二极管的变阻与变容特性在手机中的应用

摘 要：二极管的基本特性是单向导电，在导通与截止的过程中其表现的阻值随外加电压的变化而变化；同时二极管也呈现出一定的电容特性，其表现的容量大小亦是随外加电压的变化而变化。因而他是一种非线性器件，这种特性在现代通信工具[CD2]手机的保护、接收、发射等电路中得到充分的利用。

关键词：二极管；变阻特性；变容特性；非线性器件

中图分类号：TN710 文献标识码：B

文章编号：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 二极管的变阻与变容特性

二极管内部的核心是由2块P型、N型的半导体结合在一起形成的PN结。PN结的基本特性是单向导电，同时又具有电容特性，单向导电性表现为当加有正向电压时PN结的耗尽层厚度变小，呈现的电阻阻值极小，当加有反向电压时PN结的厚度变大呈现出较大的阻值，特别是硅材料的二极管，几乎是无限大，但当加的反向电压超过某一数值时其阻值瞬间变小几乎趋于零，这一现象称为反向击穿。二极管的反向击穿分2种：一种是雪崩击穿，另一种是齐纳击穿。雪崩击穿是损坏性的击穿是不可逆的，而齐纳击穿是可逆性的，一旦电压撤掉二极管会恢复原状。稳压二极管就是利用齐纳击穿特性制造的一种二极管，利用其反向特性当施加的反向电压低于某一数值时，二极管呈现出几乎无限大的电阻，即开路状态，当施加的电压达到击穿电压时，二极管流过较大的电流呈现出极小的电阻。稳压二极管的符号如图1所示。

综合二极管的上述导通、截止、反向击穿3个状态，其伏安特性曲线如图2所示。从图中即可看出二极管是一非线性器件，即在工作区阻值是变化的。

在二极管PN结耗尽层的两侧是N型、P型2种半导体，耗尽层是一个高阻层，这种结构正好符合电容的定义：两个彼此靠近而又相互绝缘的导体的组合，故二极管的两极之间存在一定的容性，这种容性表现在2个层面：一个是加正向电压时呈现的扩散电容，另一个是加反向电压时呈现出的势垒电容，平时利用电容的容性就是利用的加反向电压时呈现的势垒电容，例如制造的变容二极管就是这种器件，电路符号如图3所示。加上的反向电压愈高耗尽层厚度愈大，而PN结的正对面积不变，根据平行板电容器容量的计算公式C=εsd，其中ε为媒质的介电常数，s是极板正对面积，d是两极板之间的距离。显然变容二极管呈现的容量会随外加电压的升高而变小，当然普通二极管亦具有这种特性只不过没有变容二极管表现的明显。其容量随电压变化的关系曲线如图4所示。

图1 二极管的符号

图2 二极管的伏安特性

图3 变容二极管

2 在手机中的应用

2.1 变阻特性在手机中的应用

稳压二极管的变阻特性主要用在保护电路中。随着手机体积的小型化，内部电路的集成化程度愈来愈高，故电路板上出现了大规模和超大规模集成电路，这些电路与外部接口部件。例如听筒、话筒、耳机、电源等直接相连，而这些部分极易产生峰值较高的脉冲电压和静电感应电压，这些电压若损坏上述部件问题并不严重，但若通过这些部分将高电压脉冲传至集成电路，导致集成电路击穿损坏，从而使手机瘫痪是应重点考虑的问题。为此在这些部位往往利用稳压二极管的变阻特性限制该脉冲电压的出现，从而起到保护集成电路和手机的作用。

图4 容量随电压变化的关系曲线图

例：如图5所示，是诺基亚6150中的卡电路与电源模块集成电路的连接电路，SIM卡与卡座相连，卡座与电源块相连，由于卡座有时会处于悬空状态，SIM卡有时会带有静电干扰，V401内有4只稳压二极管，正常状态下由于SIM卡与N100相连的接线端电压较低，故V401中的二极管均处于截止状态，对手机的工作不产生任何影响，当由于静电干扰等原因使36，43，42，38各引脚出现尖脉冲并且脉冲电压超过一定的数值时极易损坏N100，但加上V401后当脉冲达到V401的击穿电压时，就会使V401击穿呈现出较小的电阻，从而将脉冲消除，起到了保护N100作用。

