Sådan fungerer Varactor (Varicap) -dioder

Sådan fungerer Varactor (Varicap) -dioder

En varaktordiode, også kaldet varicap, VVC (spændingsvariabel kapacitans eller tuningdiode, er en type halvlederdiode, som har en variabel spændingsafhængig kapacitans på sin p-n-forbindelse, når enheden er omvendt forspændt.



Omvendt bias betyder grundlæggende, når dioden udsættes for en modsat spænding, hvilket betyder en positiv spænding ved katoden og negativ ved anoden.

varicap eller varactor-diode symbol på varicap varactor-diode

Den måde, hvorpå en varaktordiode fungerer, afhænger af den eksisterende kapacitans over diodens p-krydsning, mens den er i omvendt forspændt tilstand.



I denne tilstand finder vi en region med udækkede ladninger, der etableres på tværs af p-n-siderne af krydset, som tilsammen resulterer i en udtømningsregion over krydset.

Denne udtømningsregion etablerer udtømningsbredde i enheden, symboliseret som Wd.



Overgangen i kapacitansen på grund af de ovenfor forklarede isolerede udækkede ladninger over p-n-krydset kan bestemmes ved hjælp af formlen:

CT = e. A / Wd

hvor e er permittiviteten af ​​halvledermaterialerne, TIL er p-n krydsområde og W d er udtømningsbredden.

Hvordan det virker

Den grundlæggende bearbejdning af en varicap eller en varactor-diode kan forstås med følgende forklaring:

Når en varactor eller varicap-diode påføres med et stigende omvendt forspændingspotentiale, resulterer det i en stigning i apparatets udtømningsbredde, hvilket igen får dets overgangskapacitet til at falde.

Det følgende billede viser den typiske karakteristikrespons for en varaktordiode.

varicap diode egenskaber

Vi kan se det stejle indledende fald i CT som reaktion på stigningen i omvendt biaspotentiale. Normalt er området for den anvendte omvendte forspænding VR for en variabel spændingskapacitansdiode begrænset til 20 V.

Med hensyn til den anvendte omvendte forspænding kan overgangskapacitansen tilnærmes ved hjælp af formlen:

CT = K / (VT + VR) n

I denne formel er K en konstant som bestemt af typen af ​​anvendt halvledermateriale og dets konstruktionslayout.

VT er knæpotentiale som beskrevet nedenfor:

VR er mængden af ​​omvendt bias potentiale, der anvendes på enheden.

n kan have værdien 1/2 for varicap-dioder ved hjælp af legeringskryds og 1/3 for dioder ved hjælp af diffuse kryds.

I fravær af en forspændingsspænding eller ved en forspænding med nul spænding kan kapacitansen C (0) som funktionen af ​​VR udtrykkes ved hjælp af følgende formel.

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

Varicap-ækvivalent kredsløb

Standardsymbolerne (b) og et tilsvarende omtrentligt kredsløb (a) for en varicap-diode er repræsenteret i følgende billede:

Højre sidetal giver et omtrentligt simuleringskredsløb til en varicap-diode.

At være en diode og i det omvendte forspændte område, vises modstanden i det ækvivalente kredsløb RR signifikant stor (ca. 1M ohm), mens den geometriske modstandsværdi Rs er ret lille. Værdien af ​​CT kan variere mellem 2 og 100 pF afhængigt af den anvendte varicap-type.

For at sikre, at værdien RR er tilstrækkelig stor, så lækstrømmen kan være minimal, et siliciummateriale vælges normalt til en varicap-diode.

Da en varicap-diode formodes at blive brugt specifikt i ekstremt højfrekvente applikationer, kan induktansen LS ikke ignoreres, selvom den kan se lille ud i nanohenry.

Effekten af ​​denne lille induktans kan være en ganske betydelig og kan bevises gennem følgende reaktansberegning .

XL = 2πfL, lad os forestille os, at frekvensen skal være ved 10 GHz og LS = 1 nH, vil generere i en XLS = 2πfL = (6.28) (1010Hz) (10-9F) = 62,8 ohm. Dette ser for stort ud, og det er uden tvivl grunden til varicap-dioder er specificeret med en streng frekvensgrænse.

Hvis vi antager, at frekvensområdet er passende, og værdierne for RS, XLS er lave sammenlignet med de andre serieelementer, kan det ovenfor angivne ækvivalente kredsløb simpelthen erstattes med en variabel kondensator.

Forståelse af datablad for en Varicap- eller Varactor-diode

Komplet datablad for en typisk varicap-diode kan studeres ud fra følgende figur:

Forholdet mellem C3 / C25 i ovenstående figur viser forholdet mellem kapacitansniveauet, når dioden påføres med et omvendt forspændingspotentiale mellem 3 og 25 V. Forholdet hjælper os med at få en hurtig reference med hensyn til niveauet for ændring i kapacitans med hensyn til det anvendte reverse bias potentiale.

Det figur af fortjeneste Q giver rækkevidden for overvejelse for implementering af enheden til en applikation, og det er også en hastighed af forholdet mellem energi lagret af den kapacitive enhed pr. Cyklus til den energi, der er tabt eller spredt pr. Cyklus.

Da energitabet for det meste betragtes som en negativ egenskab, jo højere er den relative værdi af forholdet, jo bedre.

Et andet aspekt i databladet er resonansfrekvensen af ​​en varicap-diode. Og dette bestemmes af formlen:

fo = 1 / 2π√LC

Denne faktor bestemmer anvendelsesområdet for varicap-dioden.

Kapacitans temperaturkoefficient

Med henvisning til ovenstående graf, er kapacitans temperaturkoefficient af en varicap-diode kan evalueres ved hjælp af følgende formel:

hvor AC betegner variationerne i enhedens kapacitans på grund af temperaturændring repræsenteret af (T1 - T0) for et specifikt omvendt forspændingspotentiale.

I ovenstående datablad viser det for eksempel C0 = 29 pF med VR = 3 V og T0 = 25 grader Celsius.

Ved hjælp af ovenstående data kan vi evaluere ændringen i kapacitansen af ​​varicap-dioden ved blot at erstatte de nye temperaturer T1-værdi og TCC fra grafen (0,013). Med den nye VR kan TCC-værdien forventes at variere i overensstemmelse hermed. Med henvisning til databladet finder vi, at den maksimale frekvens, der opnås, er 600 MHz.

Ved hjælp af denne frekvensværdi kan reaktansen XL for varicap beregnes som:

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

Resultatet er en størrelse, der er relativt lille, og det er acceptabelt at ignorere det.

Anvendelse af Varicap-diode

Få af de højfrekvente anvendelsesområder for en varactor eller varicap-diode bestemt af specifikationer med lav kapacitans er justerbare båndpasfiltre, automatiske frekvensstyringsenheder, parametriske forstærkere og FM-modulatorer.

Eksemplet nedenfor viser varicap-diode implementeret i et tuning kredsløb.

Kredsløbet består af en kombination af LC-tank kredsløb, hvis resonansfrekvens bestemmes af:

fp = 1 / 2π√LC'T (et high-Q-system) med et C'T-niveau = CT + Cc, etableret af det anvendte revers-bias potentiale VDD.

Koblingskondensatoren CC sikrer den krævede beskyttelse mod kortslutningstendensen for L2 den påførte forspænding.

De tilsigtede frekvenser i det indstillede kredsløb får efterfølgende at bevæge sig til højindgangsimpedansforstærkeren til yderligere forstærkning.




Forrige: Elektronisk berøringsorgelkredsløb Næste: SCR-applikationskredsløb