Un díode varactor, també anomenat varicap, VVC (voltatge variable capacitance, o tuning díode), és un tipus de díode semiconductor que presenta una capacitat dependent del voltatge variable a la seva unió p-n quan el dispositiu es polaritza inversament.
La polarització inversa significa bàsicament quan el díode està sotmès a una tensió oposada, és a dir, una tensió positiva al càtode i negativa a l’ànode.
La manera com funciona un díode varactor depèn de la capacitat existent sobre la unió p-n del díode mentre es troba en un mode esbiaixat invertit.
En aquesta condició, trobem una regió de càrregues descobertes que s'estableix a través dels costats p-n de la unió, que junts resulten en una regió d'esgotament a través de la unió.
Aquesta regió d’esgotament estableix la amplada d'esgotament al dispositiu, simbolitzat com Wd.
La transició en la capacitat a causa de les càrregues aïllades descobertes explicades anteriorment, a través de la unió p-n es pot determinar mitjançant la fórmula:
CT = e. A / Wd
on e és la permitivitat dels materials semiconductors, A és el p-n zona d’encreuament i W d és l'amplada d'esgotament.
Com funciona
El funcionament bàsic d'un varicap o d'un díode varactor es pot entendre amb la següent explicació:
Quan s’aplica un varactor o un díode varicap amb un potencial de polarització inversa creixent, es produeix un augment de l’amplària d’esgotament del dispositiu, que al seu torn fa disminuir la seva capacitat de transició.
La imatge següent mostra les característiques típiques de la resposta d’un díode varactor.
Podem veure la forta caiguda inicial de la TC en resposta a l’augment del potencial de biaix invers. Normalment, l'abast de la tensió de polarització inversa aplicada VR per a un díode de capacitat de tensió variable està restringit a 20 V.
Pel que fa a la tensió de polarització inversa aplicada, la capacitat de transició es pot aproximar mitjançant la fórmula:
CT = K / (TV + VR) n
En aquesta fórmula, K és una constant determinada pel tipus de material semiconductor utilitzat i la seva disposició constructiva.
VT és el potencial de genoll , tal com es descriu a continuació:
La RV és la quantitat de potencial de polarització inversa aplicada al dispositiu.
n pot tenir el valor 1/2 per a díodes varicap mitjançant juntes d’aliatge i 1/3 per a díodes amb juntes difuses.
En absència d'una tensió de polarització o de polarització de tensió zero, la capacitat C (0) com a funció de VR es pot expressar mitjançant la següent fórmula.
CT (VR) = C (0) / (1 + | VR / VT |) n
Circuit equivalent Varicap
Els símbols estàndard (b) i un circuit aproximat equivalent (a) d’un díode varicap es representen a la imatge següent:
La figura del costat dret proporciona un circuit de simulació aproximat per a un díode varicap.
En ser un díode i en la regió esbiaixada inversament, la resistència en el circuit equivalent RR es mostra significativament gran (al voltant de 1M Ohms), mentre que el valor de resistència geomètrica Rs és bastant petit. El valor de la TC pot variar entre 2 i 100 pF en funció del tipus de varicap utilitzat.
Per assegurar-se que el valor RR és prou gran, de manera que el corrent de fuita pot ser mínim, normalment es selecciona un material de silici per a un díode varicap.
Atès que se suposa que un díode varicap s'utilitza específicament en aplicacions de freqüència extremadament alta, la inductància LS no es pot ignorar tot i que pot semblar petita en nanohenries.
L'efecte d'aquesta petita inductància pot ser força significatiu i es pot demostrar a través del següent càlcul de reactància .
XL = 2πfL, imaginem que la freqüència a 10 GHz i LS = 1 nH, es generarà en un XLS = 2πfL = (6,28) (1010Hz) (10-9F) = 62,8 ohms. Sembla massa gran i, sens dubte, per això s’especifiquen els díodes varicap amb un límit de freqüència estricte.
Si suposem que el rang de freqüències és adequat i que els valors de RS, XLS són baixos en comparació amb els altres elements de la sèrie, el circuit equivalent indicat anteriorment es podria substituir simplement per un condensador variable.
Comprensió del full de dades d’un diode Varicap o Varactor
La fitxa de dades completa d’un díode varicap típic es pot estudiar a partir de la figura següent:
La proporció de C3 / C25 a la figura anterior, demostra la proporció del nivell de capacitat quan s’aplica el díode amb un potencial de polarització inversa entre 3 i 25 V. La relació ens ajuda a obtenir una referència ràpida pel que fa al nivell de canvi de la capacitat respecte al potencial de biaix invers aplicat.
El figura del Mèrit Q proporciona l'abast de consideracions per implementar el dispositiu per a una aplicació, i també és una taxa de la relació d'energia emmagatzemada pel dispositiu capacitiu per cicle a l'energia perduda o dissipada per cicle.
Com que la pèrdua d’energia es considera principalment com un atribut negatiu, millor serà el valor relatiu de la relació.
Un altre aspecte del full de dades és la freqüència de ressonància d’un díode varicap. I això està determinat per la fórmula:
fo = 1 / 2π√LC
Aquest factor decideix el rang d’aplicació del díode varicap.
Coeficient de temperatura de capacitat
En referència al gràfic anterior, el fitxer coeficient de temperatura de capacitat d'un díode varicap es pot avaluar mitjançant la fórmula següent:
on ΔC significa les variacions de la capacitat del dispositiu a causa del canvi de temperatura representat per (T1 - T0), per a un potencial de polarització inversa específic.
Al full de dades anterior, per exemple, mostra C0 = 29 pF amb VR = 3 V i T0 = 25 graus centígrads.
Mitjançant les dades anteriors podem avaluar el canvi en la capacitat del díode varicap, simplement substituint el valor T1 de les noves temperatures i el TCC del gràfic (0,013). Amb el nou VR, es pot esperar que el valor de TCC variï en conseqüència. Tornant al full de dades, trobem que la freqüència màxima assolida serà de 600 MHz.
Utilitzant aquest valor de freqüència, la reactància XL del varicap es pot calcular com:
XL = 2πfL = (6,28) (600 x 1010Hz) (2,5 x 10-9F) = 9,42 ohms
El resultat és una magnitud relativament petita i és acceptable ignorar-la.
Aplicació del díode Varicap
Poques de les àrees d’aplicació d’alta freqüència d’un díode varactor o varicap determinades per les especificacions de baixa capacitat són els filtres passabanda ajustables, els dispositius de control de freqüència automàtica, els amplificadors paramètrics i els moduladors FM.
L'exemple següent mostra un díode varicap implementat en un circuit de sintonització.
El circuit consisteix en una combinació de circuits de tancs L-C, la freqüència de ressonància dels quals està determinada per:
fp = 1 / 2π√LC'T (un sistema d'alta Q) amb un nivell C'T = CT + Cc, establert pel VDD de potencial biaix invers aplicat.
El condensador d’acoblament CC garanteix la protecció necessària contra la tendència de curtcircuit de L2 a la tensió de polarització aplicada.
Posteriorment, es permet que les freqüències previstes del circuit sintonitzat es moguin a l’amplificador d’impedància d’entrada elevada per a una amplificació posterior.
Anterior: Circuit d’òrgans tàctils electrònics Següent: Circuits d'aplicacions SCR