图5 6150下电路与电源模块集成电路的连接电路

再如图6所示，是诺基亚6150手机的充电电路，VIN是充电直流输入端电压4.8 V左右。通过保险丝，双向稳压二极管V100，电感L104进入充电集成电路N101的第①端，F101用于过流保护，V100利用其变阻特性实现过压保护。当输入端由于电压波动或极性接错时，为防止损坏N101，V100会导通从而起到对N101的保护作用，不致于使过高或过低的脉冲电压进入N101；当电压过高并超过一定数值时，V100击穿阻值瞬间变小，将电压限定在某一数值；当输入电压极性接并超过某一数值时，V100反向击穿导通，将加到N101第①端的负电压也限定在某一数值上，从而使N101第①脚的电压值不会过高或过低。

有时亦利用二极管正向导通时的变阻特性来达到保护电路的目的。二极管加上低于门限电压的正向电压时，其正向电阻很大，当达到门限电压时二极管开始导通，流过较大的电流呈现出较小的电阻，且一旦二极管导通后，流过的电流可以有较大的变化；但两端的电压几乎恒定不变，即其正向电阻随导通电流的变大而变小，并且有较大的变化范围；这样二极管正向导通时表现出的特性很象稳压数值等于门限电压的稳压二极管。

图6 诺基亚6150手机的充电电路

例如图7所示，是爱立信GF768/GF788手机话筒信号输入电路。N800为多模转换器集成电路，为防止由于静电干扰等原因注入到N8001515的脉冲电压过高，在话筒输入与3.2 V电源VDIG之间加有双二极管V811，当输入信号的电平低于-0.7 V时(门限电压)二极管1导通，当高于+3.2+0.7 V=3.9 V时，二极管2导通，这样通过V811将输入信号的电压限定在+3.9～-0.7 V之间。

图7 爱立信GF768/GF788手机话筒信号输入电路

2.2 变容特性在手机中的应用

手机既是一个接收机又是一个发射机，接收信号的频率与发射信号的频率受控于移动中心和基站。若频率偏离指定信道的中心频率过大，就会引起手机不入网，而频率的正确与否取决于手机内基准(主时钟)频率13 MHz正确与否，而13 MHz主时钟的振荡，除受13 MHz的晶振控制外，还受控于变容二极管，即13 MHz的频率受变容二极管的调整。例如图8所示，是爱立信GF768/GF788主时钟13 MHz的振荡电路。

图8 爱立信主时钟13 MHz的振荡电路

B500是13 MHz的晶振，他配合中频模块N500内的振荡电路构成13 MHz的振荡，振荡频率的准确与否，受VCXOCONT电压的控制。该电压加至变容二极管V210上，电压的变化引起V210容量的变化，他与B500并在一起，使整个电路总的容量发生变化，从而使振荡频率发生改变。

例：如图9所示，是诺基亚6150手机中13 MHz主时钟振荡电路，该电路是由振荡组件G650组成；VCC是供电端，AFC是自动频率控制端，GND为地线，OUT是输出端，振荡频率的稳定与准确受控于来自CPU的AFC电压，该电压加至组件内的变容二极管上。该电压的变化会

引起变容二极管容量的变化，从而引起电路振荡频率的变化，确保输出信号频率的稳定与正确。

图9 诺基亚6150手机中13 MHz主时钟振荡器

如图10所示，是摩托罗拉V8088(V998++)手机中二本振电路。振荡频率除取决于C967，C968，C994，L901外，还受CR259呈现的容量的影响；CR259上施加的电压来自鉴相器输出电压，鉴相器将该电路振荡的信号与标准信号进行频率比较，将差值转换为直流电压加到CR259上，使CR259呈现的容量发生改变，从而使振荡回路总的容量发生改变，进而振荡电路的振荡频率发生变化，直到其输出频率达到标准数值，鉴相器电压维持恒定，CR259容量恒定。

3 结 语

综上所述，二极管PN结所呈现的变阻特性与变容特性在手机中应用相当广泛，而且其阻值和容量是受PN结上施加电压的控制和影响。因此便于实现自动调节，克服了早期电路中使用手动电阻器、手动可变电容器带来的诸多缺点。因而在现代电子电路别是新型手机电路中，二极管的变阻性与变容性会得到进一步的开发和利用，使电路进一步优化。

图10 摩托罗拉V8088中的二本振电路

参考文献

[1]彭宏业，段哲民.小型舞蹈机器人的驱动系统设计\[J\].国外电子元器件，2005(4)：7-8.

[2]尹继武，孙彦清，梁锋，等.二极管电路的频域分析\[J\].现代电子技术，2007，30(16)：160-162.

作者简介

魏秉国 男，1963年出生，濮阳职业技术学院物理与机电工程系副教授，1985年毕业于河南大学物理系，获理学学士学位，后在北京师范大学无线电系硕士研究生课程班学习。主要从事物理学、电子学的教学与科研工作。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。