从二极管到集成电路——变容二极管

我们知道，电容器具有存储和放出电荷的物理特性。二极管的PN结有没有这种特性呢？有的。在第二讲谈到二极管PN结单向导电特性时，曾讲过PN结空间电荷区的厚薄是随外加电压而变的。当二极管两端加正向电压时，由于外加电场与结电场方向相反，空穴和电子不断由P区和N区被驱赶到空间电荷区，分别与电子和空穴复合，这相当于电荷存入PN结；当加反向电压时，由于外加电场与结电场方向一致，使电子和空穴分别向离开空间电荷区的方向移动，这相当于PN结放出电荷。由此可见PN结亦具有一般电容器的物理特性，因此我们可以用一个电容来代表二极管PN结的这个电容效应，如图1，这个电容称为结电容。这个电容在外加电压作用下，随空间电荷区厚薄的变化而改变。

二极管应用于检波时，我们希望结电容越小越好，因为结电容的存在使高频信号很容易通过去，反向电流也变得很大，破坏了二极管的单向导电特性，降低了检波效率，且使检波失真增大，因而检波二极管都为点接触型。变容二极管不但需要有较大的结电容，且要求有一定可变范围，使其能代替各种容量变化的可变电容器，因而变容二极管都做成面接型或台面型。材料可以是锗的如国产2AC型锗变容二极管，也可以是硅的如2CC型、2CB型硅变容二极管，还有2EC型的砷化镓变容二极管等等。它的符号示于图2a，图2b为国外电路图上常采用的一些符号。

我们知道，平行板电容器（图3）的电容量C与极板面积A和两极板间绝缘物的介电常数。ε成正比，而与两极板间距d成反比，即C=d。在反向电压作用下的二极管结电容C\(_{j}\)也可等效为平行板电容的情况，我们把P、N两极看成是平行板电容器的两极板，只不过极间插入的绝缘物是半导体材料，其ε应是半导体材料的介电常数，而间距d随外加反向电压VR而变，V\(_{R}\)越大，空间电荷区变厚，相当于间距加大，因而结电容Cj减小，其变化关系如图4曲线所示。由于PN结的结构和结面附近杂质的分布情况不一样，变容二极管目前有缓变结、突变结、和超突变结三种类型，见图5。不同类型的变容二极管，C\(_{j}\)-VR曲线变化规律不同，就是同一型号的管子，参数也有很大离散性，因而实际工作中往往采用实测的办法来分选管子和确定工作状态。

品质因素Q和截止频率f\(_{C}\)是变容二极管的两项主要性能参数。一般在甚高频（VHF）、特高频（UHF）谐振回路中使用的可变电容器，品质因素Q很高，变容二极管要取代它，亦必须有足够高的Q值。我们可以将变容二极管等效简化为图6电路，其中Cj为结电容，r\(_{s}\)是取决于二极管材料、结面积大小和空间电荷区厚度的串联电阻，可写出其Q值表示式为：

图7是两种变容二极管的Q值与频率关系曲线图，可以看到:当频率升高时，Q值降低，一般称Q=1时的频率f\(_{C}\)为截止频率，fC＝\(\frac{1}{2πr}\)\(_{s}\)Cj。使用时，电路的工作频率应低于截止频率f\(_{C}\)。由于Q值与频率有关，又与结电容有关，也就与反压有关，因而在半导体器件手册中，总是给出在某一测试频率和反压情况下的Q值，供选管时参考。

手册中还给出了变容管最高反压V\(_{RM}\)和最大允许功耗PCM，应用时切勿超过，否则也会同一般二极管一样被击穿或烧毁。

变容二极管的容量既受控于所加反压，因而常用电位器调节电压来控制变容管的容量变化，为了使容量变化缓慢些，可采用多圈电位器，当要求遥控时，也只要将控制电压加到管子两端就可以了。变容管体积小、应用方便、控制电路也比较简单，因而目前已广泛应用在收录机、电视机、录象机、通信机及各种电子测量设备中，用于调谐放大、振荡、自动频率微调及信频等电路中。

