二極管的變阻與變容特性在手機中的應用

摘 要：二極管的基本特性是單向導電，在導通與截止的過程中其表現的阻值隨外加電壓的變化而變化；同時二極管也呈現出一定的電容特性，其表現的容量大小亦是隨外加電壓的變化而變化。因而他是一種非線性器件，這種特性在現代通信工具[CD2]手機的保護、接收、發射等電路中得到充分的利用。

關鍵詞：二極管；變阻特性；變容特性；非線性器件

中圖分類號：TN710 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)06-159-02

Application of Characteristic of the Change of Resistance and Capacity in Mobile Phones

WEI Bingguo

(Puyang Polytechnic College，Puyang，457000，China)

Abstract：The basic character of the diode is unilateral conduction.In the process of conducting and cutting off，the hinder value chages with the chage of applied voltage.At the same time，the diode also show the character of capasitance，the capasitance also change with the change of applied voltage.So it is a kind of nonlineary component.This character is fully utilized in the protection，acception and launching of the modern communication tool-cell phone.

Keywords：diode；character of changing of resistence；character of change of capasity；nonlinear element

1 二極管的變阻與變容特性

二極管內部的核心是由2塊P型、N型的半導體結合在一起形成的PN結。PN結的基本特性是單向導電，同時又具有電容特性，單向導電性表現為當加有正向電壓時PN結的耗盡層厚度變小，呈現的電阻阻值極小，當加有反向電壓時PN結的厚度變大呈現出較大的阻值，特別是硅材料的二極管，幾乎是無限大，但當加的反向電壓超過某一數值時其阻值瞬間變小幾乎趨于零，這一現象稱為反向擊穿。二極管的反向擊穿分2種：一種是雪崩擊穿，另一種是齊納擊穿。雪崩擊穿是損壞性的擊穿是不可逆的，而齊納擊穿是可逆性的，一旦電壓撤掉二極管會恢復原狀。穩壓二極管就是利用齊納擊穿特性制造的一種二極管，利用其反向特性當施加的反向電壓低于某一數值時，二極管呈現出幾乎無限大的電阻，即開路狀態，當施加的電壓達到擊穿電壓時，二極管流過較大的電流呈現出極小的電阻。穩壓二極管的符號如圖1所示。

綜合二極管的上述導通、截止、反向擊穿3個狀態，其伏安特性曲線如圖2所示。從圖中即可看出二極管是一非線性器件，即在工作區阻值是變化的。

在二極管PN結耗盡層的兩側是N型、P型2種半導體，耗盡層是一個高阻層，這種結構正好符合電容的定義：兩個彼此靠近而又相互絕緣的導體的組合，故二極管的兩極之間存在一定的容性，這種容性表現在2個層面：一個是加正向電壓時呈現的擴散電容，另一個是加反向電壓時呈現出的勢壘電容，平時利用電容的容性就是利用的加反向電壓時呈現的勢壘電容，例如制造的變容二極管就是這種器件，電路符號如圖3所示。加上的反向電壓愈高耗盡層厚度愈大，而PN結的正對面積不變，根據平行板電容器容量的計算公式C=εsd，其中ε為媒質的介電常數，s是極板正對面積，d是兩極板之間的距離。顯然變容二極管呈現的容量會隨外加電壓的升高而變小，當然普通二極管亦具有這種特性只不過沒有變容二極管表現的明顯。其容量隨電壓變化的關系曲線如圖4所示。

圖1 二極管的符號

圖2 二極管的伏安特性

圖3 變容二極管

2 在手機中的應用

2.1 變阻特性在手機中的應用

穩壓二極管的變阻特性主要用在保護電路中。隨著手機體積的小型化，內部電路的集成化程度愈來愈高，故電路板上出現了大規模和超大規模集成電路，這些電路與外部接口部件。例如聽筒、話筒、耳機、電源等直接相連，而這些部分極易產生峰值較高的脈沖電壓和靜電感應電壓，這些電壓若損壞上述部件問題并不嚴重，但若通過這些部分將高電壓脈沖傳至集成電路，導致集成電路擊穿損壞，從而使手機癱瘓是應重點考慮的問題。為此在這些部位往往利用穩壓二極管的變阻特性限制該脈沖電壓的出現，從而起到保護集成電路和手機的作用。

圖4 容量隨電壓變化的關系曲線圖

例：如圖5所示，是諾基亞6150中的卡電路與電源模塊集成電路的連接電路，SIM卡與卡座相連，卡座與電源塊相連，由于卡座有時會處于懸空狀態，SIM卡有時會帶有靜電干擾，V401內有4只穩壓二極管，正常狀態下由于SIM卡與N100相連的接線端電壓較低，故V401中的二極管均處于截止狀態，對手機的工作不產生任何影響，當由于靜電干擾等原因使36，43，42，38各引腳出現尖脈沖并且脈沖電壓超過一定的數值時極易損壞N100，但加上V401后當脈沖達到V401的擊穿電壓時，就會使V401擊穿呈現出較小的電阻，從而將脈沖消除，起到了保護N100作用。

