Hoe Varactor (Varicap) -diodes werken

Een varactor-diode, ook wel varicap genoemd, VVC (voltage-variable capacitance, of tuning diode, is een type halfgeleiderdiode met een variabele spanningsafhankelijke capaciteit op de p-n-overgang wanneer het apparaat is omgekeerd voorgespannen.

Reverse bias betekent in feite wanneer de diode wordt onderworpen aan een tegengestelde spanning, wat betekent een positieve spanning aan de kathode en negatief aan de anode.

De manier waarop een varactor-diode werkt, hangt af van de bestaande capaciteit over de p-n-overgang van de diode terwijl deze zich in een omgekeerde voorgespannen modus bevindt.

In deze toestand vinden we dat een gebied van ongedekte ladingen wordt gevormd over de p-n-zijden van de kruising, die samen resulteren in een uitputtingsgebied over de kruising.

Deze uitputtingsregio vestigt de uitputting breedte in het apparaat, gesymboliseerd als Wd.

De overgang in de capaciteit als gevolg van de hierboven toegelichte geïsoleerde ongedekte ladingen, over de p-n-overgang kan worden bepaald met behulp van de formule:

CT = e. A / Wd

waar e is de permittiviteit van de halfgeleidermaterialen, NAAR is de p-n knooppunt, en W d is de uitputtingbreedte.

Hoe het werkt

De basiswerking van een varicap- of een varactor-diode kan worden begrepen met de volgende uitleg:

Wanneer een varactor- of varicapdiode wordt toegepast met een stijgende tegengestelde voorspanningspotentiaal, resulteert dit in een toename van de uitputtingsbreedte van het apparaat, waardoor de overgangscapaciteit afneemt.

De volgende afbeelding toont de typische karakteristieke respons van een varactor-diode.

We kunnen de steile initiële daling van CT zien als reactie op het toegenomen potentieel voor reverse bias. Normaal gesproken is het bereik voor de toegepaste sperspanning VR voor een variabele spanningscapacitieve diode beperkt tot 20 V.

Met betrekking tot de toegepaste sperspanning, kan de overgangscapaciteit worden benaderd met behulp van de formule:

CT = K / (VT + VR) ⁿ

In deze formule is K een constante zoals bepaald door het type halfgeleidermateriaal dat wordt gebruikt en de constructieve lay-out.

VT is het knie potentieel , zoals hieronder beschreven:

VR is de hoeveelheid reverse bias-potentiaal die op het apparaat wordt toegepast.

n kan de waarde 1/2 hebben voor varicap-diodes die een lichtmetalen junctie gebruiken, en 1/3 voor diodes die diffuse juncties gebruiken.

Bij afwezigheid van een voorspanning of bij een nulspanning voorspanning, kan de capaciteit C (0) als de functie van VR worden uitgedrukt door middel van de volgende formule.

CT (VR) = C (0) / (1 + | VR / VT |) ⁿ

Varicap-equivalent circuit

De standaardsymbolen (b) en een equivalent geschat circuit (a) van een varicap-diode worden weergegeven in de volgende afbeelding:

De rechterfiguur geeft bij benadering een simulatiecircuit voor een varicap-diode.

Omdat het een diode is en in het omgekeerde voorgespannen gebied, wordt de weerstand in het equivalente circuit RR aanzienlijk groot weergegeven (ongeveer 1 M Ohm), terwijl de geometrische weerstandswaarde Rs vrij klein is. De waarde van CT kan variëren tussen 2 en 100 pF, afhankelijk van het gebruikte type varicap.

Om ervoor te zorgen dat de waarde RR voldoende groot is, zodat de lekstroom minimaal kan zijn, een siliciummateriaal wordt normaal gesproken geselecteerd voor een varicap-diode.

Omdat een varicap-diode bedoeld is om specifiek te worden gebruikt in toepassingen met extreem hoge frequenties, kan de inductantie LS niet worden genegeerd, ook al lijkt deze er in nanohenries misschien klein uit.

