Un diodo varactor, chiamato anche varicap, VVC (capacità variabile in tensione o diodo di sintonizzazione, è un tipo di diodo semiconduttore che presenta una capacità variabile dipendente dalla tensione sulla sua giunzione p-n quando il dispositivo è polarizzato invertito.
Bias inverso significa fondamentalmente quando il diodo è soggetto a una tensione opposta, ovvero una tensione positiva al catodo e negativa all'anodo.
Il modo in cui un diodo varactor funziona dipende dalla capacità esistente sulla giunzione p-n del diodo mentre è in una modalità polarizzata inversa.
In questa condizione troviamo una regione di cariche scoperte che viene stabilita attraverso i lati p-n della giunzione, che insieme risultano in una regione di esaurimento attraverso la giunzione.
Questa regione di esaurimento stabilisce il larghezza di esaurimento nel dispositivo, simboleggiato come Wd.
La transizione nella capacità dovuta alle cariche scoperte isolate sopra spiegate, attraverso la giunzione p-n può essere determinata usando la formula:
CT = e. A / Wd
dove e è la permettività dei materiali semiconduttori, PER è il p-n area di giunzione e W d è la larghezza di esaurimento.
Come funziona
Il funzionamento di base di un diodo varicap o varactor può essere compreso con la seguente spiegazione:
Quando un varactor o diodo varicap viene applicato con un potenziale di polarizzazione inverso crescente, si ottiene un aumento della larghezza di esaurimento del dispositivo, che a sua volta fa diminuire la sua capacità di transizione.
L'immagine seguente mostra la risposta caratteristica tipica di un diodo varactor.
Possiamo vedere il forte calo iniziale della TC in risposta all'aumento del potenziale di polarizzazione inversa. Normalmente, l'intervallo per la tensione di polarizzazione inversa applicata VR per un diodo a capacità a tensione variabile è limitato a 20 V.
Per quanto riguarda la tensione di polarizzazione inversa applicata, la capacità di transizione può essere approssimata utilizzando la formula:
CT = K / (VT + VR) n
In questa formula, K è una costante determinata dal tipo di materiale semiconduttore utilizzato e dal suo layout costruttivo.
VT è il potenziale del ginocchio , come descritto sotto:
VR è la quantità di potenziale di polarizzazione inversa applicata sul dispositivo.
n può avere il valore 1/2 per diodi varicap che utilizzano giunzioni in lega, e 1/3 per diodi che utilizzano giunzioni diffuse.
In assenza di una tensione di polarizzazione o con una polarizzazione di tensione zero, la capacità C (0) come funzione di VR può essere espressa mediante la seguente formula.
CT (VR) = C (0) / (1 + | VR / VT |) n
Varicap Equivalent Circuit
I simboli standard (b) e un circuito approssimativo equivalente (a) di un diodo varicap sono rappresentati nell'immagine seguente:
La figura a destra fornisce un circuito di simulazione approssimativo per un diodo varicap.
Essendo un diodo e nella regione polarizzata inversa, la resistenza nel circuito equivalente RR è mostrata significativamente grande (circa 1 M Ohm), mentre il valore della resistenza geometrica Rs è piuttosto piccolo. Il valore di CT può variare tra 2 e 100 pF a seconda del tipo di varicap utilizzato.
Per assicurarsi che il valore RR sia sufficientemente grande, in modo che la corrente di dispersione possa essere minima, un materiale di silicio è normalmente selezionato per un diodo varicap.
Poiché si suppone che un diodo varicap venga utilizzato in modo specifico in applicazioni ad altissima frequenza, l'induttanza LS non può essere ignorata anche se può sembrare piccola, nei nanohenry.
L'effetto di questa piccola induttanza può essere piuttosto significativo e può essere dimostrato attraverso quanto segue calcolo della reattanza .
XL = 2πfL, immaginiamo che la frequenza sia a 10 GHz e LS = 1 nH, genererà un XLS = 2πfL = (6.28) (1010Hz) (10-9F) = 62,8 Ohm. Questo sembra troppo grande, e senza dubbio questo è il motivo per cui i diodi varicap sono specificati con un limite di frequenza rigoroso.
Se supponiamo che il campo di frequenza sia appropriato e che i valori di RS, XLS siano bassi rispetto agli altri elementi della serie, il circuito equivalente sopra indicato potrebbe essere semplicemente sostituito con un condensatore variabile.
Comprensione della scheda tecnica di un diodo Varicap o Varactor
La scheda tecnica completa di un tipico diodo varicap può essere studiata dalla seguente figura:
Il rapporto C3 / C25 nella figura sopra, dimostra il rapporto del livello di capacità quando il diodo viene applicato con un potenziale di polarizzazione inverso compreso tra 3 e 25 V. Il rapporto ci aiuta a ottenere un riferimento rapido riguardo al livello di cambiamento nel capacità rispetto al potenziale di polarizzazione inversa applicato.
Il persona di merito Q fornisce l'intervallo di considerazione per l'implementazione del dispositivo per un'applicazione, ed è anche un tasso del rapporto tra l'energia immagazzinata dal dispositivo capacitivo per ciclo e l'energia persa o dissipata per ciclo.
Poiché la perdita di energia è per lo più considerata un attributo negativo, maggiore è il valore relativo del rapporto, meglio è.
Un altro aspetto nella scheda tecnica è la frequenza di risonanza di un diodo varicap. E questo è determinato dalla formula:
fo = 1 / 2π√LC
Questo fattore decide il campo di applicazione del diodo varicap.
Coefficiente di temperatura della capacità
Facendo riferimento al grafico sopra, il coefficiente di temperatura di capacità di un diodo varicap può essere valutato utilizzando la seguente formula:
dove ΔC indica le variazioni di capacità del dispositivo dovute alla variazione di temperatura rappresentata da (T1 - T0), per uno specifico potenziale di polarizzazione inversa.
Nella scheda tecnica sopra, ad esempio, mostra C0 = 29 pF con VR = 3 V e T0 = 25 gradi Celsius.
Utilizzando i dati sopra riportati possiamo valutare la variazione della capacità del diodo varicap, semplicemente sostituendo il nuovo valore di temperature T1 e il TCC dal grafico (0.013). Avendo la nuova VR, il valore TCC può variare di conseguenza. Facendo riferimento al datasheet, troviamo che la frequenza massima raggiunta sarà di 600 MHz.
Utilizzando questo valore di frequenza, la reattanza XL del varicap può essere calcolata come:
XL = 2πfL = (6,28) (600 x 1010Hz) (2,5 x 10-9F) = 9,42 Ohm
Il risultato è una grandezza relativamente piccola ed è accettabile ignorarla.
Applicazione del diodo Varicap
Poche delle aree di applicazione ad alta frequenza di un varactor o diodo varicap determinate da specifiche a bassa capacità sono filtri passa-banda regolabili, dispositivi di controllo automatico della frequenza, amplificatori parametrici e modulatori FM.
L'esempio seguente mostra il diodo varicap implementato in un circuito di sintonizzazione.
Il circuito è costituito da una combinazione di circuiti del serbatoio L-C, la cui frequenza di risonanza è determinata da:
fp = 1 / 2π√LC'T (un sistema ad alto Q) avente un livello C'T = CT + Cc, stabilito dal potenziale di polarizzazione inversa VDD applicato.
Il condensatore di accoppiamento CC garantisce la necessaria protezione contro la tendenza al cortocircuito di L2 della tensione di polarizzazione applicata.
Le frequenze desiderate del circuito sintonizzato possono successivamente spostarsi verso l'amplificatore ad alta impedenza di ingresso per l'ulteriore amplificazione.
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