射频和微波晶体管放大器的基础知识

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在电子电路中，信号放大是最重要的射频（RF）和微波电路功能之一。二战期间雷达的引入提供了第一个需要放大微波信号的重要应用。近来，无线通信革命带来了射频和微波放大应用的爆炸式增长。在过去的二十年里，放大器技术在器件（低噪声和低功耗）、电路计算机辅助设计(CAD)工具、制造、封装和应用方面取得了巨大进步。用于无线应用的低成本功率放大器就是这种爆炸式增长的证明。早期的微波放大器是真空管设备的专有领域，例如速调管[1-3]、行波管(TWT)放大器[2-4]和磁控管[2,3]。今天，除了高输出功率（100瓦）的应用之外，微波放大主要由固态放大器主导。今天，最常见的真空管应用是使用2.45-GHz磁控管的900瓦微波炉。电子管放大器可达到的功率水平比固态放大器高103倍。微波炉磁控管的制造成本约为10美元（~0.01美元/瓦），在固态方面没有竞争对手。同样，今天0.50美元/瓦的900-MHz至2-GHz手机固态晶体管放大器和0.30美元/瓦的200-500-WL/S波段基站晶体管功率放大器没有电子管竞争。固态放大器分为两大类：基于负阻二端二极管器件的器件，以及称为晶体管的基于三端器件的器件。早期的固态放大器以两端器件为主，因为二极管通常比晶体管更容易制造。已经引入了相当多的两端放大器设计，包括参量放大（变容二极管）[5-8]、隧道二极管[7-9]、转移电子二极管（Gunn和LSA二极管）[8、10、11]和雪崩传输时间二极管（IMPATT、TRAPATT和BARITT）[8,12]。这种二极管仅用于特殊的放大器功能。

1.1晶体管放大器
# k/ J9 X. r! F0 w- Z1 z, |今天，固态放大主要是使用三端晶体管[13-36]。使用施加在器件输入端的小电压，可以有效地控制公共端接地时输出端的大电流。这是晶体管名称的来源，它是转移电阻器一词的统一。固态晶体管可分为两类：双极和单极器件。双极器件由硅(Si)双极结晶体管(BJT)和硅锗(SiGe)和砷化镓(GaAs)异质结双极晶体管(HBT)组成。单极器件包括硅金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、砷化镓金属半导体场效应晶体管（MESFET）和假晶高电子迁移率晶体管（pHEMT）。切换到三端设备主要是由于成本。二极管的制造成本通常比晶体管便宜，但从两端器件获得增益的相关电路比三端器件要贵得多。例如，连接在50-ohm输入和输出端子之间的晶体管（没有任何匹配网络）可以在射频下提供15–20dB的增益，在20GHz下可以提供6–8dB的增益。此外，用于稳定运行和常规高产量制造的三端放大器的设计非常简单。信号放大是所有射频和微波系统的基本功能。当使用直接电流(DC)电源，该设备及其匹配和偏置电路被称为放大器。在这里，来自电源的DC功率被转换为RF功率以增强输入信号强度。如果器件是晶体管，则信号施加到输入端（栅极/基极），放大后的信号出现在输出端（漏极/集电极），公共端（源极/发射极）通常接地。匹配网络有助于激发设备并更有效地收集输出信号。图1.1显示了单级晶体管放大器的示意图。基本组成部分是晶体管、输入和输出匹配网络、偏置电路以及输入和输出射频连接。如果安装在固定装置中，则直流偏置和射频连接可以连接到连接器，如果组装在封装中，则可以连接到引线框架，具体取决于放大器制造方案。
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用于射频和微波频率的放大器有多种类型。基本类型包括低噪声、缓冲、可变增益、线性功率、饱和大功率、高效、窄带和宽带放大器。放大器的设计基本上需要器件模型/S 参数、CAD 工具、匹配和偏置网络以及制造技术。每种类型都需要额外的洞察力以满足所需的放大器规格。例如，低噪声放大器 (LNA) 需要低噪声器件和低损耗输入匹配网络，而功率放大器 (PA) 则需要功率器件和低损耗输出匹配网络。
射频和微波放大器具有以下特点：
• 带限射频响应
• 低于 100% 的 DC 到 RF 转换效率
• 在多个信号之间产生混合产物的非线性
* E6 W) W" |* r) w  _0 c, C2 S• 射频耦合，无直流响应
9 C  U* c' k9 P• 输出和输入之间与功率相关的幅度和相位差
• 与温度相关的增益，在较低温度时增益较高，反之亦然

1.2 晶体管放大器的早期历史
自 1960 年代中期和 1970 年代初以来，分别报道了使用基于 Si 的双极晶体管和基于 GaAs 的 MESFET 放大器。大多数基于 Si 的双极晶体管放大器的初始工作低于 C 波段频率，而基于 GaAs 的MESFET 放大器的设计高于 L 波段频率（有关频段名称，请参见附录 C）。 1980 年代初报道了低噪声 HEMT。从 S 到 X 波段工作的内部匹配窄带 MESFET 功率放大器在 1980 年代可用，而 Ku 波段放大器则在 1990 年代初推出。GaAs 单片微波集成电路 (MMIC) 放大器于 1976 年被报道，此后出现了在 LNA 和 PA 方面取得了巨大进步。MMIC 放大器的一些早期发展里程碑如下：
( Q2 A. X% G5 `7 z( [5 Q: K• 1976 年的 X 波段低功率 GaAs MESFET 放大器
• 1979 年的 X 波段 GaAs MESFET 功率放大器
• 1979 年的 K 波段 GaAs MESFET LNA
• 1986年Q波段GaAs MESFET功率放大器
* y  D7 L5 {; n( K4 I! h- P- A• 1988 年的 V 波段 GaAs HEMT LNA
% B4 x4 r# Y% D• 1989 年的 X 波段 GaAs HEMT 功率放大器
• 1992 年的 W 波段 HEMT LNA/功率放大器
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太好了，我很感兴趣的东东。\(^o^)/~

Terran

很高端的，微观的东西啊。