在调谐电路中使用变容二极管
这些电视中的调谐器使用变容二极管来选择频道
如果你是我这一代的人，那么你应该还记得那种带有兔耳天线的老式电视机，以及你必须用来换频道的旋钮。如今，电视中的一切都是数字的，但老式电视中的调谐电路除了在周六早上找动画片看之外，还有很多用途。使这种工作的重要电路元件是变容二极管。
变容二极管在电视调谐器之外还有其他应用，从频率合成到精密射频振荡器。使用正确的仿真模型和工具，您可以在时域内分析具有变容二极管的电路中的信号行为，并确定最佳调谐参数。
什么是变容二极管?
变容二极管是一种简单的可变电容，可以通过施加电压轻松调谐振荡器电路和其他电路。这些二极管具有与p-n二极管相似的结构;变容二极管的结构相当简单，并说明其功率为具有非线性电抗的元件．这些二极管具有p-n-n+结构，其中施加的电压调制了p和n+侧之间损耗区的宽度。当使用具有高直流偏置的交流小信号时，它的功能非常接近于具有最小信号失真的线性组件。
变容二极管在反向偏置下运行，其中施加的电压改变耗尽区域的宽度。当反向偏置电压增加时，耗尽区的宽度也增加，从而降低电容。下图显示了变容二极管的原理图符号和电容方程。
变容二极管和电容方程的示意图符号。
分母中的指数γ类似于标准二极管中的理想因子，ɸ是二极管的内置电压，C0是零施加电压时二极管的电容。只要知道内置电压，就可以通过测量电容与施加的反向偏置电压来轻松确定这些参数。这通常使用log-log图来完成，它将是log(1 + V/ɸ)的线性函数。下面是C0 = 1 pF的一个例子。在这个图中，γ是得到的直线的负斜率，log(C0)是y截距。蓝色曲线为γ = 1.25的变容二极管，橙色曲线为γ = 1.75的变容二极管。
两个变容二极管(蓝色:γ = 1.25，橙色:γ = 1.75)的电容与电压数据。
请注意，变容二极管也有一些寄生串联电阻R，这将设置适用于上述方程的最大有用频率。这个频率正好等于1/(2πRC0)
变容二极管的应用
变容二极管的应用取决于电路中使用的直流和交流电压的范围。在一个简单的直流电路中，你只需要担心电容作为输入电压的函数。变容二极管额定运行数十伏的反向偏置;超过这个值会导致变容二极管运行高度非线性，击穿，或两者兼有。
对于需要调谐射频电路的应用，具有变容二极管的电路将使用具有一些直流偏置(Vdc)的输入交流信号。让我们看看变容二极管在交流输入的峰峰电压(Vp-p)和直流偏置方面的三个不同应用范围。
Vp-p << Vdc，大Vdc
变容二极管的可调谐特性使其非常适合用于可调谐射频振荡器、滤波器和阻抗匹配网络(例如:LC槽电路)当Vp-p << Vdc。在这种应用中，峰间电压应小于直流偏置，以避免在振荡期间过多地改变变容器的电容。换句话说，在这些应用中，变容电容可以视为常数。通过调节直流偏置来改变变容器的电容。许多商业上可用的变容二极管额定运行在数百MHz，允许它们用于上述三个应用领域。
如果在线性尺度上观察电容与电压的关系，就可以确定线性工作区域的适当范围。下图显示了上图中两个变容二极管示例的电容与电压数据。
两个变容二极管在线性尺度上的电容与电压数据(蓝色:γ = 1.25，橙色:γ = 1.75)。
从这张图中，我们可以看到一个更高的直流偏置应该被使用，因为这将保持电容几乎恒定交流分量震荡。这使得电路具有相当稳定的电容。输出可以被传递到滤波器或放大器，以提取所需的信号。
Vp-p ~ Vdc，从小到大Vdc
在这个范围内，电容是高度非线性的函数Vdc。此范围通常用于参数放大和频率合成模拟锁相环．具体来说，变容二极管的非线性阻抗将产生高阶谐波，然后传递到电路的输出端口。然后可以用高q带通滤波器获取所需的谐波。
用变容二极管建模调谐电路
由于变容二极管是非线性元件(即，它们具有非线性阻抗)，您可以使用最简单的模拟方法来检查这些元件的行为是时域暂态分析．请注意，零点极分析在这些电路中是无用的传递函数和波德图只定义为线性电路。因此，您必须使用暂态分析在时域中观察电路的行为。这将允许您识别稳定性，这是射频系统中参数放大的一个关键方面。一旦你有了一些时域数据，你可以使用数据的傅里叶变换来检查电路中产生的任何高阶谐波内容。
另一种选择是使用小信号分析将非线性电路转换为线性电路，其中直流偏置为工作点。这允许您探索Vp-p << Vdc，小Vdc制度，并获得相当准确的结果。然后，您可以使用AC和检查不同工作点周围的行为直流扫描．
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