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射频电路与天线 RF circuits and antennas第18讲 晶体管放大器 谢泽明 华南理工大学电子与信息学院 射频与无线技术研究所 TEL: Email:eezmxie@scut.edu.cn 第18讲内容 引言 晶体管的工作特性 BJT的工作特性，FET的工作特性 晶体管放大器的主要技术指标 功率增益，噪声系数，稳定性 小信号晶体管放大器的设计 最大功率增益放大器设计 18.1引言 晶体管放大器是最常用的射频电路之一。 晶体管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。 晶体管放大器由晶体管、匹配电路和偏置电路三大部分组成。 晶体管分为两类： 结型晶体管（Junction Transistor） 双极晶体管（Bipolar Junction Transistor，BJT） 异质结双极晶体管（Heter Junction BJT，HBJT） 场效应晶体管（Field Effect Transistor） 金属半导体FET（Metal Semiconductor FET，MESFET） 高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor，HEMT） 假晶态 HEMT（Pseudomorphic HEMT，PHEMT） 金属氧化物半导体FET（Metal Oxide Semiconductor FET，MOSFET) 金属绝缘物半导体FET（Metal insulator Semiconductor FET，MISFET) 射频晶体管的材料主要是硅（Si）、砷化镓(GaAs）、硅锗（SiGe）、铟磷（InP）等材料。 硅结型晶体管1948年由Bardeen和Brattain在美国ATT Bell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。 MISFET和JFET具有较低的截止频率，通常工作于1GHz以下。 GaAs MESFET、GaAs HEMT 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，GaAs FET广泛用于低噪声放大器和高频率放大器。 晶体管放大器主要用于RF/MW有源电路中。 根据制造工艺，RF/MW有源电路可以分为以下几种： 印刷电路(PCB) 混合微波集成电路(HMIC) 单片微波集成电路(MMIC) 在印刷电路中，封装的分离的固态器件、电感器、电容器和电阻器是被焊接到印刷电路板上，印刷电路板作为连线和支撑媒质。这种电路成本低，多数应用于3 GHz以下。 混合MIC由分布参数电路元件和集总电路元件混合而成。集总元件如电感器、电容器、电阻器和固态器件可以用引线焊接在单层基片上。电感器、电容器、电阻器也可以由多层基片上沉积的金属图案来实现。分布参数电路则由基片上金属图案来实现。混合MIC电路尺寸较PCB小，并可工作至毫米波频率。 MMIC中的所有有源和无源电路元件及其互连是在一块半导体绝缘基片上形成的。目前生产的MMICs多数工作于0.5～30 GHz的频段。而覆盖毫米波的从30～200 GHz的应用正在增加。单片集成技术特别适用于毫米波应用。MMIC的优点是成本低、尺寸小、可批量生产。 18.2 BJT 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以下的频率下。 BJT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。 BJT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。 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：IR ? 0 , 基极-集电极二极管和基极-发射极电流源可忽略不计。 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：IF ? 0 , 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。 共发射极BJT的小信号混合?型等效电路 18.3 GaAs MESFET 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FET FET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。 GaAs MESFET的结构 GaAs M