Πώς λειτουργούν οι δίοδοι Varactor (Varicap)

Μια δίοδος βαρακτόρ, που ονομάζεται επίσης varicap, VVC (μεταβλητή χωρητικότητα τάσης ή δίοδος συντονισμού, είναι ένας τύπος δίοδος ημιαγωγού που διαθέτει μεταβλητή εξαρτώμενη από την τάση χωρητικότητα στη διασταύρωση p-n όταν η συσκευή αντιστρέφεται μεροληπτική.

Η αντίστροφη προκατάληψη σημαίνει βασικά όταν η δίοδος υποβάλλεται σε αντίθετη τάση, που σημαίνει θετική τάση στην κάθοδο και αρνητική στην άνοδο.

Ο τρόπος λειτουργίας μιας δίοδος βαρακτόρ εξαρτάται από την υπάρχουσα χωρητικότητα πάνω από τη σύνδεση p-n της διόδου ενώ βρίσκεται σε κατάσταση αντίστροφης μεροληψίας.

Σε αυτήν την κατάσταση βρίσκουμε μια περιοχή ακάλυπτων χρεώσεων που δημιουργείται στις πλευρές p-n της διασταύρωσης, οι οποίες μαζί οδηγούν σε μια περιοχή εξάντλησης κατά μήκος της διασταύρωσης.

Αυτή η περιοχή εξάντλησης δημιουργεί το πλάτος εξάντλησης στη συσκευή, που συμβολίζεται ως Wd.

Η μετάβαση στην χωρητικότητα λόγω των παραπάνω εξηγούμενων μεμονωμένων ακάλυπτων φορτίων, σε όλη τη διασταύρωση p-n μπορεί να προσδιοριστεί χρησιμοποιώντας τον τύπο:

CT = ε. A/Wd

που ε είναι η διαπερατότητα των ημιαγωγών υλικών, ΠΡΟΣ ΤΗΝ είναι το σ-ν περιοχή διασταύρωσης και W ρε είναι το πλάτος εξάντλησης.

Πως δουλεύει

Η βασική λειτουργία μιας κιρσικής ή μιας δίοδος βαρακτόρ μπορεί να γίνει κατανοητή με την ακόλουθη εξήγηση:

Όταν εφαρμόζεται μια δίοδος βαρακτόρ ή κιρσικά με αυξανόμενο δυναμικό αντίστροφης μεροληψίας, οδηγεί σε αύξηση του πλάτους εξάντλησης της συσκευής, η οποία με τη σειρά της προκαλεί μείωση της χωρητικότητας μετάβασης.

Η παρακάτω εικόνα δείχνει την τυπική απόκριση χαρακτηριστικών μιας δίοδος βαρακτόρου.

Μπορούμε να δούμε την απότομη αρχική πτώση του CT ως απόκριση στην αύξηση του δυναμικού αντίστροφης μεροληψίας. Κανονικά, το εύρος για την εφαρμοζόμενη τάση αντίστροφης πόλωσης VR για μια δίοδο μεταβλητής χωρητικότητας τάσης περιορίζεται στα 20 V.

Όσον αφορά την εφαρμοζόμενη αντίστροφη τάση πόλωσης, η χωρητικότητα μετάβασης μπορεί να προσεγγιστεί χρησιμοποιώντας τον τύπο:

CT = K / (VT + VR) ^ν

Σε αυτόν τον τύπο, το Κ είναι μια σταθερά όπως καθορίζεται από τον τύπο του υλικού ημιαγωγών που χρησιμοποιείται και την κατασκευαστική του διάταξη.

Το VT είναι το δυναμικό γόνατος , όπως περιγράφεται παρακάτω:

VR είναι το ποσό του δυναμικού αντίστροφης μεροληψίας που εφαρμόζεται στη συσκευή.

ν μπορεί να έχει την τιμή 1/2 για διόδους varicap χρησιμοποιώντας διασταύρωση κράματος και 1/3 για διόδους χρησιμοποιώντας διασκορπισμένους κόμβους.

