高频电子线路(第四版()课件.ppt

1、第2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 2.2 高频电路中的有源器件高频电路中的有源器件2.3 实训：高频电路中的电阻元件特性分析实训：高频电路中的电阻元件特性分析 习题习题 第2章 高频电路中的元器件 2.1 高频电路中的无源器件高频电路中的无源器件 U=RI (2-1)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：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

2、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/(C)，感抗为L，其中=2f为角频率，可知容抗与频率成反比，感抗与频率成正比。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 寄生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。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，

3、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)RCLZR/1j1j 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。第2章 高频电路中的元器件 图 2.2 1 k碳膜电阻阻抗与频率的关系第2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：但实际上一个电容器的高频特

4、性要用高频等效电路来描述，如图2.3所示。CZCj1(2-3)第2章 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。第2章 高频电路中的元器件 图2.3 电容的高频等

5、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 211j1jRCRLZC(2-4)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：第2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，

6、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 高频电路中的元器件 图 2.6 电感的阻抗与频率的关系第2章 高频电路中的元器件 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。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：CLjRCLRZL1j/j(2-5)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

7、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。第2章 高频电路中的元器件 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，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高频电路中的有源器件 第2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

8、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CjCB+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，电容越大，越不能在高频情况下工作。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

9、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2章 高频电路中的元器件 图2.7 二极管的等效电路(a)二极管的物理模型；(b)简化等效电路第2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。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

10、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。第2章 高频电路中的元器件 图2.8 二极管频率特性测量电路第2章 高频电路中的元器件 图2.9 二极管PN结电容的作用第2章 高频电路中的元器件 图2.10 二极管电路的频率特性第2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2.1

11、1所示高通电路的频率特性。第2章 高频电路中的元器件 图2.11 高通电路(微分电路)第2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，且此时基本上不消耗能量，噪声小，效率高。第2章 高频电路中的元器件 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

12、(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。第2章 高频电路中的元器件 图2.12 PN结在反向电压下的工作状态第2章 高频电路中的元器件 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。第2章 高频电路

13、中的元器件 UUUUCCVBRminjj(2-6)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UBR时，变容管呈现的电容趋于最小值Cj min，通常称Cj 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，即第2章 高频电路中的元器件 式中，Uv 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)；UBR为反向击穿电压;为电容变

14、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。第2章 高频电路中的元器件 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UUUUUCCvBRminjjUUUCCBRminj0 jUUCCv10 jj(2-7)第2章 高频电路中的元器件 其中 式(2-7)是描述变容管等效电容Cj与外加反向电压Uv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Cj 是可变耗尽层电容，Cp是管壳电容，Rs

15、 是串联接触杂散电阻，Ls 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Rp)。)(ddjjUUUCCvv第2章 高频电路中的元器件 图2.13 变容二极管等效电路第2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2章 高频电路中的元器件 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

16、态直流偏压-UQ。若信号电压为 uc(t)=UQ+Ucm cost，则变容管上的控制电压为uv(t)=UQ+Ucmcost (2-8)第2章 高频电路中的元器件 代入表达式(2-7)后，可以得到 式中，为电容调制度；，为当偏置为UQ时变容二极管的电容量。tmCUtUUCCcos1cos1jQcmQj0jUUUmQcmUUCCQ10 jjQ(2-9)第2章 高频电路中的元器件 式(2-9)说明，变容二极管的电容量Cj受信号Ucm 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(Cj max/Cj min)约为3

17、 1。有些变容管的可调电容范围可高达 15 1，这时的可控频率范围可接近4 1。第2章 高频电路中的元器件 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Cj实际上比管壳电容Cp 大)，定义如下：(2-10)式中，f是变容二极管的工作频率。sjsjj211RfCRCQ第2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

18、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。第2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2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 100200 MHz，而表面势垒二极管的工作频率可高至微

19、波范围。图2.15所示为点接触式二极管结构。第2章 高频电路中的元器件 图2.15 点接触式二极管结构第2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。它的内部是由阳极金属(用钼或铝等材料制成的阻挡层)、二氧化硅(SiO2)电场消除材料、N-外延层(砷材料)、N型基片、N+阴极层及阴极金属等构成的，如图2.16(a)所示。在N型基片和阳极金属之间形成肖特基势垒。当在肖特基势垒两端加上正向偏压(阳极金属接电源正极，N型基片接电源负极)时，肖特基势垒层变窄，其内阻变小；反之，若在肖特基势垒两端加上反向偏压，则肖特基势垒层变宽，其内阻变大

