1、第二章 高频电路中的元器件第二章第二章 高频电路中的元器件高频电路中的元器件2.1 高频电路中的无源器件高频电路中的无源器件2.2 高频电路中的有源器件高频电路中的有源器件2.3 实训实训:高频电路中的电阻元件特性分析高频电路中的电阻元件特性分析第二章 高频电路中的元器件2.1 高频电路中的无源器件高频电路中的无源器件2.1.1 电阻电阻 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:第二章 高频电路中的元器件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
2、。一个电阻R 的高频等效电路如图 2.1 所示。第二章 高频电路中的元器件图2.1 电阻的高频等效电路第二章 高频电路中的元器件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:图 2.2描绘了电阻的阻抗绝对值与频率的关系。第二章 高频电路中的元器件图 2.2描绘了电阻的阻抗绝对值与频率的关系。第二章 高频电路中的元器件2.1.2-电容电容 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:第二章 高频电路中的元器件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。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
3、。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。第二章 高频电路中的元器件图2.3 电容的高频等效电路第二章 高频电路中的元器件图 2.4 电容阻抗与频率的关系 第二章 高频电路中的元器件图 2.4 电容阻抗与频率的关系 第二章 高频电路中的元器件2.1.3 电感电感 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
4、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 的影响成为主要的因素,线圈阻抗逐渐降低。第二章 高频电路中的元器件图 2.5 高频电感的等效电路第二章 高频电路中的元器件图 2.6 电感的阻抗与频率的关系第二章 高频电路中的元器件根据电感高频等效电路图,可以方便地计算出整个电感的阻抗:第二章 高频电路中的元器件2.2-高频电路中的有源器件高频电路中的有源器件2.2.1 二极管二极管 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
5、,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。要第二章 高频电路中的元器件1.二极管的电容效应二极管的电容效应 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 相当于两者的并联,即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。第二章 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
6、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。第二章 高频电路中的元器件图2.7 二极管的等效电路第二章 高频电路中的元器件例例1 二极管 PN 结分布参数特性分析。解解 在 PSpice中选择一个二极管,并连接成图2.8所示的电路。图2.8 二极管频率特性测量电路 第二章 高频电路中的元器件仿真时把信号源的输入偏置电压设置成1V(
7、高于二极管结压降),选择幅度为1V 的 第二章 高频电路中的元器件 19 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。第二章 高频电路中的元器件图2.9 二极管 PN 结电容的作用第二章 高频电路中的元器件 观察二极管的频率响应特性,如图2.10所示。图2.10 二极管电路的频率特性第二章 高频电路中的元器件图2.10说明,二极管中确实存在电容。(1)当输入信号的频率低于10MHz时,输入和输出电压相差一个二极管的结压降(输
