第二章(补充) 高频电路基础

高频电子线路 课件2015年 8月教师：陈添丁闽南师大物理与 信息工程学院高教出版社 补充内容第一章 绪论第二章 高频电路基础第二章 高频电路基础2.1 无源器件与模型 2.2 有源器件与模型 2.3 传输线与 微带线 2.4 Y参数与 S参数 2.5 噪声与噪声系数主要内容第二章 绪论 引子1、 高频电路与低频电路中元器件的频率特性是不同的。 在低频呈现的集总器件在高频时 呈现分布参数2、 无线通信电路中，器件的物理结构都尽可能的小，从而使得器件的有效工作频率随尺寸的减小而升高，如表面贴器件。3、 高频电路由无源元件和有源器件组成 。有源器件 ： 具有电流控制能力的器件 。 如电子管、三极管、场效应管、晶闸管、可控硅等 。无源器件 ：导线、 电阻、电容、电感，以及二极管等 。2.1.1 导线 1、 导线包括裸铜线、镀银 (金 )线、漆包线、塑包线、纱包线等，用于传输信号 。2、 趋肤效应图 2-1 趋肤效应示意图2.1 无源器件与模型 2.1.1 导线 图 2-2 趋肤深度与工作频率的关系2.1 无源器件与模型 2.1.2 电阻器LR为电阻的引线电感 ;CR为分布电容2.1 无源器件与模型 2.1.3 电容器2.1 无源器件与模型 电容 标定： 1MHz； rc为损耗电阻； Lc为引线电感电容的品质因数 Qc为式中： 为工作频率C为电容值rc为电容的总损耗电阻。 2.1.3 电容器2.1 无源器件与模型 2.1.4 电感器 为 磁芯 损 耗的等效 电阻为绕组间 的分布 电 容为电 感 绕组 的交流 电阻2.1 无源器件与模型 2.1.4 电感器 2.1 无源器件与模型 2.1.4 电感器 电感的品质因数 QL为采用漆包线绕制 绕制环形线圈(铁粉磁芯 )(铁氧体磁芯 )2.1 无源器件与模型 2.1.5 铁氧体磁珠 2.1 无源器件与模型 2.1.5 铁氧体磁珠 2.1 无源器件与模型 2.1.5 铁氧体磁珠 2.1 无源器件与模型 2.1.6 高频二极管应用 :检波、调制、解调以及混频等1高频二极管模型Rd：二极管耗损电阻VD：内部 PN结电压ID：直流导通电流Cd：正向偏置时的扩散电容Cj：反向偏置时的势垒电容：2.1 无源器件与模型 2.1.6 高频二极管反向工作时，结电容以势垒电容 Cj为主，其大小与外加反向电压 ur的关系 ：正向工作时，结电容以扩散电容为主，其大小与二极管电流有关 ：2.1 无源器件与模型 2.1.6 高频二极管2高频二极管应用1)检波二极管检波 (也称幅度解调 )二极管是利用二极管单向导电性将高频或中频无线电信号中的幅度信息 (如音频信号 )取出来 ；广泛应用于半导体收音机、电视机及通信设备等小信号电路中，其工作频率较高，但处理信号时无增益。通常选用锗半导体材料制成的点接触型二极管，其接触面积小，虽然不能通过大的电流，且结电容小，但具有工作频率高和反向电流小等特点。常用的检波二极管有 2AP系列、 1N34/A、 1N60等 。2.1 无源器件与模型 2.1.6 高频二极管2高频二极管应用2)混频二极管混频是将两个不同频率的信号 (如接收射频信号和本地振荡信号 )通过非线性处理获得两频率之差的信号 (简称差频 )、或两频率之和的信号 (简称和频 )的过程。混频二极管是一种肖特基势垒二极管 。与一般二极管相比，混频二极管具有工作频率高、噪声低、反向电流小、结电容小等特点。在大信号工作时，为开关工作状态，可获得较大的动态范围，广泛应用于高频与微波电路中。2.1 无源器件与模型 2.1.6 高频二极管2高频二极管应用2)混频二极管2.1 无源器件与模型 2.1.6 高频二极管2高频二极管应用3)晶体二极管又称为 PIN二极管，是由在 P型和 N型半导体材料之间掺入一薄层低掺杂的本征半导体层组成，为一种静态结电容很小、用于高频开关和高频保护的特殊二极管。当工作频率超过 100MHz时，由于少数载流子的存储效应和本征层中渡越时间效应，该二极管失去整流功能而变为阻抗器件，并且其阻抗值随偏置电压变化而改变。当直流正向偏置时，本征区的阻抗很小，为导通状态，作为可变阻抗元件使用；反向偏置时，本征区为高阻抗状态，呈开路状态。常用于高频开关、移相、调制、限幅等电路中，作为开关和衰减器使用。 2.1 无源器件与模型 2.1.6 高频二极管2高频二极管应用3)晶体二极管2.1 无源器件与模型 2.1.6 高频二极管2高频二极管应用4) 变容二极管2.1 无源器件与模型 2.1.6 高频二极管2高频二极管应用5) 隧道二极管隧道二极管 (Tunnel diode)是采用砷化镓 (GaAs)和锑化镓 (GaSb)等材料混合、在重掺杂 N型 (或 P型 )的半导体片上用快速合金工艺形成高掺杂的 PN结而制成的， PN结的耗尽层非常薄，使电子能够直接从 N型层穿透 PN结势垒进入 P型层，称为隧道结。 隧道二极管的正向电流电压特性具有负阻特性2.1 无源器件与模型 1高频三极管模型1954年， Ebers和 Moll提出了 Ebers-Moll模型，并发展有EM1、 EM2、 EM3模型1970年， H. K.Gummel和 H.C.Poon提出了 G-P (Gummel-Poon)模型公式 。1986年 ， 飞利浦公司提出了 MEXTRAM模型， 2004年被列为国际晶体管模型标准， 但过于复杂。1995年 ， 由 10余家美国公司提出了 VBIC(Vertical Bipolar Inter-Company)模型，该模型精度更高 。2.2 有源器件与模型2.2.1 高频 三 极管1高频三极管模型1) Ebers-Moll模型 Ebers- Moll模型局限于一阶效应的简化处理，并且忽略了基区宽度调制效应、大注入效应等二阶效应，其仿真精度有限。2.2 有源器件与模型2.2.1 高频 三 极管1高频三极管模型2.2 有源器件与模型2.2.1 高频 三 极管1高频三极管模型2 ) Gummel-Poon模型该模型应用广泛，如 SPICE仿真软件；但 GP 模型也仍存在很多缺陷，如其中没有未考虑或者考虑较简略的效应有： 小尺寸的寄生电容集电极电阻的调制效应衬底的寄生晶体管效应温度效应雪崩效应自热效应等 此外，随着基区宽度的减小，输出电导的模型有明显偏差。2.2 有源器件与模型2.2.1 高频 三 极管1高频三极管模型3 ) MEXTRAM模型该模型完全依据三极管的物理结构和材料划分，并考虑了基底 S的影响，克服了 G-P模型的不足，可应用于 SiGe晶体管、高压功率器件，以及采用 LDMOS技术的横向NPN晶体管等，在 SPICE仿真中 Level=4时就采用该模型；MEXTRAM模型可有效地模拟晶体管的电学特性，如 厄尔利 (Early)效应、大注入效应等，并建立了集电结击穿模型，通过增加参数建立精确的异质结双极晶体管模型，