二極管的變阻與變?nèi)萏匦栽谑謾C(jī)中的應(yīng)用

摘 要：二極管的基本特性是單向?qū)щ姡趯?dǎo)通與截止的過程中其表現(xiàn)的阻值隨外加電壓的變化而變化；同時二極管也呈現(xiàn)出一定的電容特性，其表現(xiàn)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(xiàn)代通信工具[CD2]手機(jī)的保護(hù)、接收、發(fā)射等電路中得到充分的利用。

關(guān)鍵詞：二極管；變阻特性；變?nèi)萏匦?；非線性器件

中圖分類號：TN710 文獻(xiàn)標(biāo)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?nèi)萏匦?/p>

二極管內(nèi)部的核心是由2塊P型、N型的半導(dǎo)體結(jié)合在一起形成的PN結(jié)。PN結(jié)的基本特性是單向?qū)щ姡瑫r又具有電容特性，單向?qū)щ娦员憩F(xiàn)為當(dāng)加有正向電壓時PN結(jié)的耗盡層厚度變小，呈現(xiàn)的電阻阻值極小，當(dāng)加有反向電壓時PN結(jié)的厚度變大呈現(xiàn)出較大的阻值，特別是硅材料的二極管，幾乎是無限大，但當(dāng)加的反向電壓超過某一數(shù)值時其阻值瞬間變小幾乎趨于零，這一現(xiàn)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(fù)原狀。穩(wěn)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(dāng)施加的反向電壓低于某一數(shù)值時，二極管呈現(xiàn)出幾乎無限大的電阻，即開路狀態(tài)，當(dāng)施加的電壓達(dá)到擊穿電壓時，二極管流過較大的電流呈現(xiàn)出極小的電阻。穩(wěn)壓二極管的符號如圖1所示。

綜合二極管的上述導(dǎo)通、截止、反向擊穿3個狀態(tài)，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(qū)阻值是變化的。

在二極管PN結(jié)耗盡層的兩側(cè)是N型、P型2種半導(dǎo)體，耗盡層是一個高阻層，這種結(jié)構(gòu)正好符合電容的定義：兩個彼此靠近而又相互絕緣的導(dǎo)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(xiàn)在2個層面：一個是加正向電壓時呈現(xiàn)的擴(kuò)散電容，另一個是加反向電壓時呈現(xiàn)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(xiàn)的勢壘電容，例如制造的變?nèi)荻O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(jié)的正對面積不變，根據(jù)平行板電容器容量的計算公式C=εsd，其中ε為媒質(zhì)的介電常數(shù)，s是極板正對面積，d是兩極板之間的距離。顯然變?nèi)荻O管呈現(xiàn)的容量會隨外加電壓的升高而變小，當(dāng)然普通二極管亦具有這種特性只不過沒有變?nèi)荻O管表現(xiàn)的明顯。其容量隨電壓變化的關(guān)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?nèi)荻O管

