Cum funcționează diodele Varactor (Varicap)

O diodă varactor, numită și varicap, VVC (capacitate variabilă de tensiune sau diodă de reglare), este un tip de diodă semiconductoare care prezintă o capacitate variabilă dependentă de tensiune pe joncțiunea sa p-n atunci când dispozitivul este inversat.

Inversarea inversă înseamnă practic când dioda este supusă unei tensiuni opuse, adică o tensiune pozitivă la catod și negativă la anod.

Modul în care funcționează o diodă varactor depinde de capacitatea existentă peste joncțiunea p-n a diodei în timp ce se află într-un mod polarizat inversat.

În această condiție, găsim o regiune de încărcături neacoperite care se stabilește pe laturile p-n ale joncțiunii, care împreună duc la o regiune de epuizare de-a lungul joncțiunii.

Această regiune de epuizare stabilește lățimea de epuizare în dispozitiv, simbolizat ca Wd.

Tranziția în capacitate datorită încărcărilor izolate neacoperite explicate mai sus, de-a lungul joncțiunii p-n poate fi determinată folosind formula:

CT = e. A / Wd

Unde e este permitivitatea materialelor semiconductoare, LA este p-n zona de joncțiune și W d este lățimea de epuizare.

Cum functioneaza

Funcționarea de bază a unei diode varicap sau a unei diode varactor poate fi înțeleasă cu următoarea explicație:

Când se aplică o varactor sau o diodă varicap cu un potențial de polarizare inversă în creștere, rezultă o creștere a lățimii de epuizare a dispozitivului, care la rândul său determină scăderea capacității sale de tranziție.

Următoarea imagine arată răspunsul caracteristicilor tipice ale unei diode varactor.

Putem observa scăderea inițială bruscă a CT ca răspuns la creșterea potențialului de polarizare inversă. În mod normal, domeniul tensiunii de polarizare inversă aplicate VR pentru o diodă de capacitate de tensiune variabilă este limitat la 20 V.

În ceea ce privește tensiunea de polarizare inversă aplicată, capacitatea de tranziție poate fi aproximată folosind formula:

CT = K / (VT + VR) ⁿ

În această formulă, K este o constantă determinată de tipul de material semiconductor folosit și de structura sa.

VT este potențialul genunchiului , așa cum este descris mai jos:

VR este cantitatea de potențial de polarizare inversă aplicată pe dispozitiv.

n poate avea valoarea 1/2 pentru diode varicap folosind joncțiune din aliaj și 1/3 pentru diode folosind joncțiuni difuze.

În absența unei tensiuni de polarizare sau la o tensiune de polarizare zero, capacitatea C (0) ca funcție a VR poate fi exprimată prin următoarea formulă.

CT (VR) = C (0) / (1 + | VR / VT |) ⁿ

Circuit echivalent Varicap

Simbolurile standard (b) și un circuit aproximativ echivalent (a) al unei diode varicap sunt reprezentate în următoarea imagine:

Figura din dreapta oferă un circuit de simulare aproximativ pentru o diodă varicap.

Fiind o diodă și în regiunea polarizată invers, rezistența în circuitul echivalent RR este semnificativ mare (în jur de 1M ohmi), în timp ce valoarea rezistenței geometrice Rs este destul de mică. Valoarea CT poate varia între 2 și 100 pF în funcție de tipul de varicap utilizat.

Pentru a vă asigura că valoarea RR este suficient de mare, astfel încât curentul de scurgere să poată fi minim, un material siliciu este selectat în mod normal pentru o diodă varicap.

Deoarece o diodă varicap se presupune că este utilizată în mod specific în aplicații cu frecvență extrem de ridicată, inductanța LS nu poate fi ignorată, chiar dacă poate părea mică, în nanohenries.

Efectul acestei inductanțe mici poate fi destul de semnificativ și poate fi dovedit prin următoarele calculul reactanței .

