深度剖析變?nèi)荻O管的工作原理

　　變?nèi)?a target="_blank">二極管，也稱為變電容，VVC（電壓可變電容或調(diào)諧二極管），是一種半導(dǎo)體二極管，當(dāng)器件反向偏置時(shí)，其p-n結(jié)上具有可變電壓相關(guān)電容。

　　反向偏置基本上意味著當(dāng)二極管受到相反的電壓時(shí)，這意味著陰極處的正電壓和陽(yáng)極的負(fù)電壓。

　　變?nèi)荻O管的工作方式取決于二極管處于反向偏置模式時(shí)p-n結(jié)上的現(xiàn)有電容。

　　在這種情況下，我們發(fā)現(xiàn)在結(jié)的p-n側(cè)上建立了一個(gè)未覆蓋的電荷區(qū)域，它們共同導(dǎo)致整個(gè)結(jié)上的耗盡區(qū)域。

　　此耗盡區(qū)域在器件中建立耗盡寬度，符號(hào)為 Wd。

　　由于上述解釋的隔離未覆蓋電荷，p-n結(jié)兩端的電容躍遷可以使用以下公式確定：

　　CT = ε。A/W

　　其中ε是半導(dǎo)體材料的介電常數(shù)，A是p-n結(jié)面積，Wd是耗盡寬度。

　　工作原理

　　變電容或變?nèi)荻O管的基本工作原理可以通過(guò)以下解釋來(lái)理解：

　　當(dāng)施加具有上升反向偏置電位的變?nèi)荻O管或變?nèi)荻O管時(shí)，會(huì)導(dǎo)致器件的耗盡寬度增加，進(jìn)而導(dǎo)致其過(guò)渡電容減小。

　　下圖顯示了變?nèi)荻O管的典型特性響應(yīng)。

　　我們可以看到CT的初始急劇下降，以響應(yīng)反向偏置電位的增加。通常，可變電壓電容二極管施加的反向偏置電壓VR的范圍限制為20 V。

　　關(guān)于施加的反向偏置電壓，轉(zhuǎn)換電容可以使用以下公式近似計(jì)算：

　　CT = K / （VT + VR）n

　　在該公式中，K是一個(gè)常數(shù)，由所用半導(dǎo)體材料的類型及其結(jié)構(gòu)布局決定。

　　VT是膝關(guān)節(jié)電位，如下所述：

　　VR是施加在設(shè)備上的反向偏置電位量。

　　對(duì)于使用合金結(jié)的可變電容二極管，n的值為1/2，對(duì)于使用擴(kuò)散結(jié)的二極管，n的值為1/3。

　　在沒有偏置電壓或零電壓偏置的情況下，電容C（0）作為VR的功能可以通過(guò)以下公式表示。

　　CT（VR） = C（0） / （1 + |VR/VT|）n

　　變電容等效電路

　　變電容二極管的標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)（b）和等效近似電路（a）如下圖所示：

　　右圖提供了變電容二極管的近似仿真電路。

　　作為二極管，在反向偏置區(qū)域，等效電路RR中的電阻明顯較大（約1M歐姆），而幾何電阻值Rs則相當(dāng)小。CT 的值可能在 2 到 100 pF

之間變化，具體取決于所使用的變異帽類型。

　　為了確保RR值足夠大，從而使漏電流最小，通常選擇硅材料作為變電容二極管。

　　由于變分二極管應(yīng)該專門用于極高頻應(yīng)用，因此電感LS即使看起來(lái)很小，也不能被忽略。

　　這種看起來(lái)很小的電感的影響可能相當(dāng)顯著，可以通過(guò)以下電抗計(jì)算來(lái)證明。

　　XL = 2πfL，讓我們想象一下，頻率為 10 GHz，LS = 1 nH，將在 XLS = 2πfL = （6.28）（1010赫茲）（

10-9F） = 62.8 歐姆。這看起來(lái)太大了，毫無(wú)疑問(wèn)，這就是為什么變電容二極管被指定有嚴(yán)格的頻率限制的原因。

　　如果我們假設(shè)頻率范圍合適，并且RS，XLS的值與其他串聯(lián)元件相比較低，則可以簡(jiǎn)單地用可變電容器代替上述等效電路。

　　了解變?nèi)荻O管或變?nèi)荻O管的數(shù)據(jù)表

　　典型變電容二極管的完整數(shù)據(jù)表可以從下圖中研究：

　　上圖中的C3/C25之比顯示了當(dāng)二極管的反向偏置電位在3至25

V之間時(shí)，電容水平的比值。該比率有助于我們快速參考電容相對(duì)于施加的反向偏置電位的變化水平。

　　優(yōu)點(diǎn)Q系數(shù)提供了為應(yīng)用實(shí)現(xiàn)器件的考慮范圍，它也是電容器件每個(gè)周期存儲(chǔ)的能量與每個(gè)周期損失或耗散的能量之比的比率。

　　由于能量損失大多被認(rèn)為是負(fù)屬性，因此比率的相對(duì)值越高越好。

　　數(shù)據(jù)手冊(cè)的另一個(gè)方面是變電容二極管的諧振頻率。這是由公式?jīng)Q定的：

　　fo = 1/2π√LC

　　該系數(shù)決定了變電容二極管的應(yīng)用范圍。

　　電容溫度系數(shù)

　　參考上圖，可變電容二極管的電容溫度系數(shù)可以使用以下公式進(jìn)行評(píng)估：

　　其中ΔC表示器件電容的變化，由于溫度變化（T1 - T0）表示，對(duì)于特定的反向偏置電位。

　　例如，在上面的數(shù)據(jù)表中，它顯示了 C0 = 29 pF，VR = 3 V 和 T0 = 25 攝氏度。

　　使用上述數(shù)據(jù)，我們可以評(píng)估變分二極管電容電容的變化，只需將新的溫度T1值和圖表中的TCC代入（0.013）。有了新的VR，TCC值可以預(yù)期會(huì)相應(yīng)地變化。回顧數(shù)據(jù)表，我們發(fā)現(xiàn)達(dá)到的最大頻率為600

MHz。

　　使用此頻率值，變矩電容的電抗XL可以計(jì)算為：

　　XL = 2πfL = （6.28）（600 x 1010赫茲）（2.5 x 10-9F） = 9.42 歐姆

　　結(jié)果是一個(gè)相對(duì)較小的星等，忽略它是可以接受的。