Het effect van deze klein ogende inductantie kan behoorlijk significant zijn en kan worden bewezen door het volgende reactantie berekening ​

XL = 2πfL, laten we ons voorstellen dat de frequentie op 10 GHz en LS = 1 nH zal genereren in een XLS = 2πfL = (6.28) (10¹⁰Hz) (10^-9F) = 62,8 ohm. Dit lijkt te groot, en dit is ongetwijfeld de reden waarom varicap-diodes zijn gespecificeerd met een strikte frequentielimiet.

Als we aannemen dat het frequentiebereik geschikt is en dat de waarden van RS, XLS laag zijn in vergelijking met de andere serie-elementen, kan het hierboven aangegeven equivalente circuit eenvoudig worden vervangen door een variabele condensator.

Inzicht in het gegevensblad van een Varicap- of Varactor-diode

Het volledige gegevensblad van een typische varicap-diode kan worden bestudeerd aan de hand van de volgende afbeelding:

De verhouding van C3 / C25 in de bovenstaande afbeelding toont de verhouding van het capaciteitsniveau aan wanneer de diode wordt toegepast met een omgekeerde voorspanningspotentiaal tussen 3 en 25 V.De verhouding helpt ons om een ​​snelle referentie te krijgen over het niveau van verandering in de capaciteit met betrekking tot de toegepaste reverse bias-potentiaal.

De maat van verdienste Q geeft het aandachtsbereik voor het implementeren van het apparaat voor een toepassing, en het is ook een snelheid van de verhouding tussen de energie die is opgeslagen door het capacitieve apparaat per cyclus en de energie die verloren of gedissipeerd is per cyclus.

Aangezien het energieverlies meestal als een negatief kenmerk wordt beschouwd, geldt hoe hoger de relatieve waarde van de verhouding, hoe beter.

Een ander aspect in de datasheet is de resonantiefrequentie van een varicapdiode. En dit wordt bepaald door de formule:

fo = 1 / 2π√LC

Deze factor bepaalt het toepassingsbereik van de varicap-diode.

Capaciteit Temperatuurcoëfficiënt

Verwijzend naar de bovenstaande grafiek, de capaciteit temperatuurcoëfficiënt van een varicapdiode kan worden geëvalueerd met behulp van de volgende formule:

waarbij ΔC de variaties in de capaciteit van het apparaat aangeeft als gevolg van verandering in temperatuur weergegeven door (T1 - T0), voor een specifieke omgekeerde biaspotentiaal.

In de bovenstaande datasheet staat bijvoorbeeld C0 = 29 pF met VR = 3 V en T0 = 25 graden Celsius.

Met behulp van de bovenstaande gegevens kunnen we de verandering in de capaciteit van de varicap-diode evalueren, eenvoudig door de nieuwe temperatuur T1-waarde en de TCC uit de grafiek (0,013) te vervangen. Met de nieuwe VR kan de TCC-waarde naar verwachting dienovereenkomstig variëren. Terugverwijzend naar het gegevensblad, zien we dat de maximale bereikte frequentie 600 MHz zal zijn.

Met behulp van deze frequentiewaarde kan de reactantie XL van de varicap worden berekend als:

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

Het resultaat is een omvang die relatief klein is en het is acceptabel om deze te negeren.

Toepassing van Varicap Diode

Enkele van de hoogfrequente toepassingsgebieden van een varactor- of varicapdiode die worden bepaald door specificaties van lage capaciteit, zijn instelbare banddoorlaatfilters, automatische frequentiebesturingsapparatuur, parametrische versterkers en FM-modulatoren.

Het onderstaande voorbeeld toont een varicap-diode geïmplementeerd in een afstemcircuit.

Het circuit bestaat uit een combinatie van L-C tankcircuits, waarvan de resonantiefrequentie wordt bepaald door:

fp = 1 / 2π√LC'T (een high-Q-systeem) met een C'T-niveau = CT + Cc, vastgesteld door de toegepaste reverse-bias-potentiaal VDD.

De koppelcondensator CC zorgt voor de vereiste bescherming tegen de neiging tot kortsluiting van L2 de aangelegde voorspanning.

De beoogde frequenties van het afgestemde circuit kunnen vervolgens naar de versterker met hoge ingangsimpedantie worden verplaatst voor de verdere versterking.