Ελλείψει τάσης πόλωσης ή πόλωσης μηδενικής τάσης, η χωρητικότητα C (0) ως συνάρτηση του VR μπορεί να εκφραστεί μέσω του ακόλουθου τύπου.

CT (VR) = C (0) / (1 + | VR / VT |) ^ν

Ισοδύναμο κύκλωμα Varicap

Τα τυπικά σύμβολα (b) και ένα ισοδύναμο κατά προσέγγιση κύκλωμα (a) μιας δίοδος varicap παρουσιάζονται στην ακόλουθη εικόνα:

Η εικόνα της δεξιάς πλευράς παρέχει ένα κατά προσέγγιση κύκλωμα προσομοίωσης για μια δίοδο varicap.

Όντας μια δίοδος και στην αντίστροφη προκατειλημμένη περιοχή, η αντίσταση στο ισοδύναμο κύκλωμα RR εμφανίζεται σημαντικά μεγάλη (περίπου 1Μ Ohms), ενώ η τιμή γεωμετρικής αντίστασης Rs είναι αρκετά μικρή. Η τιμή του CT μπορεί να κυμαίνεται μεταξύ 2 και 100 pF ανάλογα με τον τύπο της κιρσικής που χρησιμοποιείται.

Για να βεβαιωθείτε ότι η τιμή RR είναι αρκετά μεγάλη, έτσι ώστε το ρεύμα διαρροής να μπορεί να είναι ελάχιστο, ένα υλικό πυριτίου επιλέγεται κανονικά για μια δίοδο κιρσικού.

Δεδομένου ότι μια δίοδος varicap υποτίθεται ότι χρησιμοποιείται ειδικά σε εφαρμογές εξαιρετικά υψηλής συχνότητας, η επαγωγή LS δεν μπορεί να αγνοηθεί, παρόλο που μπορεί να φαίνεται μικρή, στα νανοχενάρια.

Το αποτέλεσμα αυτής της μικρής αυτεπαγωγής μπορεί να είναι αρκετά σημαντικό και μπορεί να αποδειχθεί μέσω των παρακάτω υπολογισμός αντιδραστικότητας .

XL = 2πfL, Ας φανταστούμε, η συχνότητα να είναι στα 10 GHz και LS = 1 nH, θα δημιουργηθεί σε XLS = 2πfL = (6.28) (10¹⁰Hz) (10^-9F) = 62,8 Ohms. Αυτό φαίνεται πολύ μεγάλο, και χωρίς αμφιβολία αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι δίοδοι varicap καθορίζονται με αυστηρό όριο συχνότητας.

Εάν υποθέσουμε ότι το εύρος συχνοτήτων είναι κατάλληλο και οι τιμές των RS, XLS είναι χαμηλές σε σύγκριση με τα άλλα στοιχεία της σειράς, το παραπάνω αναφερόμενο ισοδύναμο κύκλωμα θα μπορούσε απλώς να αντικατασταθεί με έναν μεταβλητό πυκνωτή.

Κατανόηση του φύλλου δεδομένων ενός Varicap ή Varactor Diode

Το πλήρες δελτίο δεδομένων μιας τυπικής δίοδος varicap μπορεί να μελετηθεί από το ακόλουθο σχήμα:

Η αναλογία C3 / C25 στο παραπάνω σχήμα, δείχνει την αναλογία του επιπέδου χωρητικότητας όταν η δίοδος εφαρμόζεται με δυναμικό αντίστροφης πόλωσης μεταξύ 3 και 25 V. Η αναλογία μας βοηθά να πάρουμε μια γρήγορη αναφορά σχετικά με το επίπεδο αλλαγής στο χωρητικότητα σε σχέση με το εφαρμοζόμενο δυναμικό αντίστροφης μεροληψίας.

