，这时功率增益将随着输入增加而逐渐下降。当增益下降到比线性增益低1dB时，所对应的输出功率即定义为1dB压缩输出功率压缩输出功率，有时也简称为线性输出功率线性输出功率。功率双极晶体管功率增益功率双极晶体管

13、功率增益l取决于晶体管的fT及其动态阻抗。l功率管的测试往往是基于获得最大输出功率基于获得最大输出功率，而对应的增益就不是最大，一般给出的值都与输出功率状态相对应。l由于功率放大器是非线性工作非线性工作，小信号线性分析已不适用，目前实际电路设计中常采用以下三种方法，即动态阻抗法、大信号S参数法和负载牵引法，因而对功率晶体管要求给出各种相应的附加参数。说明说明：工作类别工作类别 l有三类，即甲、乙、丙三类（也称为A、B、C三类）。l甲类：发射结处于正向偏压，静态时维持较高的静态电流。 特点特点：增益高、噪声低、线性好增益高、噪声低、线性好； 缺点：输出功率小且效率低，其理论效率为50%，实际25

14、%40%l乙类：发射结处于零偏压，静态时无电流，在外信号到来时，开启发射极结才能进行放大，只是开启功率要比丙类小。 特点特点：与甲类相比是输出功率大，效率高，其理论最高效率可达78%；而与丙类相比是线性好，增益高。 为克服零偏压处的失真，也可稍加一点正向偏压，这称甲乙类（或AB类）放大。l丙类：发射结处于反向偏压反向偏压，静态时没有直流电流(只有很小的集电极反向漏电流)，当外信号到来时，将发射结打开，才起放大作用。 特点特点：输出功率大，集电极效率高输出功率大，集电极效率高，最高理论效率可接近100%，实际可达50%70%； 缺点缺点：增益低增益低、线性差线性差和和噪声大噪声大。异质结双极晶体

15、管（异质结双极晶体管（HBT） l硅双极晶体管是采用同一半导体材料形成PN结，称同质结双极晶体管。l结构上存在基极电阻与发射极注入效率间的矛盾，限制频率提高。l由不同半导体材料接触形成的异质结双极晶体管HBT可从根本上克服这个矛盾。 采用发射极比基极有更宽禁带的半导体。通过选择异质结能带，使HBT的电流增益与基极和发射极掺杂无关，降低了基极电阻、输出电导以及发射极耗尽电容，从而大大改善了高频性能。 3.3 微波场效应晶体管微波场效应晶体管 lGaAs MESFET lGaAs HEMT GaAs MESFET GaAs MESFET的结构示意图 工作原理工作原理：控制栅压Vgs（）可以灵敏改变

16、耗尽层的宽窄，从而调制沟道厚度，最终达到控制漏流Ids（）Vgs0GaAs MESFET sR gsR dR + - D S G S gR mgig v dsG dgC dcC gsC dsC W S Rs Rgs Cgs Rds Cdc Rd Cdg D G Cds gmvgi Rg （a）管芯等效电路 （ b）等效电路元件在结构中的位置 MESFET管芯等效电路 Cgs: 栅源部分耗尽层结电容Rg, Rs, Rd:栅、源和漏极串联电阻（体电阻及引出端接触电阻）gm: 小信号跨导， gm Vgi 受控电流源GaAs MESFETl参数参数包括：零栅漏极电流包括：零栅漏极电流Idss、共源正向

17、跨导、共源正向跨导gm、栅漏击、栅漏击穿电压穿电压VBR、夹断电压、夹断电压Vp以及栅以及栅-源截止电流源截止电流Igss等。等。l频率参数频率参数fT的定义与双极晶体管的不同，它由下式表示：的定义与双极晶体管的不同，它由下式表示：lCgs是是FET的栅的栅-源电容，源电容，l gm是共源正向跨导，其定义为：在共源电路中，固是共源正向跨导，其定义为：在共源电路中，固定漏压下，单位栅压改变引起的漏极电流改变，定漏压下，单位栅压改变引起的漏极电流改变，即即 ，Vds=常数。常数。 2mTgsgfCmdsgsgIV 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Ids/Idss 0.2 0.4 0.6