8、 出电压低于输入电压)。(2)输入信号的频率超过10MHz后,二极管压降开始减小。(3)当频率高到一定程度后(如10MHz),就会出现完全导通、没有结压降的结果。根据电路理论可知,图2.10恰好是图2.11所示高通电路的频率特性。第二章 高频电路中的元器件图2.11 高通电路(微分电路)第二章 高频电路中的元器件2.变容二极管变容二极管 在高频电路中,利用二极管的电容效应,还可以制成变容二极管。变容二极管是利用PN 结来实现的。PN 结的电容包括势垒电容和扩散电容两部分,变容二极管主要利用的是 势垒电容。变容二极管在正常工作时处于反偏状态,其特点是等效电容随偏置电压变化而 变化,且此时基本上不
9、消耗能量,噪声小,效率高。由于变容二极管的这一特点,可以将其 用在许多需要改变电容参数的电路中,从而构成电调谐器、自动调谐电路、压控振荡器等 电路。第二章 高频电路中的元器件PN 结在反向电压下的工作状态如图2.12所示。图2.12 PN 结在反向电压下的工作状态 第二章 高频电路中的元器件第二章 高频电路中的元器件第二章 高频电路中的元器件变容二极管的等效电路如图2.13所示图2.13 变容二极管等效电路 第二章 高频电路中的元器件要注意的是:在正电压摆动时变容二极管还存在整流效应,所以二极管的作用需要 考虑;在实际应用中可认为串联电阻Rs 是常数,但实际上Rs 是与工作电压和工作频率 有关
10、的函数;变容二极管的等效电路忽略了一些线性寄生参数,但由于接近接地的原因,这些线性寄生参数在包含分布线封装模型和一些电容的微波应用中,还是需要考虑的。第二章 高频电路中的元器件第二章 高频电路中的元器件为了说明变容二极管的特性,引用变容二极管的品质因数Qj(考虑变容二极管结电容 Cj 实际上比管壳电容Cp 大),定义如下:式中,f 是变容二极管的工作频率。第二章 高频电路中的元器件变容二极管品质因数随Rs 的增加而减小,在低反向偏压时,突变变容二极管的品质 因数Qj 比超突变变容二极管的要大。不过,在高一些的反向偏压时,超突变变容二极管的 品质因数变的大一些,这是超突变变容二极管电容的更快速减
11、小所造成的。如图2.14所 示,一般在110V 反向偏压的线性谐振范围内,超突变变容二极管的Qj 较小。变容二极 管的功耗很大,带有超突变变容二极管的压控振荡器的输出功率变小。第二章 高频电路中的元器件图2.14 变容二极管品质因数与偏置电压的关系第二章 高频电路中的元器件3.几种经常使用的高频二极管几种经常使用的高频二极管 在高频电路中,二极管工作在低电平时,主要用点接触式二极管和表面势垒二极管(又称肖特基二极管)。两者都利用多数载流子导电机理,它们的结面积小,极间电容小,工作频率高。常用的点接触式二极管(如 2AP 系列)的工作频率可到100200MHz,而表 面势垒二极管的工作频率可高至
12、微波范围。图2.15所示为点接触式二极管结构。第二章 高频电路中的元器件图2.15 点接触式二极管结构 第二章 高频电路中的元器件肖特基二极管在结构原理上与 PN 结二极管有很大区别,图2.16所示为肖特基二极管 结构。第二章 高频电路中的元器件图2.16 肖特基二极管结构 第二章 高频电路中的元器件在高频电路中,还经常使用 PIN 二极管。PIN 二极管是一种以 P型半导体、N 型半导 体和本征(I)型半导体构成的半导体二极管,它具有较强的正向电荷储存能力。它的高频等 效电阻受正向直流电流的控制,是一个可调电阻。由于其结电容很小,因而二极管的电容 效应对频率特性的影响很小。PIN 二极管可工
13、作在几十兆赫到几千兆赫频段,常被应用于 高频开关(即微波开关)、移相、调制、限幅等电路中。图2.17所示为 PIN 二极管结构,图 2.18为 PIN 二极管的等效模型。第二章 高频电路中的元器件图2.17 PIN 二极管结构第二章 高频电路中的元器件图2.18 PIN 二极管等效模型第二章 高频电路中的元器件2.2.2-晶体管晶体管 高频晶体管有两大类型:一类是进行小信号放大的高频小功率管,对它们的主要要求 是高增益和低噪声;另一类为高频功率放大管,除了增益外,要求其在高频时有较大的输 出功率。第二章 高频电路中的元器件1.晶体管混合晶体管混合等效模型等效模型 在分析高频小信放大器时,首先要