图8a是采用变容二极管的振荡电路，其中R\(_{b1}\)、Rb2和R\(_{e}\)用来建立振荡管BG1的直流工作点，变容二极管所加反压是-12伏电源通过R\(_{1}\)、W和R2分压器经R\(_{3}\)、R4提供的，调节电位器W就可改变反压，从而改变振荡频率，因而采用变容管的振荡器叫做压控振荡器（英文缩写成VCO）。C\(_{1}\)、R3、C\(_{2}\)组成π型滤波器，用来抑制由-12伏电源带来的干扰，减少控制电压对振荡波形的影响。振荡信号由C7耦合输出。图8b是交流等效电路。由于C\(_{2}\) 、C3容量较大，对交流信号可看作短路，而变容管在实际上又起着可变电容器C\(_{T}\)的作用，因而电路又可简化成图8C，这就是电容三点式振荡电路，常称席勒电路。图8a电路的振荡频率调在8MHz。

同样，我们亦可将变容二极管用在电视机高频头的本振、高放及输入电路中，代替多连可变电容器，改革了高频头的传统结构，使高频头小型化，且使电视机有可能进行遥控。

图9为变容二极管用于自动频率微调电路的情况，它与固定电容C串联后并入受控振荡器的LC谐振回路。当信号频率或受控振荡器频率发生变化时，鉴频器就有直流电压输出加到变容二极管上，便变容管容量变化，从而改变了受控振荡器LC回路的并联电容值，使振荡频率跟踪信号频率的变化，起到自动频率微调作用。

在一些工作频率极高的电子设备中，往往需要有UHF或SHF（超高频）频段的振荡器，可以采用倍频的方法来得到极高频率的振荡信号。即让一个频率较低的某波信号fi通过由非线性器件组成的倍频器，如图10，最后在输出端得到需要的基波第n次倍频nfi。在UHF、SHF频段可用变容二极管倍频，以得到较高的倍频效率。

倍频原理可用图11简单说明：若图10a电路中，将基波f\(_{i}\)经基波带通滤波器加到变容二极管两端，由于变容管Cj—V\(_{R}\)曲线的非线性，因而流过变容管的电流会发生畸变，而一个畸变了的波形中，除有基波外，还有很多谐波。如图11a虚线所示的畸变波可分解成由实线所示的基波fi和二次谐波2f\(_{i}\)。图11b虚线所示的畸变波可分解成由实线所示的基波fi、二次谐波2f\(_{i}\)和三次谐波3fi。这时用一个谐波带通滤波器就可以将所需要的第n次谐波选出来输出。

图10是变容二极管倍频器的两种电路结构型式，其中图10a为并联型倍频器，图10b为串联型倍频器。变容管用在倍频电路中时要注意管子切勿超过其规定功耗P\(_{CM}\)，因为对倍频器来说，输入的是基波，输出的是所选第n次谐波，因而变容管在这里便成为一个耗能元件，基波及除nfi以外其它次谐波的能量将全部耗散在其PN结上使管子发热。

由于变容管的C\(_{j}\)－VR特性呈现非线性，因而将它接入谐振回路时，回路的频率随电压的变化f-V\(_{R}\)特性亦会呈现非线性。为了改善回路f－VR的非线性，我们应该了解变容二极管在回路中的接入方式对回路的f—V\(_{R}\)特性的影响。

变容二极管在谐振回路中大致有三种接入方式：（1）并联式接入，如图12a。这种接入方式,回路的f—VR特性完全取决于变容管，因而非线性因素最大，一般不予采用。（2）串联式部分接入，如图12b。这种接入方式的回路电容为给电容C\(_{j}\)与固定电容C的串联值，因而使f-VR特性的非线性得到改善，被广泛采用。（3）全电容接入，如图12c，根据所加电压极性可有两种接法。由于两个变容管背靠背接入回路，因而使f－V\(_{R}\)特性的非线性得到改善。这种接入方法，要求两管参数对称一致，但由于两管反向串接，使Q值下降，因而要选用高Q值管。如果回路电容量不够，亦可再并上一组变容管，这时四个管子的参数也要求对称一致。