文档介绍：6 ●变容管及门—罗关系式
变容管:变容管是一个极重要的微波半导体元件
PN结的结电容(主要是势垒电容)随着外加电压的改变而改变,利用了这一特性可以构成变容二极管(简称为变容管)。变容管作为非线性可变电抗器件,可以构成参量放大器、参量变频器、参量倍频器(谐波发生器)、可变衰减或调制器等。
结构:以作封底、外延N层,再扩散一层可制成平面、,,,,.

变容管的封装形式与肖特基势垒二极管类似.
等效电路
变容管的等效电路结构与肖特基势垒二极管的相同,图2-36给出了变容管的等效电路和电路符号。由于工作状态的要求不同导致元件参数不同。下面给出等效电路中各元件值的大小。
图2-36变容管的等效电路和电路符号
为1~5 Ω,
小于l nH。
小于1 pF。
~ pF,零偏压下的结电容。
在反偏压下可达MΩ量级。
显然,结电容是有效参数,其他都是寄生参量。
█为了避免出现电流及随之产生的电流散粒噪声,变容管的工作电压在导通电压和击穿之间,即。
给变容管加上直流负偏压和交流信号(泵浦电压)
,即
得时变电容为

式中:
其中,为直流工作点处的结电容;P为相对泵浦电压幅度(简称相对泵幅),表明泵浦激励的强度。P=1时,为满泵工作状态;p<1时,为欠泵工作状态;p>1时,为过泵工作状态。典型的工作状态是p<1且接近于1的欠泵激励状态,不会出现电流及相应的电流散粒噪声。图2-37给出时变电容随泵浦电压周期变化的曲线。
图2-37
用傅里叶级数展开这个周期函数

式中: , ,
其中:是的直流分量,表示直流工作点的平均电容,是直流偏压和泵浦幅度的函数,;为基波电容;为n次谐波电容调制系数或泵浦系数,是交流激励下变容管非线性特性的一个重要参量,称为基波电容调制系数。将电容表达式(2—62)改写为

式中:,典型情况下x<1。利用的级数展开式,并代入(2-64)式,可求得和。图2—38和图2—39表示了和特性曲线。可以看出:在同样的泵浦激励下,使用突变结比使用线性缓变结可以得到更大的电容调制系数,结电容的变化范围更大,故采用突变结变容管更有利于微波电路设计。

在分析变容管特性时,有时使用电容的倒数比较方便,称为倒电容或电弹。可用与电容相同的方法进行分析,

式中:是静态工作点电弹。显然电弹也是泵频的周期函数,同样可用傅里叶级数展开为

式中,,,为n次谐波电弹调制系数。根据分析结果可知

结电容及管子分类
对突变结管子、单位面积贮存的空间电荷为

其中,为u=0时的结电容.
对其它掺杂规律(如线形缓变结、超突变结等)的管子、依据其电容分布规律不同,,可得结电容的一般表示式
.
n= 突变结变容管,主要用于变频及参放.
n> 超突变结变容管,主要用于电调谐.
n= 线形缓变节变容管,主要用于倍频.
n=0 阶跃恢复二极管,主要用于高次倍频
PN结的总电容C是势垒电容与扩散电容之和,即:。正偏时,由于通常远大于,故≈;反偏时,扩散电容极小,可以忽略,有≈。
变容管的参数
结电容:
n、、、
品质因数Q: —几十
截止频率: Q=1时的. .

反向击穿电压: .
自谐振频率: 串联自谐振频率
并联自谐振频率

取平均结点容,,
、Cp尽量小,使↑↑
泵浦作用下的结电容
变容管两端加上偏压,大信号泵浦Up,小信号Us
由于的非线性,
是t的周期偶函数,可展开为
其中