Paano Gumagana ang Diode ng Varactor (Varicap)

Ang isang varactor diode, na tinatawag ding varicap, VVC (boltahe na variable capacitance, o tuning diode, ay isang uri ng semiconductor diode na nagtatampok ng variable na umaasang capacitance na may boltahe sa p-n junction nito kapag ang aparato ay nabaligtad na bias.

Ang reverse bias ay nangangahulugang kapag ang diode ay napailalim sa isang kabaligtaran na boltahe, nangangahulugang isang positibong boltahe sa cathode, at negatibo sa anode.

Ang paraan ng pagpapatakbo ng isang varactor diode ay nakasalalay sa mayroon nang capacitance sa p-n junction ng diode habang nasa isang baligtad na bias mode.

Sa kondisyong ito nakita namin ang isang rehiyon ng mga walang takip na singil na itinatag sa kabuuan ng mga p-n na gilid ng kantong, na magkakasamang nagreresulta sa isang pagkaubos na rehiyon sa buong kantong.

Ang rehiyon ng pagkaubos na ito ay nagtatatag ng lapad ng pagkaubos sa aparato, sinasagisag bilang Wd.

Ang paglipat sa capacitance dahil sa nabanggit sa itaas ay nakahiwalay na walang takip na mga singil, sa p-n junction ay maaaring matukoy gamit ang formula:

CT = e. A / Wd

kung saan e ay ang permittivity ng mga semiconductor na materyales, SA ay ang p-n lugar ng kantong, at W d ay ang pagkaubos ng lapad.

Paano ito gumagana

Ang pangunahing pagtatrabaho ng isang varicap o isang varactor diode ay maaaring maunawaan sa sumusunod na paliwanag:

Kapag ang isang varactor o varicap diode ay inilalapat na may tumataas na potensyal na reverse bias, nagreresulta sa pagtaas ng pagkaubos ng lapad ng aparato, na kung saan ay sanhi ng pagbawas ng capacitance ng paglipat nito.

Ipinapakita ng sumusunod na imahe ang tipikal na mga katangian na tugon ng isang varactor diode.

Maaari naming makita ang matarik na paunang pagbagsak sa CT bilang tugon sa pagtaas ng potensyal na reverse bias. Karaniwan, ang saklaw para sa inilapat na reverse bias voltage VR para sa isang variable boltahe na capacitance diode ay pinaghihigpitan sa 20 V.

Na patungkol sa inilapat na boltahe ng reverse bias, ang capacitance ng paglipat ay maaaring matantiya gamit ang formula:

CT = K / (VT + VR) ⁿ

Sa pormulang ito, ang K ay isang pare-pareho na tinutukoy ng uri ng ginamit na materyal na semiconductor at ang layout ng konstruksyon nito.

VT ang potensyal sa tuhod , tulad ng inilarawan sa ibaba:

Ang VR ay ang halaga ng potensyal na reverse bias na inilapat sa aparato.

n ay maaaring magkaroon ng halaga na 1/2 para sa mga varicap diode gamit ang haluang metal na kantong, at 1/3 para sa mga diode na gumagamit ng nagkakalat na mga junction.

Sa kawalan ng isang biasing boltahe o sa isang zero boltahe biasing, ang capacitance C (0) bilang pag-andar ng VR ay maaaring ipahayag sa pamamagitan ng sumusunod na formula.

CT (VR) = C (0) / (1 + | VR / VT |) ⁿ

Katumbas na Circuit ng Varicap

Ang mga karaniwang simbolo (b) at isang katumbas na tinatayang circuit (a) ng isang varicap diode ay kinakatawan sa sumusunod na imahe:

Ang kanang numero sa gilid ay nagbibigay ng isang tinatayang circuit ng simulation para sa isang varicap diode.

Ang pagiging isang diode at sa reverse bias na rehiyon, ang paglaban sa katumbas na circuit RR ay ipinapakita nang malaki (sa paligid ng 1M Ohms), habang ang halagang geometric na paglaban ng Rs ay medyo maliit. Ang halaga ng CT ay maaaring magkakaiba sa pagitan ng 2 at 100 pF depende sa uri ng ginamit na varicap.

Upang matiyak na ang halagang RR ay sapat na malaki, upang ang kasalukuyang tagas ay maaaring maging minimum, ang isang materyal na silikon ay karaniwang napili para sa isang varicap diode.

Dahil ang isang varicap diode ay dapat na partikular na ginamit sa labis na mataas na dalas ng mga aplikasyon, ang inductance LS ay hindi maaaring balewalain kahit na mukhang maliit ito, sa mga nanohenry.

Ang epekto ng maliit na mukhang inductance na ito ay maaaring maging isang makabuluhang, at maaaring mapatunayan sa pamamagitan ng mga sumusunod pagkalkula ng reaksyon .