20、。第2章 高频电路中的元器件 图2.16 肖特基二极管结构(a)肖特基二极管内部结构；(b)肖特基二极管外部结构；(c)肖特基二极管外形第2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

21、型。第2章 高频电路中的元器件 图2.17 PIN二极管结构第2章 高频电路中的元器件 图2.18 PIN二极管等效模型 (a)PIN二极管正向偏置时的等效模型；(b)PIN二极管反向偏置时的等效模型第2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。目前双极型小信号放大管的工作频率可达几千兆赫兹，噪声系数为几分贝。在高频大功率晶体管方面，在几百兆赫兹以下频率，双极型晶体管的输出功率可达十几瓦至上百瓦。在分析高频放大器时，要考虑晶体管

22、频率特性及晶体管在高频时的等效模型。晶体管等效模型有混合等效模型、晶体管参数等效模型。第2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2章 高频电路中的元器件 图2.19 晶体管混合等效模型第2章 高频电路中的元器件 晶体管共射小信号混合等效模型中各元件的物理意义如下：(1)rbe是发射结的结层电阻。当发射结工作在正偏置时，rbe的数值比较小。它的大小与发射极电流IE的关系如下：把rbe写成电导形式

23、gbe：gbe=eb1r0Eeb)mV(26Ir第2章 高频电路中的元器件(2)Cbe是发射结电容。Cbe包含势垒电容Cje和扩散电容CDe两部分，即Cbe=CDe+Cje当发射结工作在正偏置时，电容CDe比较大，所以 CbeCDe。第2章 高频电路中的元器件(3)rbc是集电结电阻。当集电结工作在反向偏置时，rbc较大，一般可忽略。(4)Cbc是集电结电容。Cbc包含势垒电容 Cjc和扩散电容CDc两部分,当集电结工作在反向偏置时，电容CDc很小，所以CbcCjc。(5)rbb是基极体电阻,是基极引线的电阻。(6)gm是晶体管等效电流源。gm 是晶体管的正向传输跨导且 ebUeb0EmmV2

24、6rIg第2章 高频电路中的元器件(7)rce是集电极输出电阻,一般很大。(8)Cce是集电极与发射极电容,一般很小。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。第2章 高频电路中的元器件 图2.20 双极型晶体管共射混合等效模型简化模型第2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。从图上看出,随工作频率的上升而下降。与频率的关系式如下：(2-11)式中：0是低频率时的电流放大系数，0比1大得多。ffj10第2章 高频电路

25、中的元器件 图2.21 电流放大系数与频率的关系第2章 高频电路中的元器件(2)截止频率f。当频率f=f时，下降到，f为截止频率。截止频率f与晶体管rbe、Cbe、Cbc有关。其数学表示式为 00707.021)(21cbebebCCrf(2-12)第2章 高频电路中的元器件(3)特征频率fT。当|=1时对应的频率fT称特征频率fT。根据式(2-11)可得：(2-13)特征频率fT和之间还有下列简单的关系:fff020T12T2011ffffff第2章 高频电路中的元器件 当ff时，从上式可以看出，当知道了某晶体管的特征频率fT时，就可以近似计算该晶体管在某一工作频率f的电流放大系数。ffT(

26、2-14)第2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。cbebbbmmax421CCrgf(2-15)第2章 高频电路中的元器件 3.晶体管参数等效模型晶体管参数等效模型 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，采用参数等效模型进行分析是比较方便的。利用晶体管的参数等效模型进行分析可以不必了解晶体管

27、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2章 高频电路中的元器件 图2.22 晶体管共发射极电路第2章 高频电路中的元器件 一个晶体管可以看成有源四端网络，如图2.22所示。取电压和作为自变量，取电流和作为应变量。根据四端网络的理论，可以得晶体管的参数的网络方程：beUceUbIcIceoebefeccerebeiebUYUYIUYUYI(2-16)令，由晶体管的参数的网络方程得0ceU0cebecfe0cebebieUUUIYUIY丨丨第2章 高频电路中的元器件 Yie是晶体管输出端短路时的输

