Varaktorska dioda, imenovana tudi varicap, VVC (napetostno spremenljiva kapacitivnost ali nastavitvena dioda) je vrsta polprevodniške diode, ki ima na svojem p-n spoju spremenljivo napetostno odvisno kapacitivnost, ko je naprava obrnjena pristransko.

Povratna pristranskost v bistvu pomeni, ko je dioda izpostavljena nasprotni napetosti, kar pomeni pozitivno napetost na katodi in negativno na anodi.

Način delovanja varaktorske diode je odvisen od obstoječe kapacitivnosti nad p-n spojem diode, medtem ko je v obrnjenem pristranskem načinu.

V tem stanju najdemo območje nepokritih nabojev, ki se vzpostavijo na p-n straneh križišča, kar skupaj povzroči izčrpavanje območja čez križišče.

Ta regija izčrpavanja določa širina izčrpavanja v napravi, simbolizirano kot Wd.

Prehod kapacitivnosti zaradi zgoraj pojasnjenih izoliranih nepokritih nabojev čez p-n spoj lahko določimo po formuli:

CT = e. A / Wd

kje e je propustnost polprevodniških materialov, TO ali je p-n območje križišča in W d je širina izčrpavanja.

Kako deluje

Osnovno delovanje varicapa ali varaktorske diode lahko razumemo z naslednjo razlago:

Ko se uporablja varaktor ali varicap dioda z naraščajočim potencialom povratne pristranskosti, se poveča širitev izpraznitve naprave, kar posledično povzroči zmanjšanje njene prehodne kapacitivnosti.

Naslednja slika prikazuje tipične značilnosti odziva varaktorske diode.

Vidimo lahko strm začetni padec CT kot odziv na povečanje potenciala povratne pristranskosti. Običajno je območje uporabljene napetosti VR povratne pristranskosti za spremenljivo napetostno kapacitivno diodo omejeno na 20 V.

Glede na uporabljeno napetost povratne pristranskosti lahko prehodno kapacitivnost približamo s formulo:

CT = K / (VT + VR) ⁿ

V tej formuli je K konstanta, ki jo določa vrsta uporabljenega polprevodniškega materiala in njegova konstrukcijska postavitev.

VT je potencial kolena , kot je opisano spodaj:

VR je količina potenciala povratne pristranskosti, ki se uporablja na napravi.

n lahko ima vrednost 1/2 za varicap diode, ki uporabljajo zlitine, in 1/3 za diode, ki uporabljajo difuzne spoje.

Če ni pristranske napetosti ali ničelne napetosti, lahko kapacitivnost C (0) kot funkcijo VR izrazimo z naslednjo formulo.

CT (VR) = C (0) / (1 + | VR / VT |) ⁿ

Enakovredno vezje Varicap

Standardni simboli (b) in enakovredno približno vezje (a) varicap diode so predstavljeni na naslednji sliki:

Slika na desni strani prikazuje približno simulacijsko vezje za varicap diodo.

Ker je dioda in je v obratno pristranskem območju, je upor v enakovrednem vezju RR prikazan znatno velik (okoli 1M ohmov), medtem ko je vrednost geometrijskega upora Rs precej majhna. Vrednost CT se lahko razlikuje med 2 in 100 pF, odvisno od vrste varicapa.

Da bi zagotovili, da je vrednost RR dovolj velika, da je tok uhajanja lahko minimalen, za varicap diodo je običajno izbran silicijev material.

Ker naj bi se varicap dioda posebej uporabljala pri izjemno visokofrekvenčnih aplikacijah, induktivnosti LS ni mogoče prezreti, čeprav je v nanohenijah videti majhna.

Učinek te majhne induktivnosti je lahko zelo pomemben in se lahko dokaže z naslednjim izračun reaktance .

XL = 2πfL, Predstavljajmo si, da bo frekvenca 10 GHz in LS = 1 nH, bo v XLS = 2πfL = (6,28) (10^10.Hz) (10^-9F) = 62,8 ohmov. To se zdi preveliko in brez dvoma so zato varicap diode določene s strogo frekvenčno omejitvijo.

Če domnevamo, da je frekvenčno območje primerno in so vrednosti RS, XLS nizke v primerjavi z drugimi serijskimi elementi, lahko zgoraj navedeno enakovredno vezje preprosto nadomestimo s spremenljivim kondenzatorjem.

“Shema vezja 8 -kanalnega daljinskega upravljalnika ”

Razumevanje podatkovnega lista varicap ali varactor diode

Popoln podatkovni list tipične varicap diode lahko preučite na naslednji sliki:

Razmerje C3 / C25 na zgornji sliki prikazuje razmerje med nivojem kapacitivnosti, ko je dioda nameščena z obratnim potencialom pristranskosti med 3 in 25 V. Razmerje nam pomaga, da dobimo hiter sklic na stopnjo spremembe v kapacitivnosti glede na uporabljeni potencial povratne pristranskosti.

The lik zaslug Q zagotavlja obseg razmisleka za izvedbo naprave za aplikacijo in je tudi stopnja razmerja med energijo, ki jo kapacitivna naprava shrani na cikel, do izgubljene ali razpršene energije na cikel.

Ker se izguba energije večinoma šteje za negativni atribut, večja kot je relativna vrednost razmerja, tem bolje.

Drug vidik v obrazcu je resonančna frekvenca varicap diode. In to se določi s formulo:

fo = 1 / 2π√LC

Ta dejavnik določa področje uporabe varicap diode.

Temperaturni koeficient kapacitivnosti

Sklicujoč se na zgornji graf, kapacitivni temperaturni koeficient varicap diode lahko ovrednotimo po naslednji formuli:

kjer ΔC pomeni spremembe kapacitivnosti naprave zaradi spremembe temperature, ki jo predstavlja (T1 - T0), za določen potencial povratne pristranskosti.

V zgornjem obrazcu je na primer prikazano C0 = 29 pF z VR = 3 V in T0 = 25 stopinj Celzija.

Z uporabo zgornjih podatkov lahko ocenimo spremembo kapacitivnosti varicap diode, tako da nove vrednosti temperature T1 in TCC nadomestimo z grafa (0,013). Po novem VR lahko pričakujemo, da se bo vrednost TCC ustrezno spreminjala. Če se vrnemo na podatkovni list, ugotovimo, da bo dosežena največja frekvenca 600 MHz.

Z uporabo te frekvenčne vrednosti lahko reaktanco XL varicapa izračunamo kot:

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

Rezultat je razmeroma majhna velikost in sprejemljivo je, da jo ignoriramo.

Uporaba varicap diode

Nekaj visokofrekvenčnih področij uporabe varaktorja ali varicap diode, ki jih določajo specifikacije z majhno kapacitivnostjo, so nastavljivi pasovni filtri, naprave za avtomatsko frekvenčno krmiljenje, parametrični ojačevalniki in FM modulatorji.

Spodnji primer prikazuje varicap diodo, izvedeno v uglasitvenem vezju.