【精品课件】高频电路中的元器

根据电感高频等效电路图，可以方便地计
ZL
RjL/ jC
R jL1C
(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。
电阻在低频时阻值恒定，在高频时显示 出谐振的二阶系统响应。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。
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
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。
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
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：
(2-2)
ZRjLjC11/R
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
对于电容和电感来说，为了达到调谐的 目的，通常希望得到尽可能高的品质因数。
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
1.
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
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
图 2.5 高频电感的等效电路
图 2.6 电感的阻抗与频率的关系
图2.3 电容的高频等效电路
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 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 的阻抗随频率的升高而增大，这时电容器呈现出感
图2.3 电容的高频等效电路
图 2.4 电容阻抗与频率的关系
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：
ZCjLR1jC1R12
(2-4)
2.1.3
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
图2.7 (a) 二源自文库管的物理模型； (b)
例1 二极管PN 解 在PSpice中选择一个二极管，并连接成 图2.8 仿真时把信号源的输入偏置电压设置成1V(高于 二极管结压降)，选择幅度为1V 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所示。
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 为分 布电容，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。
图2.1 电阻的高频等效电路
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，小尺寸的电阻比大尺寸的 电阻的高频特性要好
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，引线电感在很高的频率下代表开路
图 2.2 1 kΩ碳膜电阻阻抗与频率的关系
2.1.2
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：
ZC
1
jC
(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。
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 结结电阻。
图2.8 二极管频率特性测量电路
信源电压
负载电压 图2.9 二极管PN结电容的作用
图2.10 二极管电路的频率特性
图2.10 (1) 当输入信号的频率低于10 MHz时，输入和 输出电压相差一个二极管的结压降(输出电压低于输 入电压) (2) 输入信号的频率超过10 MHz后，二极管压
(3) 当频率高到一定程度后(如10 MHz)，就会 出现完全导通、