變容二極體
| 變容二極體 | |
|---|---|
 變容二極體的內部構造 | |
| 類型 | 被動元件 |
| 發明 | 1961年 |
| 電路符號 | |
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| 針型 | 陽極與陰極 |
變容二極體（英語：Varicap diode），又稱變容二極體、可變電容二極體、可變電抗二極體或調諧二極體，是電子學中一種旨在利用反向偏置p-n 結電壓相關電容的二極體。[1]
應用[編輯]
變容二極體用作壓控電容器。它們通常用於壓控振盪器、參量放大器和倍頻器。[2]
壓控振盪器有許多應用，例如調頻發射機的頻率調製和鎖相環。鎖相環用於調諧許多收音機、電視機和蜂窩電話的頻率合成器。
壓敏電阻由 Ramo Wooldridge公司 的 Pacific Semiconductor 子公司開發，該子公司於 1961 年 6 月獲得了該設備的專利。[3] 該設備名稱也被Pacific Semiconductors 的繼任者TRW Semiconductors註冊為「Varicap」商標，在1967 年 10 月。這有助於解釋該設備投入使用時的不同名稱。[需要解釋]
操作[編輯]
變容二極體在反向偏置狀態下工作，因此沒有直流電流流過器件。反向偏置量控制耗盡區的厚度，因此控制變容二極體的結電容。電容變化特性取決於摻雜分布。通常，對於突變的結輪廓，耗盡區厚度與施加電壓的平方根成正比，而電容與耗盡區厚度成反比。因此，電容與施加電壓的平方根成反比。對於超突變結輪廓電容變化更非線性，但超突變變容電容具有較大的電容變化並且可以在較低電壓下工作。
所有二極體都表現出這種可變結電容，但製造變容二極體是為了利用這種效應並增加電容變化。
該圖顯示了具有由 ap-n 結形成的耗盡層的變容二極體的橫截面示例。該耗盡層也可以由MOS或肖特基二極體製成。這在CMOS和MMIC技術中很重要。
電路中的應用[編輯]
調諧電路[編輯]
通常，在電路中使用變容二極體需要將其連接到調諧電路，通常與任何現有的電容或電感並聯。[4] 將直流電壓作為反向偏置施加在變容二極體上以改變其電容。必須阻止直流偏置電壓進入調諧電路。這可以通過放置一個電容比變容二極體最大電容大約 100 倍的隔直電容器與其串聯，並通過將來自高阻抗源的直流電施加到變容二極體陰極和隔直電容器之間的節點來實現，如下所示如附圖中左上角的電路所示。
由於沒有明顯的直流電流流過變容二極體，將其陰極連接回直流控制電壓電阻器的電阻值可以在 22 kΩ 到 150 kΩ 的範圍內，而隔直電容的值可以在 5-100 nF 的範圍內. 有時，對於非常高 Q 值的調諧電路，電感器與電阻器串聯放置，以增加控制電壓的源阻抗，以免加載調諧電路並降低其 Q 值。
另一種常見的配置使用兩個背對背（陽極到陽極）變容二極體。（參見圖中左下角的電路。）第二個變容二極體有效地替代了第一個電路中的隔直電容。這將總電容和電容範圍減少了一半，但具有降低每個器件兩端電壓的交流分量的優點，並且如果交流分量具有足夠的幅度以將變容二極體偏置為正向傳導，則具有對稱失真。
在設計帶有變容二極體的調諧電路時，通常好的做法是將變容二極體兩端電壓的交流分量保持在最低水平，通常小於 100 mV 峰峰值，以防止二極體電容變化太大，這會導致信號失真和添加諧波。
第三個電路，在圖表的右上角，使用兩個串聯的變容二極體和單獨的直流和交流信號接地連接。直流接地顯示為傳統接地符號，交流接地顯示為空心三角形。接地分離通常用於 (i) 防止來自低頻接地節點的高頻輻射，以及 (ii) 防止交流接地節點中的直流電流改變有源器件（如變容二極體和電晶體）的偏置和工作點。
這些電路配置在電視調諧器和電子調諧廣播 AM 和 FM 接收器以及其他通信設備和工業設備中非常常見。早期的變容二極體通常需要 0-33 V 的反向電壓範圍才能獲得其完整的電容範圍，但仍然非常小，約為 1-10 pF。這些類型曾經——現在仍然——廣泛用於電視調諧器，其高載波頻率只需要電容的微小變化。
隨著時間的推移，變容二極體被開發出來，其電容範圍很大，100-500 pF，反向偏壓變化相對較小：0-5 V 或 0-12 V。這些較新的設備也允許實現電子調諧 AM 廣播接收器作為許多其他功能，需要在較低頻率（通常低於 10 MHz）下進行較大的電容變化。零售店中使用的一些電子安全標籤閱讀器設計需要在其壓控振盪器中使用這些高電容變容二極體。
頁面頂部描述的三個引線器件通常是單個封裝中的兩個共陰極連接的變容二極體。在右圖所示的消費類 AM/FM 調諧器中，單個雙封裝變容二極體可同時調整諧振電路（主站選擇器）的通帶和本地振盪器每個都有一個可變電容。這樣做是為了降低成本——本可以使用兩個雙封裝，一個用於槽路，一個用于振盪器，總共四個二極體，這就是 LA1851N AM 無線電晶片的應用數據中所描述的。FM 部分中使用的兩個低電容雙變容二極體（其工作頻率大約高 100 倍）用紅色箭頭突出顯示。在這種情況下，使用了四個二極體，通過一個用於槽路/帶通濾波器的雙封裝和一個用於本地振盪器的雙封裝。
諧波乘法[編輯]
