二極管小信號模型

交流通路小信號模型

先來個結論:二極管持續導通狀態下,對低頻交流小信號的特性表現為電阻。

二極管的導通等效電阻是多大

記得剛學二極管時,做實驗。我拿了個萬用表測量二極管的電阻,結果發現用不同的萬用表測出來的阻值不一樣,就問實驗員老師,結果他也一臉懵B。后來總算搞明白,直接用萬用表測量的是二極管直流導通等效電阻。
如圖:


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如果二極管的電壓電流位于紅色箭頭指示的工作點,那么測出來的阻值就是紅線斜率的倒數。如果工作點位于藍色箭頭指示的位置,測出來的阻值就藍線斜率倒數。

上面我說的事件中,每個萬用表的電量可能有所不同,給二極管提供的電流也不一樣,測出來的值當然不同。
其實看曲線圖就能明白,二極管相當于一個阻值可變的非線性電阻。普通電阻特性曲線圖是一條過原點直線。
結論:這種方法測量的是二極管直流通路等值阻抗。

二極管在交流通路中的等效電阻

先看下面這個電路圖:

  • vs= 3+0.1sin(wt) (V) ,電阻R=1K,求二極管電壓vD

    直流3v,以及電阻R,決定了二極管的工作點在伏安特性曲線上的大致位置。而0.1sin(wt)使這個工作點作了一個小幅擺動。
    我們把直流部分對二極管的激勵稱為靜態工作點Q。
    靜態工作點

沒有小信號只有直流信號時:Q點坐標為 (VQ ,IQ )
增加△v后,電流增加△i,Q點移動到(VQ+△v ,IQ +△i),增加的電流△i是由△v產生的。△v/△i = r,r就是微變等效電阻。r是Q點切線斜率k的倒數,k=△i/△v,斜率大小與Q點的位置有關。微變電阻r是在Q點附近,附加小信號體現出的“歐姆定律”

電阻 r 公式推導

根據二極管電流方程:iD=IS (evD/VT-1),求Q點的切線斜率 gd(微變電導):
gd=diD/dvD=(IS·evD/VT)/VT ≈ iD/VT
在Q點 iD ≈ ID ,則gd= ID/VT
即:rd =1/gd= VT / ID= 26mV / ID
常溫下,VT=26mV,ID為Q點靜態電流。

本題估算:VQ=0.7V
二極管Q點電流 IQ=(3-0.7)/R=2.3mA
二極管D靜態工作點Q為(0.7V,2.3mA)

考慮一下交流信號0.1sin(wt)對Q的影響,因為這個交流幅值很小,所以Q的上下擺動近乎一條線段,這個線段斜率近似等于Q的切線斜率。

本題算得rd=11Ω
二極管壓降vD=VD+vd=0.7+0.001sinwt (V)

  • 注意事項:一定要注意是交流小信號,如果交流信號幅值是1V,那么Q點擺動過大,就不能用切線線段等效,也就不能使用該模型。
  • 在信號表達中,變量符號的大小寫,一般用全大寫VD表達直流靜態分量,全小寫vd表達交流動態分量,小寫+大寫vD表示交直流混合值。
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