非線性微波電路與系統(tǒng)第二章非線性模型

非線性微波電路與系統(tǒng)第二章非線性模型第1頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月非線性微波電路與系統(tǒng)微波有源器件電真空器件（體積大，高壓，壽命短，僅用于 高功率場合）半導(dǎo)體器件微波二極管：

肖特基勢壘二極管（混頻、倍頻），變?nèi)荻O管（VCO），階躍恢復(fù)二極管（倍頻），PIN二極管（控制電路），耿氏Gunn二極管（振蕩器），雪崩Impatt二極管（振蕩器）等微波三極管微波二極管微波三極管：

BJT，F(xiàn)ET，MESFET，HBT，HEMT，pHEMT等非線性固態(tài)器件模型第2頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月非線性微波電路與系統(tǒng)半導(dǎo)體材料元素半導(dǎo)體（第一代）：Si，Ge，Se化合物半導(dǎo)體（第二代）：GaAs，InP（第三代）：SiC和GaN（寬禁帶）：功率高，耐高溫，抗輻射，功率密度大，工作電壓高固溶半導(dǎo)體：Si(1-x)Gex,Ga(1-x)AlxAs,In(1-x)GaxAs(1-y)Py非線性固態(tài)器件模型第3頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月YOURCOMPANYNAMEorYOURSITEADDRESS寬禁帶半導(dǎo)體定義：禁帶寬度大于2.2eV的半導(dǎo)體材料。4.1半導(dǎo)體材料特性參數(shù)非線性微波電路與系統(tǒng)第4頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體材料與MMIC的性能第一代半導(dǎo)體：Si、SiGe第二代半導(dǎo)體：GaAs、InP第三代半導(dǎo)體：寬禁帶（高功率）：SiC、GaN窄禁帶（高頻、低功耗、低噪聲）：InSb非線性微波電路與系統(tǒng)第5頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月非線性微波電路與系統(tǒng)固態(tài)器件的非線性等效電路模型線性元件（R，C，L）＋非線性元件（C，R或G，受控源）建模準(zhǔn)則：集總參數(shù)模型，采用準(zhǔn)靜態(tài)法，具體要求：（1）模型在很寬的頻帶內(nèi)有足夠的精度。（2）在滿足精度的要求下，模型越簡單越好。（3）固態(tài)器件必須能夠比較容易的確定模型的有關(guān)參數(shù)。非線性固態(tài)器件模型第6頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月替代定理非線性微波電路與系統(tǒng)線性替代定理：特性為I=f(v)的一個線性或非線性電阻元件和它特性相同的一個受控電流源等效。第7頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月非線性微波電路與系統(tǒng)非線性結(jié)論：將非線性元件歸結(jié)為兩大類非線性電容和非線性受控電流源（或電壓源）元件替代定理第8頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月非線性電導(dǎo)或電阻非線性微波電路與系統(tǒng)I=f（v）而V＝V0＋v（t）用臺勞級數(shù)在V0展開同樣可以推廣到兩個交流激勵的情況第9頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月非線性電容非線性微波電路與系統(tǒng)同理可得：推廣：準(zhǔn)線性：式中非線性電容兩端的電荷與電壓的非線性關(guān)系為第10頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月肖特基勢壘二極管非線性微波電路與系統(tǒng)本征非線性等效電路（二極管管芯）第11頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月非線性微波電路與系統(tǒng)耗盡層寬度：式中－擴(kuò)散電壓Nd