XL = 2πfL, Isipin natin, ang dalas na nasa 10 GHz, at LS = 1 nH, ay bubuo sa isang XLS = 2πfL = (6.28) (10¹⁰Hz) (10^-9F) = 62.8 Ohms. Mukha itong napakalaki, at walang alinlangan na ito ang dahilan kung bakit tinukoy ang mga varicap diode na may isang mahigpit na limitasyon sa dalas.

Kung sa palagay namin ang saklaw ng dalas ay naaangkop, at ang mga halaga ng RS, XLS na maging mababa kumpara sa iba pang mga elemento ng serye, ang ipinahiwatig sa itaas na katumbas na circuit ay maaaring mapalitan lamang ng isang variable capacitor.

Pag-unawa sa Datasheet ng isang Varicap o Varactor Diode

Ang kumpletong Datasheet ng isang tipikal na varicap diode ay maaaring pag-aralan mula sa sumusunod na pigura:

Ang ratio ng C3 / C25 sa nasa itaas na pigura, ipinapakita ang ratio ng antas ng capacitance kapag ang diode ay inilalapat na may isang reverse bias na potensyal sa pagitan ng 3 hanggang 25 V. Ang ratio ay tumutulong sa amin upang makakuha ng isang mabilis na sanggunian patungkol sa antas ng pagbabago sa capacitance patungkol sa inilapat na reverse potensyal na bias.

Ang pigura ng Merito Ibinibigay ng Q ang saklaw ng pagsasaalang-alang para sa pagpapatupad ng aparato para sa isang application, at ito rin ay isang rate ng ratio ng enerhiya na nakaimbak ng capacitive device bawat ikot ng enerhiya sa nawala o nawala sa bawat cycle.

Dahil ang pagkawala ng enerhiya ay halos isinasaalang-alang bilang isang negatibong katangian, mas mataas ang kamag-anak na halaga ng ratio, mas mabuti.

Ang isa pang aspeto sa datasheet ay ang resonant frequency ng isang varicap diode. At ito ay natutukoy ng pormula:

fo = 1 / 2π√LC

Ang kadahilanan na ito ang nagpapasya sa saklaw ng aplikasyon ng varicap diode.

Capacitance Temperatura Coefficient

Sumangguni sa nasa itaas na grap, ang koepisyent ng temperatura ng capacitance ng isang varicap diode ay maaaring suriin gamit ang sumusunod na formula:

kung saan ang ΔC ay nangangahulugan ng mga pagkakaiba-iba sa capacitance ng aparato dahil sa pagbabago sa temperatura na kinakatawan ng (T1 - T0), para sa isang tukoy na potensyal na reverse bias.

Halimbawa, sa nasa itaas na datasheet, ipinapakita nito ang C0 = 29 pF na may VR = 3 V at T0 = 25 degrees Celsius.

Gamit ang nasa itaas na data maaari naming suriin ang pagbabago sa capacitance ng varicap diode, sa pamamagitan lamang ng pagpapalit ng bagong temperatura na T1 na halaga at ang TCC mula sa grap (0.013). Ang pagkakaroon ng bagong VR, ang halaga ng TCC ay maaaring asahan na mag-iiba nang naaayon. Sumangguni pabalik sa datasheet, nalaman namin na ang maximum na dalas na nakamit ay 600 MHz.

Gamit ang halagang dalas na ito, maaaring makalkula ang reaktibo ng XL ng varicap bilang:

XL = 2πfL = (6.28) (600 x 10¹⁰Hz) (2.5 x 10^-9F) = 9.42 Ohms

Ang resulta ay isang magnitude na medyo maliit at katanggap-tanggap na huwag pansinin ito.

Paglalapat ng Varicap Diode

Ilang mga lugar ng aplikasyon ng mataas na dalas ng isang varactor o varicap diode na tinutukoy ng mababang specs ng capacitance ay naaayos na mga filter ng bandpass, mga aparatong awtomatikong kontrol ng dalas, mga parametric amplifier, at FM modulator.

Ang halimbawa sa ibaba ay nagpapakita ng varicap diode na ipinatupad sa isang tuning circuit.

Ang circuit ay binubuo ng isang kumbinasyon ng mga circuit ng tank ng L-C, na ang resonant frequency ay natutukoy ng:

fp = 1 / 2π√LC'T (isang sistema ng mataas na Q) pagkakaroon ng antas ng C'T = CT + Cc, na itinatag ng inilapat na reverse-bias na potensyal na VDD.

Ang pagkabit ng capacitor ng CC ay nagsisiguro ng kinakailangang proteksyon laban sa pagkahilig ng L2 na inilapat na boltahe ng biasing.

Ang mga inilaan na dalas ng tuned circuit ay pinapayagan na lumipat sa high-input impedance amplifier para sa karagdagang amplification.