18、 0.8 1.0 Vds/Vp 0.8 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 GaAs MESFETVgs/Vp =0MESFET中Ids、与Vgs、Vds的关系曲线 低噪声低噪声GaAs FET l功率增益功率增益 Gp小功率时小功率时插入增益一般不符合插入增益一般不符合6dB/倍频程倍频程的下降规律。但其的下降规律。但其最大单向化功率增益最大单向化功率增益和和最大可用功率增益最大可用功率增益（或（或MAG）仍符合仍符合6dB/倍频程倍频程的下降规律的下降规律。l噪声系数噪声系数 F：随频率的变化与双极管不同，：随频率的变化与双极管不同，随频随频率单调上升，在低频段上升缓慢率单调上

19、升，在低频段上升缓慢。功率功率GaAs FET l输出功率输出功率P0和最佳负载和最佳负载 Ids Idss p Vg=0V B 直流负载线 Vdp VBR VP Vdp VBR Vp Q Vds 0()/8dssBRPdpPIVVV()LBRPdpdssRVVVIGaAs FET的输出特性曲线的输出特性曲线 VBR是栅漏击穿电压是栅漏击穿电压功率功率GaAs FETl饱和输出功率饱和输出功率P0 、线性输出功率、线性输出功率P1dB和脉冲输出和脉冲输出功率功率PP。 l功率增益功率增益Gp ：取决于取决于fT和动态阻抗，与输出功和动态阻抗，与输出功率有关率有关。 高电子迁移率晶体管（高电子迁

20、移率晶体管（HEMT） 2DEG D G S 异质结 NAlGaAs N+ GaAs 半绝缘 GaAs 衬底 未掺杂 GaAs 金属电极 P-HEMT的结构图的结构图 低沟道电阻和源电阻，使噪声系数极低低沟道电阻和源电阻，使噪声系数极低。3.4 微波晶体管放大器的特性微波晶体管放大器的特性微波晶体管放大器的主要指标微波晶体管放大器的主要指标:l功率增益功率增益l噪声系数噪声系数l稳定性稳定性l输入和输出驻波比（输入和输出驻波比（VSWR）l输出功率输出功率l工作频带工作频带l线性度线性度l动态范围动态范围 微波晶体管的微波晶体管的S参数参数a1 b1 a2 b2 11S12 S21S22S21

21、10aba1120aba2210aba1220aba晶体管四个晶体管四个S参数的物理意义参数的物理意义lS11是晶体管输出端接匹配负载时的输入端电是晶体管输出端接匹配负载时的输入端电压反射系数压反射系数lS22是晶体管输入端接匹配负载时的输出端电是晶体管输入端接匹配负载时的输出端电压反射系数压反射系数lS21是晶体管输出端接匹配负载时的正向传输是晶体管输出端接匹配负载时的正向传输系数，系数， 代表功率增益代表功率增益lS12是晶体管输入端反向传输系数，是晶体管输入端反向传输系数，代表晶体代表晶体管内部反馈的大小管内部反馈的大小 221S晶体管四个晶体管四个S参数的特点参数的特点S11S22双极

22、晶体管双极晶体管双极晶体管双极晶体管输入输出等效电路输入输出等效电路MESFET输入输出等效电路输入输出等效电路晶体管四个晶体管四个S参数的特点参数的特点l双极晶体管双极晶体管的的S21在在频率低时较大频率低时较大，但，但随频率升高随频率升高而下降快，通常以而下降快，通常以6dB/倍频程速率下降倍频程速率下降，lMESFET在一定频率范围内在一定频率范围内变化较小，因此有利变化较小，因此有利于宽带设计于宽带设计。 l双极晶体管和双极晶体管和MESFET的的S12都随频率升高而增都随频率升高而增大。大。 MESFET的的S12要小得多要小得多，作放大器时稳定性好；，作放大器时稳定性好；作振荡器时