圖5 6150下電路與電源模塊集成電路的連接電路

再如圖6所示，是諾基亞6150手機的充電電路，VIN是充電直流輸入端電壓4.8 V左右。通過保險絲，雙向穩壓二極管V100，電感L104進入充電集成電路N101的第①端，F101用于過流保護，V100利用其變阻特性實現過壓保護。當輸入端由于電壓波動或極性接錯時，為防止損壞N101，V100會導通從而起到對N101的保護作用，不致于使過高或過低的脈沖電壓進入N101；當電壓過高并超過一定數值時，V100擊穿阻值瞬間變小，將電壓限定在某一數值；當輸入電壓極性接并超過某一數值時，V100反向擊穿導通，將加到N101第①端的負電壓也限定在某一數值上，從而使N101第①腳的電壓值不會過高或過低。

有時亦利用二極管正向導通時的變阻特性來達到保護電路的目的。二極管加上低于門限電壓的正向電壓時，其正向電阻很大，當達到門限電壓時二極管開始導通，流過較大的電流呈現出較小的電阻，且一旦二極管導通后，流過的電流可以有較大的變化；但兩端的電壓幾乎恒定不變，即其正向電阻隨導通電流的變大而變小，并且有較大的變化范圍；這樣二極管正向導通時表現出的特性很象穩壓數值等于門限電壓的穩壓二極管。

圖6 諾基亞6150手機的充電電路

例如圖7所示，是愛立信GF768/GF788手機話筒信號輸入電路。N800為多模轉換器集成電路，為防止由于靜電干擾等原因注入到N8001515的脈沖電壓過高，在話筒輸入與3.2 V電源VDIG之間加有雙二極管V811，當輸入信號的電平低于-0.7 V時(門限電壓)二極管1導通，當高于+3.2+0.7 V=3.9 V時，二極管2導通，這樣通過V811將輸入信號的電壓限定在+3.9～-0.7 V之間。

圖7 愛立信GF768/GF788手機話筒信號輸入電路

2.2 變容特性在手機中的應用

手機既是一個接收機又是一個發射機，接收信號的頻率與發射信號的頻率受控于移動中心和基站。若頻率偏離指定信道的中心頻率過大，就會引起手機不入網，而頻率的正確與否取決于手機內基準(主時鐘)頻率13 MHz正確與否，而13 MHz主時鐘的振蕩，除受13 MHz的晶振控制外，還受控于變容二極管，即13 MHz的頻率受變容二極管的調整。例如圖8所示，是愛立信GF768/GF788主時鐘13 MHz的振蕩電路。

圖8 愛立信主時鐘13 MHz的振蕩電路

B500是13 MHz的晶振，他配合中頻模塊N500內的振蕩電路構成13 MHz的振蕩，振蕩頻率的準確與否，受VCXOCONT電壓的控制。該電壓加至變容二極管V210上，電壓的變化引起V210容量的變化，他與B500并在一起，使整個電路總的容量發生變化，從而使振蕩頻率發生改變。

例：如圖9所示，是諾基亞6150手機中13 MHz主時鐘振蕩電路，該電路是由振蕩組件G650組成；VCC是供電端，AFC是自動頻率控制端，GND為地線，OUT是輸出端，振蕩頻率的穩定與準確受控于來自CPU的AFC電壓，該電壓加至組件內的變容二極管上。該電壓的變化會

引起變容二極管容量的變化，從而引起電路振蕩頻率的變化，確保輸出信號頻率的穩定與正確。

圖9 諾基亞6150手機中13 MHz主時鐘振蕩器

如圖10所示，是摩托羅拉V8088(V998⁺⁺)手機中二本振電路。振蕩頻率除取決于C967，C968，C994，L901外，還受CR259呈現的容量的影響；CR259上施加的電壓來自鑒相器輸出電壓，鑒相器將該電路振蕩的信號與標準信號進行頻率比較，將差值轉換為直流電壓加到CR259上，使CR259呈現的容量發生改變，從而使振蕩回路總的容量發生改變，進而振蕩電路的振蕩頻率發生變化，直到其輸出頻率達到標準數值，鑒相器電壓維持恒定，CR259容量恒定。

3 結 語

綜上所述，二極管PN結所呈現的變阻特性與變容特性在手機中應用相當廣泛，而且其阻值和容量是受PN結上施加電壓的控制和影響。因此便于實現自動調節，克服了早期電路中使用手動電阻器、手動可變電容器帶來的諸多缺點。因而在現代電子電路中特別是新型手機電路中，二極管的變阻性與變容性會得到進一步的開發和利用，使電路進一步優化。

圖10 摩托羅拉V8088中的二本振電路

參考文獻

[1]彭宏業，段哲民.小型舞蹈機器人的驅動系統設計\\[J\\].國外電子元器件，2005(4)：7-8.

[2]尹繼武，孫彥清，梁鋒，等.二極管電路的頻域分析\\[J\\].現代電子技術，2007，30(16)：160-162.

作者簡介

魏秉國 男，1963年出生，濮陽職業技術學院物理與機電工程系副教授，1985年畢業于河南大學物理系，獲理學學士學位，后在北京師范大學無線電系碩士研究生課程班學習。主要從事物理學、電子學的教學與科研工作。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。