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变容二极管它的结电容值会随着反向偏压而改变

发布时间:2011/12/14 9:56:17 访问次数:10746

    变容二极管就是针对这个可变电容的特性所特别设计的。NCP303LSN32T1这些元件常用于通信系统中的调谐电路。
    在学完这一节后,你应该能够:说明变容二极管的可变电容特性,并且分析它在一般线路的工作情况;辨识变容二极管的符号;说明为何反向偏压的变容二极管会具有电容性;参与讨论电客值如何随着反向偏压改变;诠释变容二极管的特性参数表;定义调谐比率( tuning ratio);定义质量因数(quality  Factor) Q;参与讨论变容二极管的温度系数;分析变容二极管调谐带通滤波器(band-pass filter)。
    变容二极管是工作在反向偏压的二极管,其掺杂程度可使达到耗尽区最大电容。被反向偏压扩大的耗尽区具不导电特性,可当作电容器的电介质。而P和N型区具有导电性,可视作电容器的极板,如图3.19所示。

                           
   1.基本工作原理
    当反向偏压增加,耗尽区会变宽,可有效地增加极板之间的距离和电介质的厚度,因此降低了电容值。当反向偏压降低,耗尽区变窄,所以电容值增加。这个动作如图3. 20(a)和3.20(b)所示。变容二极管的电容值(CT)对反向偏压的曲线图,如图3.20(c)所示。对这个元件而言,当VR从1V变化到40V,CT从40pF变化到稍大于4pF的电容值。

        

     电容值是由电极面积(A)、介电常数(e)和电介质厚度(d)等参数所决定,如下式所示:                          C=Aε/d
    在变容二极管中,这些电容参数是由PN结的掺杂方法、二极管架构的大小与几何形状所控制。变容二极管的电容值通常从几皮法到几百皮法。
    (1)变容二极管的特性参数表信息
    变容二极管的特定系列(1N5139-1N5148)的部分特性参数表,如图3.22所示。所标示的二极管电容值是在反向直流偏压4V时,所量测得到的值,此系列的电容值从6.8~47pF。
    (2)电容误差范围
    CT的最小和最大值是根据10%的误差来决定。例如,当反向偏压为4V时,1N5139显示的电容值介于6.lpF和7.5pF之间。这个误差范围不应该跟反向偏压变化所导致的电容值变化范围混为一谈,反向偏压决定于调谐比率,将在下一段落讨论。
    (3)调谐比率
    变容二极管的调谐比率又称为电客比率( capacitance ratio),它是二极管在最小反向偏压下的电容值和在最大反向偏压下电容值的比率。图3. 22所表示的变容二极管,调谐比率是在为4V的测量值除以在为60V的测量值。在这种情况下的调谐比率可用C4/C60表示。
    对于1N5139,标准的调谐比率是2.9。这意味着VR当从4V增加到60V时,电容值成2.9倍降低。以下的计算说明如何使用调谐比率(TR)来计算出1N5139的电容值范围。
    从图3. 22(a)的参数表中,C4=6.8pF,而标准的TR=C4/C60=2.9。所以,                C60=C4/TR=6.8pF/2.9=2.3pF
    当VR从4V增加到60V,二极管电容从6.8pF变化到2.3pF。
    电容值范围也可以从图3. 22(b)的图表计算出来,它显示变容二极管的电容值如何随反向电压从1~60V变化。在图中,可以看出1N5139的电容值在VR=1V时大约是10.5pF,在VR=60V时大约是2.3pF。
    变容二极管1N51XX系列是突变结面元件。在P型和N型区的掺杂程度是均匀地,如此PN结会有相对突然的改变,而不会和整流二极管一样的平缓改变。结面的突然改变决定了调谐比率。其他种类的变客二极管如MV1401是超突变元件(hyper-abrupt Device),它的掺杂样式造成更为突变的结面。很多超突变的变容二极管的调谐比率可以高达10到15。
    (4)灵敏值
    电抗元件的灵敏值( figure of merit)或质量因数(Q,quality factor)是电容器(或电感器)所储存的能量与释放并消耗在阻抗的能量比率。1N5139在V。-4V时,有最小的Q值350,这表示二极管电容储存和释放的能量比消耗在元件阻抗的能量大350倍。Q值越高越好。图3. 22(c)是此系列三个变容二极管的图表,它显示标准灵敏值会随着反向偏压增加而增加。
    (5)温度系数
    二极管电容具有正温度系数,所以当温度增加时,CT会少量地增加。灵敏值具有负温度系数,所以当温度增加时Q值会降低。

                     

     2.应  用
    变容二极管主要应用在调谐电路上。例如,电视的电子调谐器和其他市售的收音机都使用变容二极管。当应用于谐振电路时,变容二极管就如同可变电容器,可以由可变的电压幅度调整谐振频率,如图3.23所示,其中的变容二极管就可调出并联谐振带通滤波器中所需电容量的全部变化范围。

                
    变容二极管和电感在输出端和交流接地之间,形成一个并联的谐振电路。电容器Cl、C2、C3相C4是耦合电容器,用来消除滤波电路对直流偏压电路形成的负载效应。这些电容器对滤波器的频率没有影响,因为它们的电抗值在共振频率是可忽略的。C1隔离了从分压器经过电感和RL回馈到交流信号源的直流路径。C2隔离了经过电感器从变容二极管的阴极到阳极的直流路径。C3隔离了经过电感到输出负载的直流路径。C4隔离了到接地之间的直流路径。
    电阻R2、R3、R4和可变电阻器R4组成用于调整变容二极管偏压的直流分压。变容二极管两端的反向偏压会随可变电阻而变化。