14、考虑晶体管在高频时的等效模型。图2.19是双极型 晶体管共射小信号混合等效模型,它反映了晶体管中的物理过程,也是分析晶体管高频 特性的基本等效模型。第二章 高频电路中的元器件图2.19 晶体管混合等效模型 第二章 高频电路中的元器件第二章 高频电路中的元器件第二章 高频电路中的元器件根据以上物理意义,图2.19双极型晶体管共射混合等效电路可以简化成图2.20。图2.20 双极型晶体管共射混合等效模型简化模型第二章 高频电路中的元器件2.晶体管的高频参数晶体管的高频参数 在分析和设计高频电路时,必须了解晶体管的高频参数。(1)电流放大系数。共发射极电路的电流放大系数与频率的关系见图2.21。从图
15、上 看出,随工作频率的上升而下降。与频率的关系式如下:式中:0 是低频率时的电流放大系数,0 比1大得多。第二章 高频电路中的元器件图2.21 电流放大系数与频率的关系第二章 高频电路中的元器件第二章 高频电路中的元器件(4)最高工作频率fmax。最高工作频率fmax是双极型晶体管所能使用的最高工作频 率。当双极型晶体管的功率增益GP=1时的工作频率称为最高工作频率fmax,表示为 fmax、fT、f 三个工作频率之间的关系是:fmaxfTf。第二章 高频电路中的元器件3.晶体管晶体管 Y参数等效模型参数等效模型 混合等效模型中各元件的数值不易测量,电路的计算比较麻烦,直接用混合等效 模型分析
16、高频放大器性能时很不方便。在分析高频小信号放大器时,采用 Y 参数等效模型 进行分析是比较方便的。利用晶体管的 Y 参数等效模型进行分析可以不必了解晶体管内部 的工作过程。晶体管的 Y 参数通常可以用仪器测出,有些晶体管的手册或数据单上也会给 出这些参数量(一般是在指定的频率及电流条件下的值)。第二章 高频电路中的元器件第二章 高频电路中的元器件图2.22 晶体管共发射极电路第二章 高频电路中的元器件第二章 高频电路中的元器件第二章 高频电路中的元器件图2.23 晶体管 Y 参数等效电路第二章 高频电路中的元器件第二章 高频电路中的元器件4.晶体管频率特性晶体管频率特性 在分析由高频小功率管组
17、成的交流放大电路时,其重要的交流特性就是电路频率特 性,也就是电路所具有的频带。电路的频率特性与高频管频率特性有着密切的关系。尽管 在上述分析中使用等效模型的概念,但实际的电路由于三极管频率特性的限制以及输入和 输出端电容的存在,都会引起电路频率特性的改变。同时,为了确定电路的正常工作条件,保证模型成立,也必须对电路进行频率分析。第二章 高频电路中的元器件分析频率特性有两种方法:一种是傅里叶变换分析方法,另一种是波特图方法。这里 将讨论如何利用 PSpice仿真软件分析电路的频率特性。仿真分析的方法比较简单,就是通过输入信号的激励,观察输出信号的频率范围。在 输入信号幅度不变的条件下,观察输出
18、信号不同频率成分的幅度变化(同一频率下输入和 输出信号的比值)。在工程实际中,这个比值采用对数测量方法,即 第二章 高频电路中的元器件用 PSpice仿真软件分析三极管共射极交流放大电路的幅频特性。选用2N2222三极 管,其仿真测量电路如图2.24所示,幅频特性如图2.25所示。第二章 高频电路中的元器件图2.24 共射极交流放大电路 第二章 高频电路中的元器件图2.25 幅频特性第二章 高频电路中的元器件2.2.3 场效应管场效应管 1.MOS场效应管混合场效应管混合等效模型等效模型 从控制方式和信号相互作用的角度看,场效应管的分析模型与三极管的电路分析模型相似。所不同的是,MOS场效应管
19、栅极的输入电流几乎为零,因此,可以认为 MOS场效 应管的输入电阻无限大。在分析有 MOS场效应管的电路时,主要考虑输出电流Id 受输入 电压Ugs和衬底电压Ubs的控制,同时还要考虑栅漏极电容Cgd、栅源极电容Cgs,以及衬底 与各极的电容Cgb、Csb、Cdb。图 2.26 为 MOS 场效应管的结构示意图,图 2-27 给出了 MOS场效应管的源极和衬底相连时的混合共源等效模型。第二章 高频电路中的元器件图2.26 MOS场效应管的结构示意图第二章 高频电路中的元器件图2.27 MOS场效应管混合共源等效模型第二章 高频电路中的元器件第二章 高频电路中的元器件第二章 高频电路中的元器件第