28、入导纳(下标“”表示输入，“e”表示共射组态)。Yie反映了晶体管放大器输入电压对输入电流的控制作用，其倒数是电路的输入阻抗。Yie参数是复数，因此Yie可表示为Yie=gie+jCie，其中gie、Cie分别称为晶体管的输入电导和输入电容。第2章 高频电路中的元器件 Yfe 是晶体管输出端短路时的正向传输导纳(下标“f”表示正向)。Yfe反映晶体管输入电压对输出电流的控制作用。在一定条件下可把它看成晶体管混合等效电路的跨导gm。Yfe参数是复数，因此，Yfe可表示为Yfe=|Yfe|fe。令，由晶体管的Y参数的网络方程得0beU0bececoe0becebreUUUIYUIY丨丨第2章 高频

29、电路中的元器件 Yre是晶体管输入端短路时的反向传输导纳(下标“r”表示反向)。Yre反映了晶体管输出电压对输入电流的影响，即晶体管内部的反馈作用。Yre对放大器来讲是一种有害的影响。在实际应用中应该尽量减小或消除。Yre参数是复数，因此，可表示为Yre=|Yre|re。Yoe是晶体管输入端短路时的输出导纳(下标“o”表示输出)。Yoe 反映了晶体管输出电压对输出电流的作用，其倒数是电路的输出阻抗。Yoe是复数，因此，可表示为 Yoe=goe+jCoe 其中goe、Coe分别称为晶体管的输出电导和输出电容。第2章 高频电路中的元器件 根据以上分析，并由晶体管的Y参数的网络方程式(2-16)，可

30、得晶体管Y参数等效电路，见图2.23(a)。图中 Yie、Yoe 可用gie、Cie、goe、Coe表示：Yie=gie+jCieYoe=goe+jCoe在实际应用中,将 gie、Cie、goe、Coe 都画在Y参数等效电路中，得图2.23(b)。第2章 高频电路中的元器件 图2.23 晶体管参数等效电路(a)晶体管Y参数等效电路；(b)实际应用晶体管Y参数等效电路第2章 高频电路中的元器件 通常CbcUgs(th)且 Uds(Ugs-Ugs(th)，这时漏极电流id为第2章 高频电路中的元器件 式中：n是管子增益系数，单位为mA/V2；Ugs(th)是门限电压；是沟道调制系数。有：式中：n是

31、MOS 管沟道中电子的迁移率；Cox是氧化层单位面积电容量；W/L是沟道宽度与长度之比,称宽长比。MOS场效应管混合共源等效模型中各元件的物理意义介绍如下。LWCoxnn(2-23)第2章 高频电路中的元器件(1)跨导gm。gm反映了g-s电压Ugs对漏极电流的控制能力。在Uds为常数时，漏极电流增量和栅源电压增量之比表示为gm，即 在静态工作点Q(UGS,ID,UDS)附近的跨导为)th(gsgsdds)th(gsgsngsdm2)1)(UUiUVUUigDDSOXn)th(GSGSDm)1(22IULWCUUIg(2-24)第2章 高频电路中的元器件 式中因 ，故上式说明，要增大 ，以增强

32、放大能力，就要增大工艺参数 和工作电流 。(2-25)第2章 高频电路中的元器件 (2)输入电阻rgs。一般MOS 场效应管输入电阻 rgs可达1091015，在等效电路中可不予考虑。(3)输出电阻rds。rds是输出电阻，在Q点附近的小信号下，由式(2-22)得 12)th(gsgsnddsds)(21VUiUrQ(2-26)第2章 高频电路中的元器件 (4)输入电路。输入电路由栅极-衬底电容Cgb、输入电阻rgs、栅极电容Cgs组成。其中，输入电阻rgs很大，可忽略不计。当场效应管用于高频放大电路时，极间电容的作用不能忽略，极间电容越大，则场效应管的高频特性越差。为了表示器件的高频特性，引

33、入最高工作频率fm：gmgdgsmm2)(2CgCCgf(2-27)第2章 高频电路中的元器件(5)输出电路。输出电路是由漏极电阻 rds、压控电流源、漏极衬底电容Cds(Cds=Cdb)、源极漏极之间的体电阻rs组成的。(6)在MOS场效应管中，Cgd是跨接在输入和输出之间的反馈电容，Cgd 的存在是引起放大器稳定性恶化的主要因素，它将限制放大器工作频带的展宽。gsmUg第2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。取电压Ugs和Uds作为自变量，取电流Ig和Id作为应变量。第2章 高频电路中的元器件 图2.2