 

    变容二极管就是针对这个可变电容的特性所特别设计的。NCP303LSN32T1这些元件常用于通信系统中的调谐电路。
    在学完这一节后,你应该能够:说明变容二极管的可变电容特性,并且分析它在一般线路的工作情况;辨识变容二极管的符号;说明为何反向偏压的变容二极管会具有电容性;参与讨论电客值如何随着反向偏压改变;诠释变容二极管的特性参数表;定义调谐比率( tuning ratio);定义质量因数(quality  Factor) Q;参与讨论变容二极管的温度系数;分析变容二极管调谐带通滤波器(band-pass filter)。
    变容二极管是工作在反向偏压的二极管,其掺杂程度可使达到耗尽区最大电容。被反向偏压扩大的耗尽区具不导电特性,可当作电容器的电介质。而P和N型区具有导电性,可视作电容器的极板,如图3.19所示。

                           
   1.基本工作原理
    当反向偏压增加,耗尽区会变宽,可有效地增加极板之间的距离和电介质的厚度,因此降低了电容值。当反向偏压降低,耗尽区变窄,所以电容值增加。这个动作如图3. 20(a)和3.20(b)所示。变容二极管的电容值(CT)对反向偏压的曲线图,如图3.20(c)所示。对这个元件而言,当VR从1V变化到40V,CT从40pF变化到稍大于4pF的电容值。

        

     电容值是由电极面积(A)、介电常数(e)和电介质厚度(d)等参数所决定,如下式所示:                          C=Aε/d
    在变容二极管中,这些电容参数是由PN结的掺杂方法、二极管架构的大小与几何形状所控制。变容二极管的电容值通常从几皮法到几百皮法。
    (1)变容二极管的特性参数表信息
    变容二极管的特定系列(1N5139-1N5148)的部分特性参数表,如图3.22所示。所标示的二极管电容值是在反向直流偏压4V时,所量测得到的值,此系列的电容值从6.8~47pF。
    (2)电容误差范围
    CT的最小和最大值是根据10%的误差来决定。例如,当反向偏压为4V时,1N5139显示的电容值介于6.lpF和7.5pF之间。这个误差范围不应该跟反向偏压变化所导致的电容值变化范围混为一谈,反向偏压决定于调谐比率,将在下一段落讨论。
    (3)调谐比率
    变容二极管的调谐比率又称为电客比率( capacitance ratio),它是二极管在最小反向偏压下的电容值和在最大反向偏压下电容值的比率。图3. 22所表示的变容二极管,调谐比率是在为4V的测量值除以在为60V的测量值。在这种情况下的调谐比率可用C4/C60表示。
    对于1N5139,标准的调谐比率是2.9。这意味着VR当从4V增加到60V时,电容值成2.9倍降低。以下的计算说明如何使用调谐比率(TR)来计算出1N5139的电容值范围。
    从图3. 22(a)的参数表中,C4=6.8pF,而标准的TR=C4/C60=2.9。所以,                C60=C4/TR=6.8pF/2.9=2.3pF
    当VR从4V增加到60V,二极管电容从6.8pF变化到2.3pF。
    电容值范围也可以从图3. 22(b)的图表计算出来,它显示变容二极管的电容值如何随反向电压从1~60V变化。在图中,可以看出1N5139的电容值在VR=1V时大约是10.5pF,在VR=60V时大约是2.3pF。
    变容二极管1N51XX系列是突变结面元件。在P型和N型区的掺杂程度是均匀地,如此PN结会有相对突然的改变,而不会和整流二极管一样的平缓改变。结面的突然改变决定了调谐比率。其他种类的变客二极管如MV1401是超突变元件(hyper-abrupt Device),它的掺杂样式造成更为突变的结面。很多超突变的变容二极管的调谐比率可以高达10到15。
    (4)灵敏值
    电抗元件的灵敏值( figure of merit)或质量因数(Q,quality factor)是电容器(或电感器)所储存的能量与释放并消耗在阻抗的能量比率。1N5139在V。-4V时,有最小的Q值350,这表示二极管电容储存和释放的能量比消耗在元件阻抗的能量大350倍。Q值越高越好。图3. 22(c)是此系列三个变容二极管的图表,它显示标准灵敏值会随着反向偏压增加而增加。
    (5)温度系数
    二极管电容具有正温度系数,所以当温度增加时,CT会少量地增加。灵敏值具有负温度系数,所以当温度增加时Q值会降低。

                     

     2.应  用
    变容二极管主要应用在调谐电路上。例如,电视的电子调谐器和其他市售的收音机都使用变容二极管。当应用于谐振电路时,变容二极管就如同可变电容器,可以由可变的电压幅度调整谐振频率,如图3.23所示,其中的变容二极管就可调出并联谐振带通滤波器中所需电容量的全部变化范围。

                
    变容二极管和电感在输出端和交流接地之间,形成一个并联的谐振电路。电容器Cl、C2、C3相C4是耦合电容器,用来消除滤波电路对直流偏压电路形成的负载效应。这些电容器对滤波器的频率没有影响,因为它们的电抗值在共振频率是可忽略的。C1隔离了从分压器经过电感和RL回馈到交流信号源的直流路径。C2隔离了经过电感器从变容二极管的阴极到阳极的直流路径。C3隔离了经过电感到输出负载的直流路径。C4隔离了到接地之间的直流路径。
    电阻R2、R3、R4和可变电阻器R4组成用于调整变容二极管偏压的直流分压。变容二极管两端的反向偏压会随可变电阻而变化。


 

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