23、，需加外反馈元件。作振荡器时，需加外反馈元件。 微波晶体管放大器的增益微波晶体管放大器的增益 晶体管 S out 1a inP aP 1 in s sa SZ 1 P LaP 2 L 2b 1b 2a 2 LZ 0000LLLSSSZZZZZZZZ负载端与信源端的反射系数分别为负载端与信源端的反射系数分别为: 微波晶体管放大器的增益计算微波晶体管放大器的增益计算 放大器功率增益的三种定义放大器功率增益的三种定义 l转换功率增益转换功率增益 l资用功率增益资用功率增益 l实际功率增益实际功率增益 转换功率增益转换功率增益GTl定义定义：放大器负载吸收的功率放大器负载吸收的功率PL与信源可用功率与

24、信源可用功率Pa之比之比。l当晶体管当晶体管2-2端口接负载端口接负载ZL时，时， 。 晶体管 S out 1a inP aP 1 in s sa SZ 1 P LaP 2 L 2b 1b 2a 2 LZ22Lab111 1122221 1222LLbS aS bbS aS b输入端：输入端： 11221in111221LLbS SSaS对应输入阻抗：对应输入阻抗： inin0in11ZZ同理，当同理，当1-1端口接信源阻抗端口接信源阻抗ZS时（将信号源时（将信号源aS短路），短路），可求得输出端反射系数：可求得输出端反射系数： 1221out22111SSS SSS（3.16a） outou

25、t0out11ZZ转换功率增益转换功率增益GTl入射功率入射功率 （3.17a）l反射功率反射功率 （3.17b）l放大器输入功率放大器输入功率 （3.17c）l信号源可用功率信号源可用功率 （3.17d） 2inc1Pa2ref1Pb2222in111in(1)Paba*ininSaPP11221in111221LLbS SSaS1221out22111SSS SSS转换功率增益转换功率增益GTl其中其中laS是信号源接匹配负载时的归一化入射波。是信号源接匹配负载时的归一化入射波。111inSSSSaabaa 1in1SSaa 2222222(1)LLPbab222221)1 (1SSsin

26、SinsaaaPin 晶体管 S out 1a inP aP 1 in s sa SZ 1 P LaP 2 L 2b 1b 2a 2 LZ22in1in(1)Pa转换功率增益转换功率增益 l转换功率增益与晶体管的转换功率增益与晶体管的S参数和负载阻抗、信源阻抗都参数和负载阻抗、信源阻抗都有关系有关系，即大小与两个端口的匹配程度都有关。，即大小与两个端口的匹配程度都有关。l物理意义物理意义：插入放大器后负载实际得到的功率是无放大器插入放大器后负载实际得到的功率是无放大器时可能得到的最大功率的多少倍时可能得到的最大功率的多少倍 TG22222221222222in22221211221221(1)

27、(1)(1)(1)11(1)(1) (1)(1)LSLLTaSSLSSLSLSLbSPGPaSSSSS S 222221)1 (1SSsinSinsaaaPin2222222(1)LLPbab单级微波晶体管放大器的电路模拟单级微波晶体管放大器的电路模拟 输入匹配网络的输入匹配网络的有效增益系数：有效增益系数： SR S ,SSZ ,LLZ out in 11S 22S L LR 输入 匹配 网络 MN1 输出 匹配 网络 MN2 FET 22in11SSSG 晶体管自身的有效增益系数晶体管自身的有效增益系数：输出匹配网络的输出匹配网络的有效增益系数有效增益系数： 2021GS222211LLL

28、GS总变换增益：总变换增益： 0TSLGGG G222212222in(1)(1)11SLTLSSGS 0SL221TGSinS即当即当 和和 outL时，时， TGmaxTG达到最大值达到最大值， 称为称为双共轭匹配双共轭匹配。 此式说明了晶体管自身参数此式说明了晶体管自身参数221S但这样并未充分发挥晶体管用作放大器的潜力。但这样并未充分发挥晶体管用作放大器的潜力。只有只有共轭匹配，才能传输最大功率共轭匹配，才能传输最大功率 的物理意义。的物理意义。l当晶体管内反馈很小时，则可忽略当晶体管内反馈很小时，则可忽略S12进行单进行单向化设计。即当向化设计。即当S120，单向化转换功率增益，单向

