第2章高频电路中的元器件

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,2.1.1,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：,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，,C,R,为分布电容，,L,R,为引线电感，,R,为电阻。由于容抗为,1/(,C,)，,感抗为,L,，,其中,=2,f,为角频率，可知容抗与频率成反比，感抗与频率成正比。,2.1,高频电路中的无源器件,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,。,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：,(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，引线电感在很高的频率下代表开路或无限大阻抗。,图,2.2 1,k,碳膜电阻阻抗与频率的关系,2.1.2,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：(,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。,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,R,1,表示，介质损耗用一个并联的电阻,R,2,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抗特性。,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：,(2-4),2.1.3,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。,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,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：,(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。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。,2.2.1,二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，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的参数。,2.2,高频电路中的有源器件,1.,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。,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，,r,s,为二极管,P,区和,N,区的体电阻，,r,j,为二极管,PN,结结电阻。,图,2.7,二极管的等效电路,(a),二极管的物理模型；,(b),简化等效电路,例,1,二极管,PN,结分布参数特性分析。,解,在,PSpice,中选择一个二极管，并连接成图,2.,8 所示的电路。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,所示。,图,2.8,二极管频率特性测量电路,图,2.9,二极管,PN,结电容的作用,信源电压,负载电压,图,2.10,二极管电路的频率特性,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,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，二极管压降开始减小。,(3),当频率高到一定程度后,(如10,MHz)，,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。,图,2.11,高通电路,(,微分电路,),2.,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。此外，具有变容效应的某些微波二极管,(,微波变容管,),还可以进行非线性电容混频、倍频。下面讨论变容二极管的特性。,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,当外加反向电压建立的外电场与,PN,结的内电场方向一致时，结区总电场将增加。这时，空间电荷数目增加，结区宽度增加，阻止了多数载流子的扩散，电荷集聚于,PN,结结区两边，中间为高阻绝缘层,(,耗尽层,),，因而,PN,结成了一个充有电荷的电容器，其电容量由结区宽度决定，而结区宽度又取决于,PN,结的接触电位差和外加反向电压。当外加反向电压较小时，结区较窄，电容量较大，如图,2.12(,a),所示。,当外加反向电压增加时，结区较宽，电容量减小，如图,2.12(,b),所示。当外加反向电压接近,PN,结反向击穿电压,U,BR,时，变容管呈现的电容趋于最小值,C,j,min,，,通常称,C,j,min,为变容管的最小结电容。变容管电容量的变化率随反向电压值的不同而不同，在零电压附近变化率最大，反向电压愈大，变化率愈慢。变容管等效电容与外加反向电压的关系可用指数为,的函数近似表示，即,(2-6),式中，,U,v,为外加控制电压；,U,为,PN,结的接触电压，其值取决于变容二极管的掺杂剖面,(,一般硅管约等于,0.7,V，,锗管约等于,0.2,V)；,U,BR,为反向击穿电压,;,为电容变化指数,(,结灵敏度,),，它取决于,PN,结的结构和杂质分布情况，其值随半导体掺杂浓度和,PN,结的结构不同而变化。当,PN,结为缓变结时，,=1/3；,当,PN,结为突变结时，,=1/2；,当,PN,结为超突变结时，,=14，,最大可达,6,以上。,式(2-6),可以改写为,在,Uv,=0,时的变容二极管结电容为,Cj0，,令,得,(2-7),其中,式(2-7),是描述变容管等效电容,C,j,与外加反向电压,U,v,的一种常用表示式。变容二极管的等效电路如图,2.13,所示，图中,C,j,是可变耗尽层电容，,C,p,是管壳电容，,R,s,是串联接触杂散电阻，,L,s,是合成管壳电感，,VD,是二极管结,(在,PN,结反偏时可等效成一个方向电阻,R,p,)。,图,2.13,变容二极管等效电路,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,R,s,是常数，但实际上,R,s,是与工作电压和工作频率,有关的函数,;,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。,变容二极管必须工作在反向偏压状态，所以工作时需加负的静态直流偏压,-,U,Q,。,若信号电压为,u,c,(,t,)=,U,Q,+,U,cm,cos,t,，,则变容管上的控制电压为,u,v,(,t,)=,U,Q,+,U,cm,cos,t,(2-8),代入表达式,(2-7),后，可以得到,(2-9),式中，为,电容调制度,；，为当偏置为,U,Q,时,变容二极管的 电容量。,式,(2-9),说明，变容二极管的,电容量,C,j,受信号,U,cm,cos,t,的控制，,控制的规律,取决于电容变化指数,，,控制深度,取决于电容调制度,m,。,变容管的典型最大电容值约为几皮法至几百皮法，可调电容范围,(,C,j,max,/,C,j,min,),约为,31,。有些变容管的可调电容范围可高达,151,，这时的可控频率范围可接近 4,1,。,经常使用的变容管压控振荡器的频率可控范围约为振荡器中心频率的,25,。为了说明变容二极管的特性，引用变容二极管的,品质因数,Q,j,(,考虑变容二极管结电容,C,j,实际上比管壳电容,C,p,大),，定义如下：,(2-10),式中，,f,是变容二极管的工作频率。,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小所造成的。如图,2.14,所示，一般在,110,V,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。,图,2.14,变容二极管品质因数与偏置电压的关系,3.,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,2,AP,系列,),的工作频率可到 100,200,MHz，,而表面势垒二极管的工作频率可高至微波范围。图,2