34、8 MOS场效应管Y参数等效模型第2章 高频电路中的元器件 根据四端网络的理论，可以得场效应管的参数网络方程:令 ，由场效应管的参数网络方程得dsosgsfsddsrsgsisgUyUyIUyUyI0dsU0dsgsdfs0dsgsgisUUUIyUIy丨丨(2-28)第2章 高频电路中的元器件 Yis是场效应管输出端短路时的输入导纳(下标“”表示输入，“s”表示共源组态)。Yis 的倒数是电路的输入阻抗。共源组态放大电路的混合等效电路和Yis 参数的近似转换式为 2on2g2ggbgd2on2g2on2g2is1j1RCCCCRCRCy(2-29)第2章 高频电路中的元器件 Yfs 是场效应

35、管输出端短路时的正向传输导纳(下标“f”表示正向)。在一定条件下可把它看成场效应管混合等效电路的跨导gm。共源组态放大电路的混合等效电路和Yfs 参数的近似转换式为2on2g2monggd2ong2gdmfs21j1jj1RCgRCCRCgcgymc(2-30)第2章 高频电路中的元器件 令，由场效应管的Y参数网络方程得 0gsV0gsdsdos0gsdsgrs,UUUIyUIy丨丨 Yrs是场效应管输入端短路时的反向传输导纳(下标“r”表示反向)。Yrs会对放大器产生有害的影响，在实际应用中应该尽量减小或消除。共源组态放大电路的混合等效电路和Yrs参数的近似转换式为 Yrs -jCgd(2-

36、31)第2章 高频电路中的元器件 Yos 是场效应管输入端短路时的输出导纳(下标“o”表示输出)。Yos的倒数是电路的输出阻抗。共源组态放大电路的混合等效电路和Yos 参数的近似转换式为 源极漏极之间的体电阻rs值很小，可忽略，Yos即为 s2ds2dsgd2s2ds2s2ds2dsos1j11rCCCrCrCrydsgddsosj1CCry(2-32)(2-33)第2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2章 高频电路中的元器件 图2.29 MOS

37、管交流放大电路第2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22.55 kHz时，电压增益为18.09 dB，放大倍数随频率的增加而增加。当输入信号频率超过485.92 kHz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。有关MOS管的频率特性问题，请参考集成电路设计和半导体元件方面的书籍。第2章 高频电路中的元器件 图2.30 MOS管电路频率特性第2章 高频电路中的元器件 2.3 实训：高频电路中的电阻元件特性分析实训：高频电路中的电阻元件特性分析 随着电子技术和计算机的发展,电子

38、产品已与计算机系统紧密相连,电子产品的智能化日益完善,电路的集成度越来越高,而产品的更新周期却越来越短。电子设计自动化(EDA)技术,使得电子线路的设计人员能在计算机上完成电路的功能设计、逻辑设计、性能分析、时序测试直至印制电路版的自动设计。彻底改变了过去“定量估算”、“实验调整”的传统设计方法。本节利用 OrCAD10.5版本中的 PSpice仿真技术来完成对电阻在高频电路中的阻抗进行测试及分析,从而帮助学生掌握基本的电子电路仿真软件使用方法。第2章 高频电路中的元器件 步骤二步骤二 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。范例范例:高频

39、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2章 高频电路中的元器件 图2.3 1 PSpice电路仿真的基本流程第2章 高频电路中的元器件 (2)点选菜单:FileNewProject或者点击工具按钮 ,出现 New Project窗体。其中Name是项目名字,即产生 DSN文件的名字,通常用英文字母及数字表示,本实训用ch1。Location是项目路径,可以点击 Browse修改项目文件存放路径。因为本书只用该软件进行电路仿真,因此在 Create a new project using 里选择Analog or Mixed si

40、gnal Circuit,即数/模混合仿真设计项目。点击OK 按钮。(3)弹出Create Pspice Project窗体，选择Create a blank project，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2章 高频电路中的元器件 图2.32 仿真项目文件树结构第2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。(6)如果是新装的OrCAD，需要添加元件库：点击工具栏中 按钮，打开Place Part窗口，点击Add Library按钮，选择库文件目录：OrCADO

41、rCAD_10.5toolscapturelibraryps-pice,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2章 高频电路中的元器件 图2.33 新增工具栏第2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（本书实训中所用Pspice软件绘制的电路图，其元器件绘制标准与国家标准略有不同，读者可参阅相关手册及标准）。第2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2章 高频电路中的元器件 (1)选择元器件（以电阻为例）：点击工具栏中 按钮,打开Place