2 在手機(jī)中的應(yīng)用

2.1 變阻特性在手機(jī)中的應(yīng)用

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

圖4 容量隨電壓變化的關(guān)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(tài)，SIM卡有時會帶有靜電干擾，V401內(nèi)有4只穩(wěn)壓二極管，正常狀態(tài)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?fàn)顟B(tài)，對手機(jī)的工作不產(chǎn)生任何影響，當(dāng)由于靜電干擾等原因使36，43，42，38各引腳出現(xiàn)尖脈沖并且脈沖電壓超過一定的數(shù)值時極易損壞N100，但加上V401后當(dāng)脈沖達(dá)到V401的擊穿電壓時，就會使V401擊穿呈現(xiàn)出較小的電阻，從而將脈沖消除，起到了保護(hù)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(jī)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(wěn)壓二極管V100，電感L104進(jìn)入充電集成電路N101的第①端，F(xiàn)101用于過流保護(hù)，V100利用其變阻特性實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)。當(dāng)輸入端由于電壓波動或極性接錯時，為防止損壞N101，V100會導(dǎo)通從而起到對N101的保護(hù)作用，不致于使過高或過低的脈沖電壓進(jìn)入N101；當(dāng)電壓過高并超過一定數(shù)值時，V100擊穿阻值瞬間變小，將電壓限定在某一數(shù)值；當(dāng)輸入電壓極性接并超過某一數(shù)值時，V100反向擊穿導(dǎo)通，將加到N101第①端的負(fù)電壓也限定在某一數(shù)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?qū)〞r的變阻特性來達(dá)到保護(hù)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(dāng)達(dá)到門限電壓時二極管開始導(dǎo)通，流過較大的電流呈現(xiàn)出較小的電阻，且一旦二極管導(dǎo)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(dǎo)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?qū)〞r表現(xiàn)出的特性很象穩(wěn)壓數(shù)值等于門限電壓的穩(wěn)壓二極管。

圖6 諾基亞6150手機(jī)的充電電路

例如圖7所示，是愛立信GF768/GF788手機(jī)話筒信號輸入電路。N800為多模轉(zhuǎn)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(dāng)輸入信號的電平低于-0.7 V時(門限電壓)二極管1導(dǎo)通，當(dāng)高于+3.2+0.7 V=3.9 V時，二極管2導(dǎo)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(jī)話筒信號輸入電路

2.2 變?nèi)萏匦栽谑謾C(jī)中的應(yīng)用

手機(jī)既是一個接收機(jī)又是一個發(fā)射機(jī)，接收信號的頻率與發(fā)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(jī)不入網(wǎng)，而頻率的正確與否取決于手機(jī)內(nèi)基準(zhǔn)(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?nèi)荻O管，即13 MHz的頻率受變?nèi)荻O管的調(diào)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(nèi)的振蕩電路構(gòu)成13 MHz的振蕩，振蕩頻率的準(zhǔn)確與否，受VCXOCONT電壓的控制。該電壓加至變?nèi)荻O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(fā)生變化，從而使振蕩頻率發(fā)生改變。

例：如圖9所示，是諾基亞6150手機(jī)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(wěn)定與準(zhǔn)確受控于來自CPU的AFC電壓，該電壓加至組件內(nèi)的變?nèi)荻O管上。該電壓的變化會

引起變?nèi)荻O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(wěn)定與正確。

圖9 諾基亞6150手機(jī)中13 MHz主時鐘振蕩器

如圖10所示，是摩托羅拉V8088(V998⁺⁺)手機(jī)中二本振電路。振蕩頻率除取決于C967，C968，C994，L901外，還受CR259呈現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行頻率比較，將差值轉(zhuǎn)換為直流電壓加到CR259上，使CR259呈現(xiàn)的容量發(fā)生改變，從而使振蕩回路總的容量發(fā)生改變，進(jìn)而振蕩電路的振蕩頻率發(fā)生變化，直到其輸出頻率達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，鑒相器電壓維持恒定，CR259容量恒定。

3 結(jié) 語

綜上所述，二極管PN結(jié)所呈現(xiàn)的變阻特性與變?nèi)萏匦栽谑謾C(jī)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛，而且其阻值和容量是受PN結(jié)上施加電壓的控制和影響。因此便于實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，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(diǎn)。因而在現(xiàn)代電子電路中特別是新型手機(jī)電路中，二極管的變阻性與變?nèi)菪詴玫竭M(jìn)一步的開發(fā)和利用，使電路進(jìn)一步優(yōu)化。

圖10 摩托羅拉V8088中的二本振電路

參考文獻(xiàn)

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作者簡介

魏秉國 男，1963年出生，濮陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院物理與機(jī)電工程系副教授，1985年畢業(yè)于河南大學(xué)物理系，獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位，后在北京師范大學(xué)無線電系碩士研究生課程班學(xué)習(xí)。主要從事物理學(xué)、電子學(xué)的教學(xué)與科研工作。

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