29、化转换功率增益为为 2222222121022211221122(1)(1)11(1)(1)11SLSLTuSLSLSLSGSGGGSSSS22221211221221(1)(1)(1)(1)SLTSLSLSGSSS S 晶体管两个端口之间晶体管两个端口之间无反馈无反馈，则输出端负载与输入阻，则输出端负载与输入阻抗抗没有相互影响没有相互影响，此时的晶体管叫做，此时的晶体管叫做单向化器件单向化器件。 120Sin11Sout22S资用功率增益资用功率增益Gal定义定义：放大器输出端的资用功率：放大器输出端的资用功率PLa与信号源资用功率与信号源资用功率Pa之比。之比。l放大器输出端的资用功率为放

30、大器输出端的资用功率为 ：l其中其中l故故l放大器在输出端口的等效波源，如图所示。放大器在输出端口的等效波源，如图所示。 outLLaLPP2211222211222LbS aS aS aS b21 12221LS abS放大器输出等效波源放大器输出等效波源 晶体管 S out 1a inP aP 1 in s sa SZ 1 P LaP 2 L 2b 1b 2a 2 LZ资用功率增益资用功率增益Gal根据等效信源波的物理意义，有根据等效信源波的物理意义，有 l端口的输出资用功率为端口的输出资用功率为 210111SSS aaS202out22212212211122111 1(1)1 LaS

31、SSSaPSaS SSSS2221221122 1SSSSaSS其中其中 11221221S SS S1in1SSaa 资用功率增益资用功率增益Ga l资用功率增益资用功率增益只与晶体管只与晶体管S参数和信源阻抗有关，而与输参数和信源阻抗有关，而与输出端口的匹配程度无关出端口的匹配程度无关，利用此式，利用此式便于研究信源阻抗变化便于研究信源阻抗变化对放大器功率增益的影响对放大器功率增益的影响。l物理意义物理意义：插入放大器后负载可能得到的最大功率是无放插入放大器后负载可能得到的最大功率是无放大器时可能得到的最大功率的多少倍大器时可能得到的最大功率的多少倍。l资用功率增益只是资用功率增益只是表示

32、放大器功率增益的一种潜力表示放大器功率增益的一种潜力。 22222121222222112222111(1)(1)11()2Re()SSLaaaSSSSSSPGPSSSSC11122CSS实际功率增益实际功率增益G l定义定义：负载所吸收的功率与放大器输入功率之比负载所吸收的功率与放大器输入功率之比。l实际功率增益实际功率增益G只与晶体管只与晶体管S参数和负载阻抗有关，而与参数和负载阻抗有关，而与输入端口的匹配程度无关输入端口的匹配程度无关，此式，此式便于研究负载变化对放大便于研究负载变化对放大器功率增益的影响器功率增益的影响。 22211CSS2221 12222222222in1in1in

33、22212222in(1)(1)1(1)(1)(1) 1(1)LLLLLLS abSPGPaaSS2221221221221122(1)111LLLLSS SSSS2221222211(1) 1LLLSSS其中其中 21 12221LS abS三种功率增益间的联系三种功率增益间的联系 式中，式中，M1、M2分别为输入、输出端失配系数分别为输入、输出端失配系数。 三个功率增益中若三个功率增益中若已知其中一个，即可知另外两个已知其中一个，即可知另外两个。一般。一般情况下，情况下， ， 表示两个端口都偏离共轭匹配，所表示两个端口都偏离共轭匹配，所以以 ， 双共轭匹配时，双共轭匹配时， ，此时，此时

34、in12inLaLLLTaaaLaaPPPPPGG MMGPPPPP22in12in22out22out(1)(1)1(1)(1)1SSLLMM 11M 21M TGGTaGG121MMmaxmaxmaxTaGGG微波晶体管放大器的稳定性微波晶体管放大器的稳定性 lS12意味着放大器有意味着放大器有内反馈内反馈，可能造成放大器不稳定可能造成放大器不稳定（这（这可以从放大器输入端口或输出端口可以从放大器输入端口或输出端口是否等效有负阻来进行是否等效有负阻来进行判断判断） l如果放大器端口如果放大器端口存在负阻，则有可能（并非一定）产生自存在负阻，则有可能（并非一定）产生自激振荡，激振荡，这意味着

