深度剖析变容二极管的工作原理

　　变容二极管，也称为变电容，VVC（电压可变电容或调谐二极管），是一种半导体二极管，当器件反向偏置时，其p-n结上具有可变电压相关电容。

　　反向偏置基本上意味着当二极管受到相反的电压时，这意味着阴极处的正电压和阳极的负电压。

　　

　　变容二极管的工作方式取决于二极管处于反向偏置模式时p-n结上的现有电容。

　　在这种情况下，我们发现在结的p-n侧上建立了一个未覆盖的电荷区域，它们共同导致整个结上的耗尽区域。

　　此耗尽区域在器件中建立耗尽宽度，符号为 Wd。

　　由于上述解释的隔离未覆盖电荷，p-n结两端的电容跃迁可以使用以下公式确定：

　　CT = ε。A/W

　　其中ε是半导体材料的介电常数，A是p-n结面积，Wd是耗尽宽度。

　　工作原理

　　变电容或变容二极管的基本工作原理可以通过以下解释来理解：

　　当施加具有上升反向偏置电位的变容二极管或变容二极管时，会导致器件的耗尽宽度增加，进而导致其过渡电容减小。

　　下图显示了变容二极管的典型特性响应。

　　

　　我们可以看到CT的初始急剧下降，以响应反向偏置电位的增加。通常，可变电压电容二极管施加的反向偏置电压VR的范围限制为20 V。

　　关于施加的反向偏置电压，转换电容可以使用以下公式近似计算：

　　CT = K / （VT + VR）n

　　在该公式中，K是一个常数，由所用半导体材料的类型及其结构布局决定。

　　VT是膝关节电位，如下所述：

　　

　　VR是施加在设备上的反向偏置电位量。

　　对于使用合金结的可变电容二极管，n的值为1/2，对于使用扩散结的二极管，n的值为1/3。

　　在没有偏置电压或零电压偏置的情况下，电容C（0）作为VR的功能可以通过以下公式表示。

　　CT（VR） = C（0） / （1 + |VR/VT|）n

　　变电容等效电路

　　变电容二极管的标准符号（b）和等效近似电路（a）如下图所示：

　　

　　右图提供了变电容二极管的近似仿真电路。

　　作为二极管，在反向偏置区域，等效电路RR中的电阻明显较大（约1M欧姆），而几何电阻值Rs则相当小。CT 的值可能在 2 到 100 pF

之间变化，具体取决于所使用的变异帽类型。

　　为了确保RR值足够大，从而使漏电流最小，通常选择硅材料作为变电容二极管。

　　由于变分二极管应该专门用于极高频应用，因此电感LS即使看起来很小，也不能被忽略。

　　这种看起来很小的电感的影响可能相当显着，可以通过以下电抗计算来证明。

　　XL = 2πfL，让我们想象一下，频率为 10 GHz，LS = 1 nH，将在 XLS = 2πfL = （6.28）（1010赫兹）（

10-9F） = 62.8 欧姆。这看起来太大了，毫无疑问，这就是为什么变电容二极管被指定有严格的频率限制的原因。

　　如果我们假设频率范围合适，并且RS，XLS的值与其他串联元件相比较低，则可以简单地用可变电容器代替上述等效电路。

　　了解变容二极管或变容二极管的数据表

　　典型变电容二极管的完整数据表可以从下图中研究：

　　

　　

　　上图中的C3/C25之比显示了当二极管的反向偏置电位在3至25

V之间时，电容水平的比值。该比率有助于我们快速参考电容相对于施加的反向偏置电位的变化水平。

　　优点Q系数提供了为应用实现器件的考虑范围，它也是电容器件每个周期存储的能量与每个周期损失或耗散的能量之比的比率。

　　由于能量损失大多被认为是负属性，因此比率的相对值越高越好。

　　数据手册的另一个方面是变电容二极管的谐振频率。这是由公式决定的：

　　fo = 1/2π√LC

　　该系数决定了变电容二极管的应用范围。

　　电容温度系数

　　

　　参考上图，可变电容二极管的电容温度系数可以使用以下公式进行评估：

　　

　　其中ΔC表示器件电容的变化，由于温度变化（T1 - T0）表示，对于特定的反向偏置电位。

　　例如，在上面的数据表中，它显示了 C0 = 29 pF，VR = 3 V 和 T0 = 25 摄氏度。

　　使用上述数据，我们可以评估变分二极管电容电容的变化，只需将新的温度T1值和图表中的TCC代入（0.013）。有了新的VR，TCC值可以预期会相应地变化。回顾数据表，我们发现达到的最大频率为600

MHz。

　　使用此频率值，变矩电容的电抗XL可以计算为：

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

　　结果是一个相对较小的星等，忽略它是可以接受的。