42、 Part窗口，在Part一栏输入：R，选择Part List的R/ANALOG，点击OK按钮，即可调出一个电阻元件。(2)放置元器件：选择并调出元器件后，点击鼠标左键即可放置一个元器件，连续点击鼠标可以放置多个该元器件,如要停止放置该元器件，可以点击鼠标右键End Mode (或者按键盘上的Esc键)。选中元器件，点击鼠标右键，可以对元器件进行水平翻转、垂直翻转，也可以进行删除。第2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Display Properties窗口，在Value处将

43、电阻的名称改为R，双击“1k”调出Display Properties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：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。用u表示或10-6。第2章 高频电路中的元器件 (4)用同样的方法调出并放置电路中的其他元器件：电感、电容、正弦交流电压源，并按照图中要求设置个元器件参数。正弦交流信号VSIN个参数意义如下：VOFF：直流基准电压。VAMPLE：幅度电压（峰值）。FREQ：交流信号源频率。(5)地线的选择：点击右侧工具栏中 按钮，打开Place Ground窗口，在Symbol一栏输入0，选择0/SOURCE，点

44、击OK按钮，即可调出一个地线。放置方法同放置元器件。第2章 高频电路中的元器件 (6)连接线路：将电路图中元器件、地线放置完成后,点击右侧工具栏中 按钮，即可进行连线。如果要停止连线,可点击鼠标右键End Mode（或者按键盘上的Esc键）。连线的旋转和删除同放置元器件。(7)根据电路图2.34完成元器件参数和连线后，点击顶端工具栏中的 保存电路文件。在执行分析以前最好养成存档习惯，先存档一次，以防万一。第2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 电路图如2.34所示（本书实训中所用Pspice软件绘制的电路图，其元器件绘制标准与国家标准略有不同，读者可参

45、阅相关手册及标准）。(1)点击工具栏中的 按钮或者从菜单中选择PSpice New Simulation Profile，弹出New Simulation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Simulation Settings窗口。第2章 高频电路中的元器件 (2)在Simulation Settings窗口选择Analysis Type下拉列表里面选择AC Sweep(交流分析)General Settings。(3)AC Sweep Type(交流扫描类型)分为Linear(线性扫描)和Logarithmic(对数型扫描)两种，在Log

46、arithmic下又有Octave(倍频程扫描)、Decade(十倍频程扫描)两种类型。现选用Decade十倍频程扫描类型。(4)选择Decade，设置Start Frequency(仿真起始频率)为0Hz，End Frequency(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2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。由于前面步骤中忽略了一个参数设置，本次执行仿真

47、将不会成功，点击左侧工具栏中的 按钮，查看输出文档里面是否出现Warning(警告)或Error(错误)的提示，根据提示修改错误。输出文件如下：第2章 高频电路中的元器件 第2章 高频电路中的元器件 下面是仿真输出结果：第2章 高频电路中的元器件 (2)根据以上提示,可以看出没有设置交流分析的AC源。回到电路图窗口,双击正弦交流信号源 V,弹出Property Editor(属性编辑器)窗口,可以看到信号源 V 的 AC一项没有数值,现将其设置为2V。关闭 Property Editor窗口,重新执行仿真。此时仿真执行成功,弹出波形窗口。在波形窗口中,X轴变量已经按照 AC Sweep的设置设

48、置为1MHz100GHz,而 Y 轴变量则等待着我们的选择输入。第2章 高频电路中的元器件 (3)从菜单中选择 TraceAdd Trace,弹出 Add Trace窗口,在 Trace Expression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 Add Trace窗口。这时将出现如图2.35(a)所示曲线。选择菜单 PlotAxis Settings,弹出 Axis Settings(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

49、。第2章 高频电路中的元器件 图2.35(a)10k 电阻在高频电路中阻抗与频率的关系曲线第2章 高频电路中的元器件 图2.35(b)10k 电阻在高频电路中阻抗与频率的关系曲线第2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2.35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

50、确。第2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 Cursor)。工具栏各个按钮的用途如下:第2章 高频电路中的元器件 点击 将光标定位在波形最小值处，Probe Cursor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9.953GHz时，10k电阻的阻抗值为71.4m。图2.36 Probe Cursor窗口第2章 高频电路中的元器件 步