20、二章 高频电路中的元器件2.场效应管场效应管 Y 参数等效模型参数等效模型 一个场效应管可以看成有源四端网络,如图2.28所示。图2.28 MOS场效应管 Y 参数等效模型第二章 高频电路中的元器件第二章 高频电路中的元器件第二章 高频电路中的元器件第二章 高频电路中的元器件3.场效应管频率特性场效应管频率特性 用 PSpice仿真软件分析 MOS管电路交流放大电路的幅频特性。选用IRF150 场效应 管,其仿真测量电路如图2.29所示。第二章 高频电路中的元器件图2.29 MOS管交流放大电路 第二章 高频电路中的元器件MOS管交流放大电路的频率特性如图2.30所示。当输入信号频率为22.5
21、5kHz时,电压增益为18.09dB,放大倍数随频率的增加而增加。当输入信号频率超过485.92kHz 时,电压增益减少。这是因为信号频率超过 MOS 管的允许工作频率后,输出电压受到 MOS管等效模型中分布电容的影响。有第二章 高频电路中的元器件图2.30 MOS管电路频率特性第二章 高频电路中的元器件2.3 实训实训:高频电路中的电阻元件特性分析高频电路中的电阻元件特性分析范例范例:高频电路中的电阻元件特性分析高频电路中的电阻元件特性分析 步骤一步骤一 了解 PSpice电路仿真的基本流程 第二章 高频电路中的元器件图2.31 PSpice电路仿真的基本流程第二章 高频电路中的元器件步骤二
22、步骤二 创建新的仿真项目(1)首先安装 OrCAD10.5版本,在程序组中启动 CaptureCIS。第二章 高频电路中的元器件(3)弹 出 CreatePSpiceProject窗 体,选 择 Createa blankproject,点击 OK 按钮。(4)项目创建成功,跳出该项目的文件管理器,展开文 件树如图2.32所示。第二章 高频电路中的元器件图2.32-仿真项目文件树结构第二章 高频电路中的元器件(5)双击图2.32中的PAGE1打开电路文件编辑窗口,可以看到新增的工具栏,如图2.33所示。图2.33 新增工具栏第二章 高频电路中的元器件(6)如果是新装的 OrCAD,需要添加元件
23、库:点击工具栏中 按钮,打开 PlacePart 窗口,点击 AddLibrary按钮,选择库文件目录:OrCADOrCAD_10.5toolscapture librarypspice,将其中的元件库全部添加进来。此时可以看到 Libraries窗口中出现很多库 文件名称。第二章 高频电路中的元器件步骤三步骤三 编辑电路图,选取元器件,连接线路 电路图如2.34所示(本书实训中用 PSpice软件绘制的电路图,其元件器绘制标准与我 国国家标准略有不同,读者可参阅相关手册及标准)。第二章 高频电路中的元器件图2.34 10k电阻的高频等效模型(L为引线电感,C为寄生电容)第二章 高频电路中的元
24、器件第二章 高频电路中的元器件(3)修改元器件参数:电阻 R从元件库里调出后有默认的名称(R1)和阻值(1k),按 照图2.34电路图要求进行修改,双击“R1”调出 DisplayProperties窗口,在 Value处将电 阻的名称改为 R,双击“1k”调出 DisplayProperties窗口,在 Value处将电阻的阻值改为 10k。在设置参数时有以下几点注意事项:设置各个参数时单位可以不填写。仿真软件对字母大小写不敏感,即 M 和 m 都表示10-3,用 meg表示 M 或106。用u表示或10-6。第二章 高频电路中的元器件 (4)用 同 样 的 方 法 调 出 并 放 置 电
25、路 中 其 他 元 器 件:电 感(L/ANALOG)、电 容(C/ANALOG)、正弦交流电压源(VSIN/SOURCE),并按照图中要求设置各元器件参数。正弦交流信号源 VSIN 各参数意义如下:VOFF:直流基准电压。VAMPL:幅度电压(峰值)。FREQ:交流信号源频率。第二章 高频电路中的元器件第二章 高频电路中的元器件步骤四步骤四 交流分析 1.仿真参数设定仿真参数设定 交流分析主要是针对电路因信号频率改变而发生某些参数改变所作的分析,本实训利 用交流分析观察高频电路中电阻阻抗与频率的关系。(1)点击工具栏中的 按钮或者从菜单中选择 PSpiceNewSimulationProfi