XL = 2πfL, Să ne imaginăm, frecvența să fie la 10 GHz și LS = 1 nH, va genera într-un XLS = 2πfL = (6.28) (10¹⁰Hz) (10^-9F) = 62,8 Ohmi. Acest lucru pare prea mare și, fără îndoială, acesta este motivul pentru care diodele varicap sunt specificate cu o limită strictă de frecvență.

Dacă presupunem că intervalul de frecvență este adecvat, iar valorile RS, XLS sunt scăzute în comparație cu celelalte elemente din serie, circuitul echivalent indicat mai sus ar putea fi pur și simplu înlocuit cu un condensator variabil.

Înțelegerea fișei tehnice a unei diode Varicap sau Varactor

Fișa de date completă a unei diode tipice varicap poate fi studiată din următoarea figură:

Raportul C3 / C25 din figura de mai sus demonstrează raportul nivelului de capacitate atunci când dioda este aplicată cu un potențial de polarizare inversă între 3 și 25 V. Raportul ne ajută să obținem o referință rapidă cu privire la nivelul de schimbare în capacitate în raport cu potențialul de polarizare inversă aplicat.

figura Meritului Q oferă domeniul de considerație pentru implementarea dispozitivului pentru o aplicație și este, de asemenea, o rată a raportului de energie stocată de dispozitivul capacitiv pe ciclu la energia pierdută sau disipată pe ciclu.

Deoarece pierderea de energie este considerată în cea mai mare parte ca un atribut negativ, cu atât este mai mare valoarea relativă a raportului, cu atât mai bine.

Un alt aspect din foaia tehnică este frecvența rezonantă a unei diode varicap. Și acest lucru este determinat de formula:

fo = 1 / 2π√LC

Acest factor decide gama de aplicare a diodei varicap.

Coeficientul de temperatură al capacității

Referindu-ne la graficul de mai sus, coeficientul de temperatură a capacității unei diode varicap pot fi evaluate folosind următoarea formulă:

unde ΔC semnifică variațiile capacității dispozitivului datorate schimbării temperaturii reprezentate de (T1 - T0), pentru un potențial de polarizare inversă specific.

În foaia de date de mai sus, de exemplu, arată C0 = 29 pF cu VR = 3 V și T0 = 25 grade Celsius.

Folosind datele de mai sus, putem evalua modificarea capacității diodei varicap, pur și simplu prin înlocuirea noii valori a temperaturii T1 și a TCC din grafic (0,013). Având noul VR, se poate aștepta ca valoarea TCC să varieze în consecință. Revenind la fișa tehnică, constatăm că frecvența maximă atinsă va fi de 600 MHz.

Folosind această valoare a frecvenței, reactanța XL a varicapului poate fi calculată ca:

XL = 2πfL = (6,28) (600 x 10¹⁰Hz) (2,5 x 10^-9F) = 9,42 Ohmi

Rezultatul este o magnitudine relativ mică și este acceptabil să o ignori.

Aplicarea diodei Varicap

Puține dintre zonele de aplicare de înaltă frecvență ale unei diode varactor sau varicap determinate de specificațiile de capacitate scăzută sunt filtrele de bandă reglabile, dispozitivele de control al frecvenței automate, amplificatoarele parametrice și modulatorii FM.

Exemplul de mai jos prezintă dioda varicap implementată într-un circuit de reglare.

Circuitul constă dintr-o combinație de circuite de rezervor L-C, a căror frecvență de rezonanță este determinată de:

fp = 1 / 2π√LC'T (un sistem cu Q ridicat) având un nivel C'T = CT + Cc, stabilit prin VDD potențial de polarizare inversă aplicat.

Condensatorul de cuplare CC asigură protecția necesară împotriva tendinței de scurtcircuitare a L2 a tensiunii de polarizare aplicate.

Frecvențele preconizate ale circuitului reglat sunt permise ulterior să se deplaseze către amplificatorul de impedanță de intrare mare pentru o amplificare suplimentară.