3 场效应管频率特性

2.2 高频电路中的有源器件
2.2.1
在高频电路中二极管主要用于调制、 检波、 解调、 混
频及锁相环等非线性变换电路。
工作在不同的状态，二极管中的电容产生的影响效果也 不同。二极管的电容效应在高频电路中不能忽略。要正确使 用二极管，可参考半导体器件手册中给出的不同型号二极管
第2 章
1.
高频电路中的元器件
统响应。电容在低频时电容值与频率成反比，在高频时电容
中的电介质产生了损耗，显示出电容的阻抗特性。电感在低 频时阻抗响应随频率的增加而线性增加，在高频时显示出电 容特性。这些无源器件在高频的特性都可以通过前面提到的 品质因数描述。
对于电容和电感来说，为了达到调谐的目的，通常希望
第2 章
高频电路中的元器件
第2 章
高频电路中的元器件
二极管是一个非线性器件，而对非线性电路的分析和计
算是比较复杂的。为了使电路的分析简化，可以用线性元件
组成的电路来模拟二极管。考虑到二极管的电阻和门限电压
的影响，实际二极管可用图2.7所示的电路来等效。在二极管
两端加直流偏置电压和二极管工作在交流小信号的条件下， 可以用简化的电路来等效，如图2.7(b)所示。图中，rs为二极 管P区和N区的体电阻，rj为二极管PN
第2 章
高频电路中的元器件
图 2.2 1 kΩ碳膜电阻阻抗与频率的关系
第2 章 2.1.2
高频电路中的元器件
一个实际的电容器，在低频时表现出阻抗特性。可用下 面的关系式说明电容的阻抗：
1 ZC j C
(2-3)
但实际上一个电容器的高频特性要用高频等效电路来描 述，如图2.3所示。
第2 章
第2 章
高频电路中的元器件
图2.7 (a) 二极管的物理模型； (b)
第2 章
高频电路中的元器件
例1 二极管PN
解
在PSpice中选择一个二极管，并连接成图2.8所示
仿真时把信号源的输入偏置电压设置成1 V(高于二极管
结压降)，选择幅度为1 V的方波，仿真结果如图2.9所示。可
以看到，输入的方波电压在输出端发生了变化，形成 了上升阶段和下降阶段的过脉冲，以及其后的放电效应，这 说明二极管的PN结存在电容，而这个电容在低频阶段(方波 的平坦区域)没有起作用。 观察二极管的频率响应特性，如图2.10
第2 章
高频电路中的元器件
频率越高，电阻器的高频特性表现越明显。在实际使用
时，要尽量减小电阻器高频特性的影响，使之表现为纯电阻。
根据电阻的等效电路图，可以方便地计算出整个电阻 的阻抗：
1 Z R j L jC 1 / R
(2-2)
图 2.2描绘了电阻的阻抗绝对值与频率的关系。低频时 电阻的阻抗是R，然而当频率升高并超过一定值时，寄生电 容的影响成为主要的因素，它引起电阻阻抗的下降。当频率 继续升高时，由于引线电感的影响，总的阻抗又上升，引线
第2 章
高频电路中的元器件
2.1 高频电路中的无源器件
2.2 高频电路中的有源器件 习题
第2 章
高频电路中的元器件
2.1 高频电路中的无源器件
2.1.1
一个实际的电阻器，在低频时主要表现为电阻特性。电 阻是导体由欧姆定律所决定的电学参数，表示了电流与电压 的关系： U=RI (2-1) 对于工程中的电阻元件，在高频使用时不仅表现有电阻 特性的一面，还表现有电抗特性的一面。电阻器的电抗特性 反映的就是其高频特性。一个电阻R的高频等效电路如图2.1 所示。其中，CR LR为引线电感，R为电阻。 由于容抗为1/(ωC)，感抗为ωL，其中ω=2πf为角频率，可知 容抗与频率成反比，感抗与频率成正比。
根据电感高频等效电路图，可以方便地计算出整个电感
ZL
R jL / jC
1 R j L C
(2-5)
从以上分析可以看出。在高频电路中，电阻、 电容、
电感连同导线这些基本无源器件的特性明显与理想元件特性
不同。
第2 章
高频电路中的元器件
电阻在低频时阻值恒定，在高频时显示出谐振的二阶系
第2 章
高频电路中的元器件
图2.1 电阻的高频等效电路
第2 章
高频电路中的元器件
分布电容和引线电感越小，表明电阻的高频特性越好。
电阻器的高频特性与制作电阻的材料、 电阻的封装形式和尺
寸大小有密切关系。一般说来，金属膜电阻比碳膜电阻的高 频特性要好，而碳膜电阻比线绕电阻的高频特性要好，表面 贴装(SMD)电阻比引线电阻的高频特性要好，小尺寸的电阻
Z C jL R1
1 1 jC 2 R
(2-4)
第2 章 2.1.3
高频电路中的元器件
电感通常由导线在圆柱导体上绕制而成，因此电感除了
考虑本身的感性特征外，还需要考虑导线的电阻以及相邻线 圈之间的分布电容。高频电感的等效电路模型如图2.5所示， 寄生旁路电容C和串联电阻R分别是考虑到分布电容和导线电 阻的综合效应而加的。与电阻和电容相同，电感的高频特性
作频率小于自身谐振频率时，电容器呈正常的电容特性； 但
当工作频率大于自身谐振频率时，电容器的阻抗随频率的升
第2 章
高频电路中的元器件
图2.3 电容的高频等效电路
第2 章
高频电路中的元器件
图 2.4 电容阻抗与频率的关系
第2 章
高频电路中的元器件
根据电容的高频等效电路图，可以方便地计算出整个电 容的阻抗：
高频电路中的元器件
其中，电感 L为分布电感或(和)极间电感，小容量电容
器的引线电感也是其重要组成部分。引线导体损耗用一个串
联的等效电阻R1表示，介质损耗用一个并联的电阻R2表示， 同样得到一个典型电容器的阻抗与频率的关系，如图 2.4所 示。由于存在介质损耗和有限长的引线，电容显示出与电阻 同样的谐振特性。每个电容器都有一个自身谐振频率。当工
同样与理想电感的预期特性不同，如图2.6所示。首先，当频
率接近谐振点时，高频电感的阻抗迅速提高； 然后，当频率 继续提高时，寄生电容C的影响成为主要的因素，线圈阻抗
第2 章
高频电路中的元器件
图 2.5 高频电感的等效电路
第2 章
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图 2.6 电感的阻抗与频率的关系
第2 章
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二极管具有电容效应。它的电容包括势垒电容CB和扩散
电容CD。二极管呈现出的总电容Cj Cj＝CB+CD。 当二极管工作在高频时，其PN结电容(包括扩 散电容和势垒电容)不能忽略。当频率高到某一程度时，电容 的容抗小到使PN结短路, 导致二极管失去单向导电性，不能
工作。
PN结面积越大，电容也越大，越不能在高频情况下工作。