• 變容二極管

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    變容二極管

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    電子學中,變容二極管、變容二極管、可變電容二極管、可變電抗二極管或調諧二極管是一種旨在利用反向偏置p-n結的電壓相關電容的二極管。

    變容二極管應用

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    變容二極管用作壓控電容器。它們通常用于壓控振蕩器、參量放大器和倍頻器。壓控振蕩器有許多應用,例如調頻發射機的頻率調制和鎖相環。鎖相環用于調諧許多收音機、電視機和蜂窩電話的頻率合成器壓敏電阻由RamoWooldridgeCorporation的PacificSemiconductor子公司開發,該子公司于1961年6月獲得了該設備的專利。該設備名稱也于1967年10月由PacificSemiconductors的繼任者TRWSemiconductors注冊為Varicap。這有助于解釋設備投入使用時的不同名稱。

    手術

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    變容二極管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,因此控制變容二極管的結電容。電容變化特性取決于摻雜分布。通常,對于突變的結輪廓,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。對于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并且可以在較低電壓下工作。所有二極管都表現出這種可變結電容,但制造變容二極管是為了利用這種效應并增加電容變化。該圖顯示了具有由ap-n結形成的耗盡層的變容二極管的橫截面示例。該耗盡層也可以由MOS或肖特基二極管制成。這在CMOS和MMIC技術中很重要。

    在電路中使用

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    調諧電路

    通常,在電路中使用變容二極管需要將其連接到調諧電路,通常與任何現有的電容或電感并聯。將直流電壓作為反向偏置施加在變容二極管上以改變其電容。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管xxx電容大約100倍的隔直電容器與其串聯,并通過將來自高阻抗源的直流電施加到變容二極管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。由于沒有顯著的直流電流流過變容二極管,將其陰極連接回直流控制電壓電阻器的電阻值可以在22kΩ到150kΩ的范圍內,而隔直電容的值在5-100nF的范圍內.有時,對于非常高Q值的調諧電路,電感器與電阻器串聯,以增加控制電壓的源阻抗,從而不會加載調諧電路并降低其Q值。另一種常見配置使用兩個背對背(陽極到陽極)變容二極管。(參見圖中左下方的電路。)第二個變容二極管有效地替代了xxx個電路中的隔直電容。這將總電容和電容范圍減少了一半,但具有降低每個器件兩端電壓的交流分量的優點,并且如果交流分量具有足夠的幅度以將變容二極管偏置為正向傳導,則具有對稱失真。在設計帶有變容二極管的調諧電路時,通常好的做法是將變容二極管兩端電壓的交流分量保持在最低水平,通常小于100mV峰峰值,以防止二極管電容變化太大,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管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。接地分離通常用于(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(如變容二極管和晶體管)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。早期的變容二極管通常需要0-33V的反向電壓范圍才能獲得其完整的電容范圍,但仍然非常小,約為1-10pF。這些類型曾經——現在仍然——廣泛用于電視調諧器,其高載波頻率只需要電容的微小變化。隨著時間的推移,變容二極管被開發出來,其電容范圍很大,100-500pF,反向偏壓變化相對較小:0-5V或0-12V。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(通常低于10MHz)下進行較大的電容變化。零售店中使用的一些電子安全標簽閱讀器設計需要在其壓控振蕩器中使用這些高電容變容二極管。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管。在右圖所示的消費類AM/FM調諧器中,單個雙封裝變容二極管可同時調整諧振電路(主站選擇器)的通帶,以及每個帶有單個變容二極管的本地振蕩器。這樣做是為了降低成本——本可以使用兩個雙封裝,一個用于槽路,一個用于振蕩器,總共四個二極管,這就是LA1851NAM無線電芯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管(其工作頻率大約高出一百倍)用紅色箭頭突出顯示。在這種情況下,使用了四個二極管,通過一個用于槽路/帶通濾波器的雙封裝和一個用于本地振蕩器的雙封裝。

    諧波乘法

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    在某些應用中,例如諧波倍增,將大信號幅度的交流電壓施加到變容二極管上,以故意以信號速率改變電容,從而產生更高的諧波,通過濾波提取諧波。如果通過變容二極管驅動施加足夠幅度的正弦波電流,則產生的電壓將峰化為更三角形的形狀,并產生奇次諧波。這是一種早期用于產生中等功率微波頻率的方法,在1-5瓦時為1-2GHz,在開發出足夠的晶體管以在此更高頻率下工作之前,從3-400MHz頻率下的大約20瓦開始。這種技術仍然用于產生更高的頻率,在100GHz–1THz范圍內,即使是最快的GaAs晶體管仍然不夠用。

    變容二極管

    變容二極管的替代品

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    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管,但它們的特性不會受到控制,并且批次之間可能會有很大差異。流行的臨時變容二極管包括LED、1N400X系列整流二極管、肖特基整流器和各種晶體管,尤其是2N2222和BC547。只要交流振幅保持較小,反向偏置晶體管的發射極-基極結也非常有效。在雪崩過程開始進行之前,xxx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BA102變容二極管和常見的齊納二極管1N5408在結電容方面表現出類似的變化,除了BA102具有與結電容相關的一組特定特性(而1N5408沒有)和Q1N5408比較少。在開發變容二極管之前,電機驅動的可變電容器或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。

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    詞條目錄
    1. 變容二極管
    2. 變容二極管應用
    3. 手術
    4. 在電路中使用
    5. 調諧電路
    6. 諧波乘法
    7. 變容二極管的替代品

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