－摻雜濃度q－電子電荷結(jié)電荷函數(shù)：結(jié)電容函數(shù)：式中Cj0

－零偏壓結(jié)電容r一般為1/2，當(dāng)r＝1/3時稱為線性緩變結(jié)肖特基勢壘二極管第12頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月非線性微波電路與系統(tǒng)直流I/V特性表達(dá)式：稱為理想化因子，其值大于1，良好制做的二極管約為1.2肖特基勢壘二極管第13頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月砷化鎵場效應(yīng)晶體管GaAsMESFET非線性微波電路與系統(tǒng)源極柵極G漏級VdsVgs第14頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月非線性微波電路與系統(tǒng)砷化鎵場效應(yīng)晶體管GaAsMESFET第15頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月非線性微波電路與系統(tǒng)場效應(yīng)三極管的非線性等效電路GaAsMESFET的非線性等效電路第16頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月非線性微波電路與系統(tǒng)半導(dǎo)體器件非線性等效電路模型種類：（1）物理基模型（純理論方法）由材料特性和器件結(jié)構(gòu)，通過量子力學(xué)和電磁場理論等求解出等效電路模型及參數(shù)。難度極大，理想方法。（2）經(jīng)驗基模型（擬合方法）。[S]s（針對特定的電壓、電流和輸入功率）＋I(xiàn)/V（直流）求解出等效電路中的參數(shù)是目前最有效的、最常用的方法。相關(guān)參考文獻(xiàn)見下頁（3）測量法（復(fù)雜，繁瑣，工作量大）。將所有可能性全部測出，然后用軟件進(jìn)行計算最費時、最費力的砷化鎵場效應(yīng)晶體管GaAsMESFET第17頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月非線性微波電路與系統(tǒng)經(jīng)驗基模型參考文獻(xiàn)[1]KazuoShirakawaetc.AnapproachtodeterminganequalcircuitforHEMT.IEEE.MTT.1995[2]GillesDambrine.AnewmethodfordetermingtheFETsmall-signalequivelentcircuit.IEEE.MTT1988[3]JulioCCoastaetc.FastaccurateonwaferextractionofparasiticresistanceandinductancesinGaAsMESFETandinHEMTs.IEEEMTT-S1992[4]IAnhot.AsimpleHBTLarge-signalmodelforCAD.IEEEMTT-S2002[5]UCSD,ElectricalEngeneeringDept.High-speeddevicesgroop.HBTmodeling.Rev.9.001Ahttp://HBT..March2000砷化鎵場效應(yīng)晶體管GaAsMESFET第18頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月非線性微波電路與系統(tǒng)熱模型（溫度相關(guān)）I=f(V1,V2,V3……,Tj，Te)固態(tài)器件的非線性等效電路模型中，除了V1,V2,V3……之外還加入了Tj和Te（結(jié)溫和器件溫度）參量，它同下列條件有關(guān)：環(huán)境溫度、耗散功率Pd、器件接地、散熱熱阻等第19頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月二極管建模一、Schottky二極管建模方法1、等效電路其中，Ls為寄生電感，Cp封裝電容，Rs為歐姆接觸電阻，屬線性元件；Cj為結(jié)電容，gdc為結(jié)電導(dǎo)，屬非線性元件非線性微波電路與系統(tǒng)第20頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月參數(shù)提取方法（1）直接計算的方法a．結(jié)電容二極管建模非線性微波電路與系統(tǒng)第21頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月非線性微波電路與系統(tǒng)c．結(jié)電導(dǎo)d．寄生電感，寄生電阻，封裝電容的計算公式可以參考文獻(xiàn)：【TechnologyRelatedDesignofMonolithicMillimeter-WaveSchottkyDiodeMixers】,IEEETrans.onMicrowaveTheoryandTechniques,vol.40,No.7,July,1992二極管建模第22頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月非線性微波電路與系統(tǒng)三極管建模GaAsMMIC建模步驟：1、小信號等效電路：第23頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月大信號等效電路（本征部分）：三極管建模非線性微波電路與系統(tǒng)第24頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月非線性微波電路與系統(tǒng)柵極肖特基勢壘二極管模型參數(shù)提取所用公式提取的參數(shù)：飽和電流Is，理想因子n測試數(shù)據(jù)：二極管I-V特性曲線FET外部寄生參數(shù)提取。提取參數(shù)：Rg、Rd、Rs、Lg、Ld和Ls,測試數(shù)據(jù)：ColdFET（Vd=0）條件下的s參數(shù)三極管建模第25頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月非線性微波電路與系統(tǒng)

以上參數(shù)均可以通過直接計算得到。三極管建模第26頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月Ids模型參數(shù)提取I-V曲線公式其中,