26、le,弹 出 NewSimulation窗口,在 Name中填写 Test1,点击 Create创建名为 Test1的仿真配置 文件,弹出SimulationSettings窗口。第二章 高频电路中的元器件(2)在SimulationSettings窗口选择 Analysis标签,在 AnalysisType下拉列表里面 选择 ACSweep(交流分析)GeneralSettings。(3)ACSweepType(交流扫描类型)分为 Linear(线性扫描)和 Logarithmic(对数扫 描)两种,在 Logarithmic下又有 Octave(倍频程扫描)、Decade(十倍频程扫描)两
27、种类型。现选用 Decade十倍频程扫描类型。第二章 高频电路中的元器件(4)选择 Decade,设置StartFrequency(仿真起始频率)为0Hz,EndFrequency(仿真 终止频率)为1THz,设置 Points/Decade(十倍频程扫描记录)1000点。点击确定按钮保存 本次仿真参数设定。第二章 高频电路中的元器件2.执行仿真、检查错误、查看波形执行仿真、检查错误、查看波形(1)点击工具栏中的 按钮执行仿真。如果电路连接和仿真参数设定都没有错误,仿 真结束后会弹出波形显示窗口。(2)根据以上提示,可以看出没有设置交流分析的 AC源。回第二章 高频电路中的元器件(3)从菜单中
28、选择 TraceAddTrace,弹出 AddTrace窗口,在 TraceExpression栏 处用鼠标选择或直接由键盘输入字符串“V(V:+)/I(V:+)”(用回路电压与电流的比值表 示阻抗)。再用鼠标点击“OK”按钮退出 AddTrace窗口。这时将出现如图2.35(a)所示曲 线。选择菜单 PlotAxisSettings,弹出 AxisSettings(坐标轴设置)窗口,点选 Y Axis标 签,将Scale设置为 Log,也就是选择对数坐标,得到图2.35(b)所示曲线。第二章 高频电路中的元器件图2.35 10k电阻在高频电路中阻抗与频率的关系曲线第二章 高频电路中的元器件3
29、.分析波形、读取数值分析波形、读取数值(1)根据图2.35可以看出,10k 电阻在高频电路中由于存在引线电感和寄生电容,其阻抗的大小随频率变化而变化,频率较低时,阻抗以电阻 R 为主,为10k,随着频率 升高,寄生电容的影响成为主要因素,引起电阻阻抗下降,直到降到一个最低值后,随着 频率继续升高,引线电感的影响成为主要因素,电阻阻抗又开始上升。图2.35(b)所示曲线 与图2.2类似,仿真结果正确。第二章 高频电路中的元器件(2)读取阻抗最低值坐标:点击工具栏中的 按钮,我们可以看到后面的工具栏由灰 色锁定状态变为可用的状态,同时也会弹出一个显示光标所在的坐标数据的小窗口(Probe Curs
30、or)。工第二章 高频电路中的元器件点击 将光标定位在波形最小值处,ProbeCursor显示如图2.36所示,其中 A1表示 最小值的横纵坐标,A2表示最左下角参考点的横纵坐标,dif表示两个坐标之间的差值。因此可以读出,波形的最小值表示当电路频率在 9.954GHz时,10k 电阻的阻抗值为 71.4m。第二章 高频电路中的元器件图2.36 ProbeCursor窗口 第二章 高频电路中的元器件步骤五步骤五 瞬态分析 瞬态分析用于观察电路中各信号与时间的关系,它可在给定激励信号情况下,求电路 输出的时间响应、延迟特性;也可在没有任何激励信号的情况下,求振荡波形、振荡周期 等。瞬态分析运用最
31、多,也最复杂,而且耗费计算机资源。本实训利用瞬态分析观察高频 电路中电阻上电压随时间的变化。第二章 高频电路中的元器件1.仿真参数设定仿真参数设定第二章 高频电路中的元器件2.执行仿真、查看波形执行仿真、查看波形 第二章 高频电路中的元器件3.分析波形、读取数值分析波形、读取数值(1)根据图2.37可以看出,10k 电阻在固定频率的高频电路中其上的电压不会随时 间发生变化。(2)读取电压波峰值:点击工具栏中的 按钮,选择 按钮将光标定位在下一个最 大值即波峰位置,通过 ProbeCursor窗口读出此时波峰值为1.9990V,与电压源2V 基本 相等,仿真完成。第二章 高频电路中的元器件图2.37 10k电阻上电压的时域波形