在某些應用中，例如諧波乘法，大信號幅度的交流電壓被施加到變容二極體上，以故意以信號速率改變電容以產生更高的諧波，通過濾波提取這些諧波。如果通過變容二極體驅動施加足夠幅度的正弦波電流，則所得電壓將「峰值」成更三角形的形狀，並產生奇次諧波。
這是一種早期用於產生中等功率微波頻率的方法，在 1-5 瓦時為 1-2 GHz，在開發出足夠的電晶體以在此更高頻率下工作之前，從 3-400 MHz 頻率下的大約 20 瓦開始。這種技術仍然用於產生更高的頻率，在 100 GHz – 1 THz 範圍內，即使是最快的 GaAs 電晶體仍然不夠用。
替代[編輯]
所有半導體結器件都表現出這種效應，因此它們可以用作變容二極體，但它們的特性不會受到控制，並且批次之間可能會有很大差異。
流行的臨時變容二極體包括 LED、[5] 1N400X 系列整流二極體、[6] 肖特基整流器和使用集電極-基極結反向偏置的各種電晶體，[7] 特別是2N2222和BC547。[需要解釋] 只要交流幅度保持較小，反向偏置電晶體的發射極 - 基極結也非常有效。在雪崩過程開始進行之前，最大反向偏置電壓通常在 5 到 7 伏之間。具有更大結面積的更高電流器件往往具有更高的電容。飛利浦 BA 102 變容二極體和普通齊納二極體1N5408，表現出類似的結電容變化，除了 BA 102 具有與結電容相關的一組特定特性（而 1N5408 沒有）並且 1N5408 的「Q」較小。
在開發變容二極體之前，電機驅動的可變電容器或可飽和鐵芯電抗器被用作 VCO 和二戰德國頻譜分析儀等設備的濾波器中的電控電抗。
參見[編輯]
它是具有可變電容的對稱半導體器件。
由於磁滯效應，鐵電電容器具有可變電容。
參考[編輯]
- ^ Sedra, Adel; Smith, Kenneth. Microelectronic circuits 6th. New York: Oxford University Press. 2010: 214. ISBN 9780195323030.
- ^ Calvert, James. Varactors. Dr Tuttle's Home Page. 15 February 2002 [23 January 2017]. （原始內容存檔於2017-10-09） （英語）.
- ^ US 2989671,Barnes, Sanford H. & John E. Mann,「Voltage sensitive semiconductor capacitor」,發表於23 May 1958,發行於20 June 1961
- ^ Varactor Circuits http://www.radio-electronics.com/info/data/semicond/varactor-varicap-diodes/circuits.php （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- ^ LEDs as Varicaps http://www.hanssummers.com/varicap/varicapled.html （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- ^ Rectifier Diodes As Varicaps http://www.hanssummers.com/varicap/varicapdiode.html （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- ^ John Linsley Hood. The Art of Linear Electronics. Elsevier. 1993: 210. ISBN 978-1-4831-0516-1.
延伸閱讀[編輯]
- 摩頓森，肯尼斯 E.（1974 年）。可變電容二極體：用於射頻和微波應用的變容二極體、電荷存儲和 PIN 二極體的操作和表徵。麻薩諸塞州戴德姆：Artech House。
- Penfield, Paul 和 Rafuse, Robert P. (1962)。變容二極體應用。劍橋，麻省理工學院出版社
外部連結[編輯]
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維基共享資源上的相關多媒體資源：變容二極體 |
- 通過模擬學習 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 計算各種摻雜分布的變容二極體的特性
- [1] （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） Trimless IF VCO:第 1 部分：Maxim 的設計注意事項。
- 帶有設計技巧的變容二極體基礎知識 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
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