35、这意味着 或或 。l假设放大器输入阻抗假设放大器输入阻抗 ，则输入端反射系数的，则输入端反射系数的模为模为l可见当可见当 时，时， 。输出端口类似输出端口类似。in1out1inininjZRX22in0in0inin22in0in0in()()ZZRZXZZRZXin0Rin1l因为因为 和和 与源和负载匹配网络有关，因与源和负载匹配网络有关，因而而放大器的稳定性依赖于通过匹配网络提供放大器的稳定性依赖于通过匹配网络提供的的 和和 。因此，当采用。因此，当采用S参数法来分析放大参数法来分析放大器时，就器时，就从其输入端口或输出端口反射系数的从其输入端口或输出端口反射系数的模是否大于模是否大于

36、1来判断放大器的稳定性来判断放大器的稳定性。 inoutSL稳定判别圆稳定判别圆 由由可见可见 和和 是分式线性变换的关系。是分式线性变换的关系。 122111in11222211LLLLS SSSSSinL11221221S SS S由上式可以推得，当由上式可以推得，当 时，时， ， 只与网络的只与网络的 有关。它表示一个圆心在有关。它表示一个圆心在 ,半径为半径为 的圆的圆 1in222expLRj S22R222,R，*221122222SS DSD122122222S SRSD L L， 1 1相互映射相互映射均由晶体管均由晶体管S参数决定参数决定l在在 的条件下，的条件下，S2圆将平

37、面分成圆内、外两圆将平面分成圆内、外两部分部分 稳定区稳定区：包含原点（：包含原点（ =0）的部分；）的部分； 不稳定区不稳定区：不包含原点的部分；：不包含原点的部分； S2圆称为圆称为“稳定判别圆稳定判别圆”，或称，或称“输入稳定判别输入稳定判别圆圆” （判断的是输入端口的稳定性判断的是输入端口的稳定性）；也称）；也称“输出输出稳定圆稳定圆” （是输出负载平面上的一个判别圆，用来确定是输出负载平面上的一个判别圆，用来确定对输出负载的正确选择对输出负载的正确选择）。）。 111SL 101in 1010L复平面复平面L复平面复平面in复平面复平面11Sjvjvuu222R2R2S圆圆2S圆圆l

38、S2圆与单位圆的相对关系有两种情况，圆与单位圆的相对关系有两种情况，六种可能性（当六种可能性（当 时）时） 111S（a）10jvu2R2S圆圆2 10jvu22R2S圆圆（b）10jvu2R2S圆圆2（c）10jvu2R2S圆圆2（d）10jvu22R2S圆圆（e）2R2S圆圆ujv102（f）l当当 ，此时必定，此时必定 不包含原不包含原点点 l因为因为22220S22R22112222222(1)SRS111S22220S22R所以，当所以，当，时，时，即（即（a）、（）、（b）、（）、（c）三种可能性，）三种可能性，S2圆外为稳定区，圆外为稳定区，S2圆内为不稳定区圆内为不稳定区。（a

39、）10jvu2R2S圆圆2 10jvu22R2S圆圆（b）10jvu2R2S圆圆2（c）l而当而当 时，此时必定时，此时必定 。 所以所以S2圆必定包含原点圆必定包含原点。 图（图（d）、（）、（e）、（）、（f）三种可能性，）三种可能性，S2圆内圆内为稳定区，为稳定区，S2圆外为不稳定区圆外为不稳定区。 22220S22R10jvu2R2S圆圆2（d）10jvu22R2S圆圆（e）2R2S圆圆ujv102（f）l用同样方法，由用同样方法，由 ，得到，得到 平面上平面上的的稳定判别圆（稳定判别圆（S1圆圆），可称为），可称为输出端口稳定判输出端口稳定判别圆或输入稳定圆别圆或输入稳定圆。lS1圆

