变容二极管

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；jC——结电容。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)1(0DjjVvCC（4-5）jC为变容二极管的结电容，0jC为变容管加零偏压时的结电容；DV为变容管PN结内建电位差（硅管DV=0.7V，锗管DV=0.3V）；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vCj特性曲线如图2所示。当加入的反向电压为tVVvVvmQQcos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VCkt。图4-8变容二极管的vCj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RC，可得近似的变容比率为minmaxmaxmin)()(VVVCVCCR（4-6）式中，)(minVC——在偏压最小时的结电容值；)(maxVC——在偏压最大时的结电容值。可见，变容比率RC与值有关，值愈大变容比率RC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222)2(2psjpspjRRfCRRRfCQ(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，sR阻值小于１欧姆，pR阻值为1010Ω级，在较高频率时，因)()2(22pspsjRRRRfC，可得高频时的Q值为sjsRfCQQ21（4-8）可见，由于二极管中等效串联电阻sR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pR为主导，忽略22)2(psjsRRfCR的影响，可得此时的Q值为pjpRfCQQ2（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DV设为0.6V，当温度上升后，若DV降至约为0.5V，而inV保持为恒定，则输出至变容二极管vD的偏压oV将会增加0.1V。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coV，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inV=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minV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RC时，都较手册理论值低，在设计应用时需加注意。