变容二极管应用等基础知识详解

变容二极管（Varactor Diodes）又称“可变电抗二极管”，是利用pN结反偏时结电容大小随外加电压而变化的特性制成的。反偏电压增大时结电容减小、反之结电容增大，变容二极管的电容量一般较小，其最大值为几十皮法到几百皮法，最大区容与最小电容之比约为5:1。它主要在高频电路中用作自动调谐、调频、调相等、例如在电视接收机的调谐回路中作可变电容。

变容二极管工作原理

变容二极管（Varactor Diodes）为特殊二极管的一种。当外加顺向偏压时，有大量电流产生，PN（正负极）结的耗尽区变窄，电容变大，产生扩散电容效应；当外加反向偏压时，则会产生过渡电容效应。但因加顺向偏压时会有漏电流的产生，所以在应用上均供给反向偏压。

变容二极管也称为压控变容器，是根据所提供的电压变化而改变结电容的半导体。也就是说，作为可变电容器，可以被应用于FM调谐器及TV调谐器等谐振电路和FM调制电路中。

其实我们可以把它看成一个PN结，我们想，如果在PN结上加一个反向电压V（变容二极管是反向来用的），则N型半导体内的电子被引向正极，P型半导体内的空穴被引向负极，然后形成既没有电子也没有空穴的耗尽层，该耗尽层的宽度我们设为d，随着反向电压V的变化而变化。如此一来，反向电压V增大，则耗尽层d变宽，二极管的电容量C就减少（根据C=kS/d），而反向电压减小，则耗尽层宽d变窄，二极管的电容量变大。反向电压V的改变引起耗尽层的变化，从而改变了压控变容器的结容量C。达到了目的。

变容二极管是利用PN结之间电容可变的原理制成的半导体器件，在高频调谐、通信等电路中作可变电容器使用。

变容二极管作用

1、变容二极管的作用是利用PN结之间电容可变的原理制成的半导体器件，在高频调谐、通信等电路中作可变电容器使用。

变容二极管属于反偏压二极管，改变其PN结上的反向偏压，即可改变PN结电容量。反向偏压越高，结电容则越少，反向偏压与结电容之间的关系是非线性的，如右图所示。

2、变容二极管的电容值与反向偏压值的关系图解：

（a） 反向偏压增加，造成电容减少；

（b） 反向偏压减少，造成电容增加。

电容误差范围是一个规定的变容二极管的电容量范围。数据表将显示最小值、标称值及最大值，这些经常绘在图上。

变容二极管常见用途

材料多为硅或砷化镓单晶，并采用外延工艺技术。反偏电压愈大，则结电容愈小。变容二极管具有与衬底材料电阻率有关的串联电阻。对于不同用途，应选用不同C和Vr特性的变容二极管，如有专用于谐振电路调谐的电调变容二极管、适用于参放的参放变容二极管以及用于固体功率源中倍频、移相的功率阶跃变容二极管等。

用于自动频率控制（AFC）和调谐用的小功率二极管称变容二极管。通过施加反向电压， 使其PN结的静电容量发生变化。因此，被使用于自动频率控制、扫描振荡、调频和调谐等用途。通常，虽然是采用硅的扩散型二极管，但是也可采用合金扩散型、外延结合型、双重扩散型等特殊制作的二极管，因为这些二极管对于电压而言，其静电容量的变化率特别大。结电容随反向电压VR变化，取代可变电容，用作调谐回路、振荡电路、锁相环路，常用于电视机高频头的频道转换和调谐电路，多以硅材料制作。

变容二极管调频电路

（1）变容二极管调频原理

变容二极管结电容Cj与在其两端所加反偏电压u之间存在着如下关系：

式中C0为变容二极管零偏时的电容，uφ为变容二极管PN结的势垒电位差，为结电容变化指数。

（2）变容二极管直接调频性能分析

Cj为回路总电容。图7-13为一变容二极管直接调频电路，Cj作为回路总电容接入回路。图7-13（b）是图7-13（a）振荡回路的简化高频电路。

由此可知，若变容管上加uΩ（t），就会使得Cj随时间变化（时变电容），如图7-14（a）所示，此时振荡频率为：

图7-13变容二极管直接调频电路

图7-14变容管线性调频原理

图7-19变容二极管直接调频电路举例（a）实际电路；（b）等效电路

变容二极管的典型应用电路一

电容C1与变容二极管VD1结电容串联，然后与L1并联构成LC并联谐振电路。正极性的直流电压通过电阻R1加到VD1负极，当这一直流电压大小变化时，给VD1加的反向偏置电压大小改变，其结电容容量大小也改变，这样LC并联谐振电路的谐振频率也随之改变。

给变容二极管加上反向直流偏置电压，当这一反向偏置电压大小改变时，变容二极管的结电容容量大小在改变。

变容二极管的结电容与C1串联的总电容与L1并联，变容二极管的结电容只是这个LC并联电路中的1只容量可变的电容，改变变容二极管的容量，既能改变这一LC并联谐振电路的谐振频率。

变容二极管的典型应用电路二

变容二极管是电子可变电容。换句话说，变容二极管表现出来的电容是反偏电势的函数。这种现象导致了变容二极管在一些需要考虑电容因素的场合的几种常见应用。下图为一个典型的变容二极管调谐的LC振荡电路。电路耦合电感L2，的作用是当振荡电路被当作射频放大器使用时，将射频信号输人到振荡电路。主要的LC振荡电路包括主电感L1，和电容C1与CR1的串联电容。除此之外，还要考虑广泛存在于电子线路的杂散电容Cs。隔直电容和串联电阻的功能前面已经介绍过了。电容C2的作用是对调谐电压Vin，进行滤波。

变容二极管的调谐电路

因为LC调谐的振荡电路的谐振频率是LC的函数，我们发现振荡电路的最大与最小谐振频率之比随着电容比的平方根变化。此处电容比是指反偏电压最小时的电容与反偏电压最大时的电容之比。因而，电路的调谐特征曲线（偏压一谐振频率）基本上是一条抛物线。