40、方程为：圆方程为：l其中其中1121out221111SSS SSSS2211SR112211CS122112211S SRS绝对稳定与潜在不稳定（有条件稳定）绝对稳定与潜在不稳定（有条件稳定） l由图（由图（a）、（）、（d）可见，）可见， 单位圆内全部是稳定单位圆内全部是稳定区区，即对于任意，即对于任意 ，都满足，都满足 ；同时对；同时对任意任意 ，也都满足，也都满足 ，则这样的晶体管则这样的晶体管称为是绝对稳定的（无条件稳定）称为是绝对稳定的（无条件稳定）。用这样的晶。用这样的晶体管设计放大器，其体管设计放大器，其两个端口端接的无源阻抗都两个端口端接的无源阻抗都可以任选可以任选。L1Li

41、n11Sout1（a）10jvu2R2S圆圆210jvu2R2S圆圆2（d）l其余四种情况都在单位圆内其余四种情况都在单位圆内存在不稳定区存在不稳定区，设计放大器可，设计放大器可有两种方法：有两种方法：（1）避开并远离不稳定区避开并远离不稳定区，即选择图中，即选择图中 （或（或 ）单位圆）单位圆内非阴影区，仍能使输入端口（或输出端口）稳定；内非阴影区，仍能使输入端口（或输出端口）稳定；（2）如果不稳定区内的某）如果不稳定区内的某 值使值使 ，但只要在输入端，但只要在输入端口所接口所接 能能满足满足 ，则仍然可以使之稳定，则仍然可以使之稳定。 一般只取第（一般只取第（1）种）种。这两种方法虽然能

42、使放大器仍然稳。这两种方法虽然能使放大器仍然稳定工作，但定工作，但包含着不稳定因素包含着不稳定因素。如果端接负载有所变化，如果端接负载有所变化，可能就会发生振荡，因此称为有条件稳定或潜在不稳定可能就会发生振荡，因此称为有条件稳定或潜在不稳定。 LSLin1in1S S111inin=/(1)sSsSsSaabaaa 绝对稳定的充要条件绝对稳定的充要条件l对图（对图（a），有），有 ，l代入代入R2及及 表达式得表达式得 111S221R22221R2211122122222222121SS SSS因为因为 22220S所以所以 2221112212212SS SS得得 222112212211

43、12SSKS SK为稳定系数为稳定系数。 （a）10jvu2R2S圆圆22222R22220S 22112222222(1)SRS绝对稳定的充要条件绝对稳定的充要条件l对图（对图（d），有），有 221R且且 21R 可知可知 2222(1)R211122122222222121SS SSS 因为因为 22220S所以所以 222111221222222222212SS SSSS不等式换号不等式换号 2221112212212SS SS得得 22211221221112SSKS S所以所以K1是输入端口绝对稳定的必要条件。是输入端口绝对稳定的必要条件。 （3.51） （3.50） 10jvu2

44、R2S圆圆2（d）22220S 2222R22112222222(1)SRS绝对稳定的充要条件绝对稳定的充要条件l将式将式K1倒推回去时，开始各式均成立，唯独到最后由式倒推回去时，开始各式均成立，唯独到最后由式（3.49）：）： ，并不一定导致并不一定导致 ，必须必须增加一个条件增加一个条件 才能保证充分性才能保证充分性，因此，因此只检验只检验K1是不充分的是不充分的。l即：即： 2222(1)R221R210R 21112211SS S211122111KSS S或或绝对稳定的充要条件绝对稳定的充要条件l同样可证明同样可证明输出端口绝对稳定的充要条件输出端口绝对稳定的充要条件为为 l设计放大

45、器时应保证晶体管放大器设计放大器时应保证晶体管放大器两个端口都绝对稳定，两个端口都绝对稳定，因此晶体管双口网络绝对稳定的因此晶体管双口网络绝对稳定的充要条件充要条件为为 ：222112212212111221222122111211SSKS SSS SSS S 222122111KSS S对所有频率都应满足对所有频率都应满足放大器的稳定措施放大器的稳定措施 l如果在工作频段内场效应晶体管或双极晶体管如果在工作频段内场效应晶体管或双极晶体管处于非稳定处于非稳定状态，则应当采取适当措施使晶体管进入稳定状态状态，则应当采取适当措施使晶体管进入稳定状态。l方法是方法是在其不稳定的端口增加一个串联电阻或