ο φιγούρα της αξίας Το Q παρέχει το εύρος της προσοχής για την εφαρμογή της συσκευής για μια εφαρμογή και είναι επίσης ένας ρυθμός της αναλογίας ενέργειας που αποθηκεύεται από τη χωρητική συσκευή ανά κύκλο προς την ενέργεια που χάνεται ή διαχέεται ανά κύκλο.

Δεδομένου ότι η απώλεια ενέργειας θεωρείται ως αρνητικό χαρακτηριστικό, όσο υψηλότερη είναι η σχετική τιμή του λόγου, τόσο το καλύτερο.

Μια άλλη πτυχή του φύλλου δεδομένων είναι η συχνότητα συντονισμού μιας δίοδος varicap. Και αυτό καθορίζεται από τον τύπο:

fo = 1 / 2π√LC

Αυτός ο παράγοντας αποφασίζει το εύρος εφαρμογής της δίοδος κιρσέτ.

Συντελεστής θερμοκρασίας χωρητικότητας

Αναφερόμενοι στο παραπάνω γράφημα, το συντελεστής θερμοκρασίας χωρητικότητας μιας δίοδος κιρσικού μπορεί να αξιολογηθεί χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο:

όπου ΔC υποδηλώνει τις διακυμάνσεις στην χωρητικότητα της συσκευής λόγω αλλαγής της θερμοκρασίας που αντιπροσωπεύεται από (T1 - T0), για ένα συγκεκριμένο δυναμικό αντίστροφης μεροληψίας.

Στο παραπάνω φύλλο δεδομένων για παράδειγμα, δείχνει C0 = 29 pF με VR = 3 V και T0 = 25 βαθμούς Κελσίου.

Χρησιμοποιώντας τα παραπάνω δεδομένα μπορούμε να αξιολογήσουμε την αλλαγή στην χωρητικότητα της δίοδος κιρσικής, απλώς αντικαθιστώντας την τιμή θερμοκρασίας T1 και το TCC από το γράφημα (0,013). Έχοντας το νέο VR, η τιμή TCC αναμένεται να διαφέρει ανάλογα. Αναφερόμενος στο φύλλο δεδομένων, διαπιστώνουμε ότι η μέγιστη συχνότητα που θα επιτευχθεί θα είναι 600 MHz.

Χρησιμοποιώντας αυτήν την τιμή συχνότητας, η αντίδραση XL του κιρσούς μπορεί να υπολογιστεί ως:

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

Το αποτέλεσμα είναι ένα μέγεθος που είναι σχετικά μικρό και είναι αποδεκτό να το αγνοούμε.

Εφαρμογή της δίοδος Varicap

Λίγες από τις περιοχές εφαρμογής υψηλής συχνότητας μιας δίοδος varactor ή varicap που καθορίζονται από προδιαγραφές χαμηλής χωρητικότητας είναι ρυθμιζόμενα φίλτρα διέλευσης ζώνης, συσκευές αυτόματου ελέγχου συχνότητας, παραμετρικοί ενισχυτές και διαμορφωτές FM.

Το παρακάτω παράδειγμα δείχνει τη δίοδο varicap που εφαρμόζεται σε κύκλωμα συντονισμού.

Το κύκλωμα αποτελείται από έναν συνδυασμό κυκλωμάτων δεξαμενής L-C, των οποίων η συχνότητα συντονισμού καθορίζεται από:

fp = 1 / 2π√LC'T (ένα σύστημα υψηλού Q) με επίπεδο C'T = CT + Cc, που καθορίζεται από το εφαρμοζόμενο VDD πιθανής αντίστροφης μεροληψίας.

Ο πυκνωτής ζεύξης CC εξασφαλίζει την απαιτούμενη προστασία από την τάση βραχυκύκλωσης του L2 της εφαρμοζόμενης τάσης πόλωσης.

Οι προβλεπόμενες συχνότητες του συντονισμένου κυκλώματος στη συνέχεια επιτρέπεται να μετακινηθούν στον ενισχυτή σύνθετης αντίστασης υψηλής εισόδου για την περαιτέρω ενίσχυση.