变容二极管基础知识

变容二极管(Varactors),又称为电压调谐电容(VoltagevariableCapactors,VVC或调谐二极管(TuningDiodes),当在二极管两端加上反向偏压时，会产生电容效应，通常变容二极管的电容量，随反向偏压增大而减小。变容二极管优点主要表现在：(1)体型小巧易于安装；(2)易于实现自动电子调谐(AutoElectronicTuning),方便遥控的电子调谐器的设计。如今的电视系统或通信系统中的频道选择及呼叫等电路，基本上都由变容二极管完成。1、变容二极管工作原理变容二极管的等效电路如图4-7(a)所示。图4-7(a)变容二极管的等效电路(b)变容二极管的简化等效电路其中，Rp反向偏压的结电阻(JunctionResistance)；Ls外部引线电感；Ls内部引线电感；Cc封装电容；Rs二极管体电阻；Cj结电谷。通常，等效电路中的电感与封装电容等都可略去不计，简化后的等效电路如图4-7(b)所示。一般地，变容二极管与外加电压的关系可表示为CjC j0(1vVD(4-5)Cj为变容二极管的结电容，Cj0为变容管加零偏压时的结电容；Vd为变容管PN结内建电位差(硅管Vd=,错管Vd=)；为变容二极管的电容变化指数，与频偏的大小有关；v为变容管两端所加的反向电压。在小频偏情况下，选=1的变容二极管可近似实现线性调频；在大频偏情况下，必须选=2的超突变结变容二极管，才能实现较好的线性调频。变容二极管的Cjv特性曲线如图2所示。当加入的反向电压为vVqvVqVmcost时，设电路工作在线性调制状态，在静态工作点Q处，可得曲线的斜率为ktC/V0图4-8变容二极管的Cjv特性曲线2、变容二极管重要参数：变容比率与Q值(1)变容比率，实际上就是在两个不同偏压下的电容量比值，设为Cr,可得近似的变容比率为CRC(Vmin)C(Vmax)VmaxVmin(4-6)式中，C(Vmin)在偏压最小时的结电容值;C(Vmax) 在偏压最大时的结电容值。可见，变容比率Cr与值有关，值愈大变容比率Cr愈大(2)变容二极管Q值由简化的等效电路，可导出变容二极管的元件Q值为Q RsR2 fCjRp2p (2fCj)2RsRp2(4-7)可见，变容二极管的Q值并非为定值，而是随外加偏压及频率的变化而变化。通常,Rs阻值小于1欧姆，Rp阻值为1010。级，在较高频率时，因(2fCj)2RsRp2(RsRp),可得高频时的Q值为Q Qs12 fCjRs(4-8)可见，由于二极管中等效用联电阻Rs的影响，高频时Q值将会降低。而在较低频率时，由于等效电路以Rp为主导，忽略Rs(2fCj)2RRp2的影响，可得此时的Q值为QQp2fCjRp(4-9)可见，在低的频率段，随着频率的上升，Q值会有所提高；而在低的频率段的低区，由于反向偏压所引起的结电阻基本为恒值，会导致Q值下降。由上面的分析可知，变容二极管主要存在以下不足：(1)品质因素Q值不够高。早期所用的机械式调谐电容器，元件本身的品质因数Q值都很高，一般都可达几千。因而应用这类调谐电容器的电路，电路Q值可由振荡线圈、振荡电容、谐振电阻等元件而定；采用变容二极管为调谐电容后，变容二极管的Q值通常在几十至几百之间，因而必须注意其Q值对电路的影响，尤其是频率的低端与高端。(2)容易受温度影响。由于变容二极管为半导体器件，因而在温度效应上，仍有其先天不足，因此在设计时，应注意温度补偿的问题。常用的补偿设计，可采用的二极管正向导通压降来实现对变容二极管的温度补偿，当温度上升时，二极管正向导通的压降随之减少，因而可使变容二极管上的反向偏压改变。如图4-9所示，二极管D1的正向压降Vd设为，当温度上升后，若Vd降至约为，而Mn保持为恒定，则输出至变容二极管Dv的偏压V。将会增加。所增加的电压，将会使变容二极管的电容量下降，因而可抵消因温度改变而增加的量。在实际应用时，为使这一电路能有效工作，补偿用二极管的材质特性，宜与变容二极管的相当。且在电路中的安装位置，应与变容二极管处于相同的温度环境。另外，以变容二极管设计的电容控制振荡器Vco,为锁相环路中的主体，且由于其本身已具有反馈环路，由于外因导致的变容二极管上容量产生变化，都可经由反馈而取得补偿，因而不需再加额外的补偿装置。图4-9正向二极管温度补偿在工程应用中，要注意以下几点：(1)进行调谐电视频道或调幅广播时，需要较宽的频率范围，因而通常选用1的超突变结变容二极管；(2)电容量大的，多用于频率较低的系统，如应用在10M以下的调幅(AM广播频段；(3)调谐变容二极管在选用时应尽量配对使用，因为在几个调谐电路中用的是同一个调谐电压，则要求变容二极管在同一变化的电压下，容量的变化相同，即电压、容量特性的一致性。所以在选用更换时要求要同型号、同色点或同字母。以保证调谐的准确和良好的接收效果。(4)在很多的技术资料上，都设Vin=4V为最佳工作状况的最低反向偏压值。有时为取得更高的变容比率，可以降低Vmin值，不过必须以牺牲变容二极管QQ值为代价。(5)在降低反向偏压时，必须注意外加信号电压峰值大小，以避免变容二极管工作在正向导通状态。且在信号电压过大时，将会引发电容调制效应而产生失真。(6)实际应用变容比率Cr时，都较手册理论值低，在设计应用时需加注意。