如何分析二极管交流阻抗，看这里

只看该作者 · 2023-2-6 22:23

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@21小跑堂
上次提到二极管电容电路，主要结论就是电容的单调充电特性。在实际应用中，电容要有通直的作用，不能将输入信号滤波，否则输出特性就会变化。
这种高通滤波器，3dB截止频率是16Hz左右的，如果信号在10Hz的时候，增益Gain=-5dB，输入信号通过电容C1，输出Vo=Gain*Vi, 那么此时电容电压Vc显然不能达到最大Vimax，电容就会不断的充电，D1就会持续有电流流过，输出out就是零电平；

通过时域仿真结果来看，显然在D1正向导通的时候，输出是零电平。电容电压不能达到Vimax，因此就没有单调充电的特性。
在输入信号负半周期信号，二极管D1截止，
输出out信号是Vout=Vi*Gain，Voutmax=-2*（-5dB）=-1.1V。
分析的数据和仿真结果一样；

说到电路频率的特性，就再进一步讨论下二极管的小信号特性，根据PN结特性，流过PN结的电流有下面公式：IF=Is*(Exp(VF/VT)-1)
在有直流信号和交流信号电路中，需要考虑二极管的交流阻抗，也成为二极管的增量结电或肖特基电阻，一般在论文中成为rj，其实就是伏安特性曲线，二极管直流工作点的斜率倒数，rj=VT/IQ, VT是二极管的热电阻VT=26mV左右，IQ是二极管的直流工作点电流。这些内容在模电教材都有提到，只是上学的时候就是死命的记结论，然后去做题目，得到一个比较好看的分数。学校的时候既没有仔细测量过二极管三极管，也没有用器件好好搭一个电路分析，还是得到了工作中好好锤炼。但是课本上把知识点都讲到了，只是没有好好领悟而已，(灬ꈍ ꈍ灬)，说远了，还是继续讨论这个电路
说公式有些不太直观了，还是有一个简单电路，来说明为什么要考虑二极管的交流阻抗。
下面是二极管应用电路，输入vin是一个2mV的正弦波，A点电压提供D1的直流工作点，
需要计算输出out的电压。通过仿真很容易得到输入Vi=2mV的时候，输出Vout=0.73mV。
但是为什么输出电压会降低接近一半呢？

所以还是得从二极管交流阻抗，电容交流阻抗入手分析
对于输入1KHz的信号，电容C1和C2的阻抗Zc=1/(jWC)=159Ω
A点的工作电压，将C1,C2开路，二极管压降VF=0.6V，利用节点网孔法，计算得到VA=0.58V
随后计算得到二极管D1的工作点电流IQ=0.38mA
所以二极管的交流阻抗rj=26mV/IQ=68.4Ω
由于有时候还要考虑PN结的串联电阻rs，只是二极管的串联电阻rs更小，一般考虑在10欧姆左右，对于静态工作点电流小的电路，rs是直接忽略的。此处rj比较小，所以还是要加上rs，得到结果更准确。综合rj和rs的阻值，将交流阻抗等效为85欧姆；
随后画出整个电路的交流阻抗等效电路图，可以直接用节点法计算输出电压值
也可以直接用仿真得到输出电压值，大概为0.805mV

利用交流等效电路得到的输出电压值和实际电路的电压值，仅仅相差0.065mV，还是比较准确的。
通过一个简单的小例子，描述了二极管交流阻抗的含义，实际在芯片内部设计中，尤其是小信号分析中，需要考虑二极管的交流阻抗，三极管输入输出阻抗等等。
以上讨论仅仅是个人的一点浅显认识，如有错误欢迎讨论指正。