46、并联电阻在其不稳定的端口增加一个串联电阻或并联电阻。下图给出了输入端口的电路。这个电阻必须与下图给出了输入端口的电路。这个电阻必须与 一一起抵消掉的起抵消掉的 负阻成分。负阻成分。 ReSZinRe ZininYG inG inY 有源器件 （BJT或FET） 信 号 源 （a）并联电阻）并联电阻 （b）串联电阻）串联电阻l 输入端口稳定电路的条件：输入端口稳定电路的条件： 或或l 输出端口稳定电路的条件：输出端口稳定电路的条件： 或或l用增加电阻的方法实现晶体管稳定的用增加电阻的方法实现晶体管稳定的代价代价包括：包括：产生功率产生功率传输损失传输损失；晶体管的噪声系数恶化（晶体管的噪声系数恶

47、化（由于电阻产生的附加由于电阻产生的附加热噪声）热噪声） ininRe0SZRZininRe0SYGYoutoutRe0LZRZoutoutRe0LYGY微波晶体管放大器的噪声特性微波晶体管放大器的噪声特性 l噪声系数：任意线性两端口网络，输入端接入和网络输入电阻噪声系数：任意线性两端口网络，输入端接入和网络输入电阻相等的源电阻，并处于标准温度时，网络实际输出的总噪声功相等的源电阻，并处于标准温度时，网络实际输出的总噪声功率和仅由输入端电阻产生的输出噪声功率之比为网络的噪声系率和仅由输入端电阻产生的输出噪声功率之比为网络的噪声系数，即数，即 l式中，式中， 输出端的输出端的总总噪声功率，噪声功

48、率，B带宽，带宽，G 网络的可用网络的可用增益，增益，k玻耳兹曼常数，玻耳兹曼常数，k=1.38 10 23J/K。l考虑一个具有增益考虑一个具有增益 ， ， 和噪声系数和噪声系数 ， ， 的的n级串接级联二端口网络，则此级串接级联二端口网络，则此n级二端口网络的总噪声系数级二端口网络的总噪声系数为为00NFGkT B总输出噪声功率仅由信号源产生的输出噪声功率0N1G2GnG1F2FnF32111212111nnFFFFFGG GG GGLL000iiS NNFNGkT Biio0OSNSSN微波晶体管放大器的噪声特性微波晶体管放大器的噪声特性l通常，将噪声系数用通常，将噪声系数用dB表示为表

49、示为:l任意有噪声两端口网络，如图（任意有噪声两端口网络，如图（a）所示。将）所示。将其内部噪其内部噪声全部等效到输入端，声全部等效到输入端，表示为一个等效噪声电压源表示为一个等效噪声电压源 和一个等效噪声电流源和一个等效噪声电流源 ，则，则网络自身变成理想无噪声网络自身变成理想无噪声网络网络，如图（，如图（b）所示。由于在理想无噪声网络前、后）所示。由于在理想无噪声网络前、后的信噪比不变，因此可以去掉该网络来进行噪声系数计的信噪比不变，因此可以去掉该网络来进行噪声系数计算，见图（算，见图（c）。）。 10lg( )NFF2nu2ni（a）（b）（c）有噪声的二端口网络有噪声的二端口网络 微波

50、晶体管放大器的噪声特性微波晶体管放大器的噪声特性l假如电路以假如电路以电压噪声电压噪声为主，则采用一个为主，则采用一个高的源阻抗高的源阻抗会使传会使传输的噪声信号最小；假如以输的噪声信号最小；假如以电流噪声电流噪声为主，则连接一个为主，则连接一个低低的源阻抗的源阻抗会使传输的噪声信号最小。当两种噪声源同时存会使传输的噪声信号最小。当两种噪声源同时存在时，从电路的最小噪声系数将得出一个特定的源导纳在时，从电路的最小噪声系数将得出一个特定的源导纳（或源阻抗），称之为（或源阻抗），称之为最佳源导纳最佳源导纳。噪声系数可以用等效。噪声系数可以用等效网络的四个噪声参数来描述网络的四个噪声参数来描述 l式