二极管小信号模型

交流通路小信号模型

先来个结论:二极管持续导通状态下,对低频交流小信号的特性表现为电阻。

二极管的导通等效电阻是多大

记得刚学二极管时,做实验。我拿了个万用表测量二极管的电阻,结果发现用不同的万用表测出来的阻值不一样,就问实验员老师,结果他也一脸懵B。后来总算搞明白,直接用万用表测量的是二极管直流导通等效电阻。
如图:


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如果二极管的电压电流位于红色箭头指示的工作点,那么测出来的阻值就是红线斜率的倒数。如果工作点位于蓝色箭头指示的位置,测出来的阻值就蓝线斜率倒数。

上面我说的事件中,每个万用表的电量可能有所不同,给二极管提供的电流也不一样,测出来的值当然不同。
其实看曲线图就能明白,二极管相当于一个阻值可变的非线性电阻。普通电阻特性曲线图是一条过原点直线。
结论:这种方法测量的是二极管直流通路等值阻抗。

二极管在交流通路中的等效电阻

先看下面这个电路图:

  • vs= 3+0.1sin(wt) (V) ,电阻R=1K,求二极管电压vD

    直流3v,以及电阻R,决定了二极管的工作点在伏安特性曲线上的大致位置。而0.1sin(wt)使这个工作点作了一个小幅摆动。
    我们把直流部分对二极管的激励称为静态工作点Q。
    静态工作点

没有小信号只有直流信号时:Q点坐标为 (VQ ,IQ )
增加△v后,电流增加△i,Q点移动到(VQ+△v ,IQ +△i),增加的电流△i是由△v产生的。△v/△i = r,r就是微变等效电阻。r是Q点切线斜率k的倒数,k=△i/△v,斜率大小与Q点的位置有关。微变电阻r是在Q点附近,附加小信号体现出的“欧姆定律”

电阻 r 公式推导

根据二极管电流方程:iD=IS (evD/VT-1),求Q点的切线斜率 gd(微变电导):
gd=diD/dvD=(IS·evD/VT)/VT ≈ iD/VT
在Q点 iD ≈ ID ,则gd= ID/VT
即:rd =1/gd= VT / ID= 26mV / ID
常温下,VT=26mV,ID为Q点静态电流。

本题估算:VQ=0.7V
二极管Q点电流 IQ=(3-0.7)/R=2.3mA
二极管D静态工作点Q为(0.7V,2.3mA)

考虑一下交流信号0.1sin(wt)对Q的影响,因为这个交流幅值很小,所以Q的上下摆动近乎一条线段,这个线段斜率近似等于Q的切线斜率。

本题算得rd=11Ω
二极管压降vD=VD+vd=0.7+0.001sinwt (V)

  • 注意事项:一定要注意是交流小信号,如果交流信号幅值是1V,那么Q点摆动过大,就不能用切线线段等效,也就不能使用该模型。
  • 在信号表达中,变量符号的大小写,一般用全大写VD表达直流静态分量,全小写vd表达交流动态分量,小写+大写vD表示交直流混合值。
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