Hvordan Varactor (Varicap) -dioder fungerer

Prøv Instrumentet Vårt For Å Eliminere Problemer





En varaktordiode, også kalt varicap, VVC (spenningsvariabel kapasitans eller innstillingsdiode, er en type halvlederdiode som har en variabel spenningsavhengig kapasitans på sin p-n-kryss når enheten er reversert forspent.

Omvendt forspenning betyr i utgangspunktet når dioden blir utsatt for en motsatt spenning, noe som betyr en positiv spenning ved katoden og negativ ved anoden.



varicap eller varactor-diode symbol på varicap varactor-diode

Måten en varaktordiode fungerer på, avhenger av den eksisterende kapasitansen over p-n-krysset til dioden mens den er i omvendt forspent modus.

I denne tilstanden finner vi en region med avdekkede ladninger som blir etablert over p-n-sidene av krysset, som sammen resulterer i en uttømmingsregion over krysset.



Denne uttømmingsregionen etablerer uttømmingsbredde i enheten, symbolisert som Wd.

Overgangen i kapasitansen på grunn av de ovenfor forklarte isolerte avdekkede ladningene over p-n-krysset kan bestemmes ved hjelp av formelen:

CT = e. A / Wd

hvor e er permittiviteten til halvledermaterialene, TIL er den p-n kryssområde, og W. d er uttømmingsbredden.

Hvordan det fungerer

Den grunnleggende virkningen av en varicap eller en varactor-diode kan forstås med følgende forklaring:

Når en varaktor eller varicap-diode påføres med et stigende omvendt forspenningspotensial, resulterer det i en økning i uttømmingsbredden til enheten, som igjen får overgangskapasitansen til å avta.

Følgende bilde viser den typiske karakteristikkresponsen til en varaktordiode.

varicap-diodeegenskaper

Vi kan se det bratte innledende fallet i CT som svar på økningen av omvendt biaspotensial. Normalt er rekkevidden for den påførte omvendte forspenningen VR for en variabel spenningskapasitansdiode begrenset til 20 V.

Når det gjelder den påførte omvendte forspenningen, kan overgangskapasitansen tilnærmes ved hjelp av formelen:

CT = K / (VT + VR) n

I denne formelen er K en konstant som bestemt av typen halvledermateriale som brukes og dens konstruksjonsoppsett.

VT er knepotensial , som beskrevet nedenfor:

VR er mengden potensial for omvendt forspenning som brukes på enheten.

n kan ha verdien 1/2 for varicap-dioder ved bruk av legeringskryss, og 1/3 for dioder som bruker diffuse kryss.

I fravær av en forspenning eller ved en nullspenningsforspenning, kan kapasitansen C (0) som funksjon av VR uttrykkes gjennom følgende formel.

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

Varicap-ekvivalent krets

Standardsymbolene (b) og en tilsvarende omtrentlig krets (a) til en varicap-diode er representert i følgende bilde:

Figuren på høyre side gir en omtrentlig simuleringskrets for en varicap-diode.

Å være en diode og i den omvendte forspente regionen, vises motstanden i den tilsvarende kretsen RR betydelig stor (rundt 1M ohm), mens den geometriske motstandsverdien Rs er ganske liten. Verdien av CT kan variere mellom 2 og 100 pF, avhengig av hvilken type varicap som brukes.

For å sikre at verdien RR er tilstrekkelig stor, slik at lekkasjestrømmen kan være minimal, et silisiummateriale velges normalt for en varicap-diode.

Siden en varicap-diode skal brukes spesifikt i ekstremt høyfrekvente applikasjoner, kan induktansen LS ikke ignoreres selv om den kan se liten ut, i nanohenries.

Effekten av denne lille induktansen kan være ganske betydelig, og kan bevises gjennom følgende reaktansberegning .

XL = 2πfL, la oss forestille oss at frekvensen til å være 10 GHz, og LS = 1 nH, vil generere i en XLS = 2πfL = (6.28) (1010Hz) (10-9F) = 62,8 ohm. Dette ser for stort ut, og uten tvil er det derfor varicap-dioder er spesifisert med en streng frekvensgrense.

Hvis vi antar at frekvensområdet er passende, og verdiene til RS, XLS er lave sammenlignet med de andre serieelementene, kan den ovenfor angitte ekvivalente kretsen ganske enkelt erstattes med en variabel kondensator.

Forstå datablad for en Varicap eller Varactor Diode

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

Forholdet mellom C3 / C25 i figuren ovenfor, viser forholdet mellom kapasitansnivået når dioden påføres med et omvendt forspenningspotensial mellom 3 og 25 V. Forholdet hjelper oss med å få en rask referanse angående endringsnivået i kapasitans med hensyn til det anvendte omvendte forspenningspotensialet.

De figur av fortjeneste Q gir rekkevidden av hensyn til implementering av enheten for en applikasjon, og det er også en hastighet på forholdet mellom energi lagret av den kapasitive enheten per syklus og den tapte eller spredte energien per syklus.

Siden tap av energi hovedsakelig blir sett på som en negativ egenskap, jo høyere er den relative verdien av forholdet, jo bedre.

Et annet aspekt i databladet er resonansfrekvensen til en varicap-diode. Og dette bestemmes av formelen:

fo = 1 / 2π√LC

Denne faktoren bestemmer bruksområdet for varicap-dioden.

Kapasitans temperaturkoeffisient

Med henvisning til grafen ovenfor er kapasitans temperatur koeffisient av en varicap-diode kan evalueres ved hjelp av følgende formel:

hvor ΔC betegner variasjonene i kapasitansen til enheten på grunn av temperaturendring representert ved (T1 - T0), for et spesifikt omvendt forspenningspotensial.

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

Ved hjelp av dataene ovenfor kan vi evaluere endringen i kapasitansen til varicap-dioden, ganske enkelt ved å erstatte de nye temperaturene T1-verdien og TCC fra grafen (0,013). Med den nye VR kan TCC-verdien forventes å variere tilsvarende. Med henvisning til databladet finner vi at den maksimale oppnådde frekvensen vil være 600 MHz.

Ved hjelp av denne frekvensverdien kan reaktansen XL til varicap beregnes som:

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

Resultatet er en størrelse som er relativt liten, og det er akseptabelt å ignorere den.

Påføring av Varicap-diode

Få av de høyfrekvente applikasjonsområdene til en varactor eller varicap-diode bestemt av spesifikasjoner med lav kapasitans er justerbare båndpassfilter, enheter for automatisk frekvensstyring, parametriske forsterkere og FM-modulatorer.

Eksemplet nedenfor viser varicap-diode implementert i en innstillingskrets.

Kretsen består av en kombinasjon av LC-tankkretser, hvis resonansfrekvens bestemmes av:

fp = 1 / 2π√LC'T (et høyt Q-system) som har et C'T-nivå = CT + Cc, etablert av det anvendte revers-bias potensielle VDD.

Koblingskondensatoren CC sørger for den nødvendige beskyttelsen mot kortslutningstendensen til L2 den påførte forspenningen.

De tiltenkte frekvensene til den innstilte kretsen tillates deretter å bevege seg til den høye inngangsimpedansforsterkeren for den videre forsterkningen.




Forrige: Elektronisk berøringsorgelkrets Neste: SCR Applications Circuits