Funktionsweise von Varactor (Varicap) -Dioden

Eine Varaktordiode, auch Varicap, VVC (spannungsvariable Kapazität oder Abstimmdiode genannt), ist eine Art Halbleiterdiode, die an ihrem pn-Übergang eine variable spannungsabhängige Kapazität aufweist, wenn die Vorrichtung in Sperrrichtung vorgespannt ist.

Sperrvorspannung bedeutet im Wesentlichen, wenn die Diode einer entgegengesetzten Spannung ausgesetzt ist, dh einer positiven Spannung an der Kathode und einer negativen an der Anode.

Die Art und Weise, wie eine Varaktordiode arbeitet, hängt von der vorhandenen Kapazität über dem pn-Übergang der Diode ab, während sie sich in einem in Sperrrichtung vorgespannten Modus befindet.

In diesem Zustand stellen wir fest, dass ein Bereich unbedeckter Ladungen über die pn-Seiten des Übergangs aufgebaut wird, was zusammen zu einem Verarmungsbereich über den Übergang führt.

Diese Verarmungsregion legt die Verarmungsbreite im Gerät als Wd symbolisiert.

Der Übergang der Kapazität aufgrund der oben erläuterten isolierten nicht abgedeckten Ladungen über den pn-Übergang kann unter Verwendung der folgenden Formel bestimmt werden:

CT = e. A / Wd

wo e ist die Permittivität der Halbleitermaterialien, ZU ist der p-n Kreuzungsbereich und W. d ist die Verarmungsbreite.

Wie es funktioniert

Die grundlegende Funktionsweise eines Varicaps oder einer Varaktordiode kann mit der folgenden Erklärung verstanden werden:

Wenn ein Varaktor oder eine Varikap-Diode mit einem ansteigenden Sperrvorspannungspotential angelegt wird, führt dies zu einer Zunahme der Verarmungsbreite der Vorrichtung, was wiederum dazu führt, dass ihre Übergangskapazität abnimmt.

Das folgende Bild zeigt die typische Charakteristik einer Varaktordiode.

Wir können den steilen anfänglichen Abfall der CT als Reaktion auf das erhöhte Potential der umgekehrten Vorspannung sehen. Normalerweise ist der Bereich für die angelegte Sperrvorspannung VR für eine Kapazitätsdiode mit variabler Spannung auf 20 V beschränkt.

In Bezug auf die angelegte Sperrvorspannung kann die Übergangskapazität unter Verwendung der folgenden Formel angenähert werden:

CT = K / (VT + VR) ⁿ

In dieser Formel ist K eine Konstante, die durch die Art des verwendeten Halbleitermaterials und dessen Konstruktionslayout bestimmt wird.

VT ist die Kniepotential , wie unten beschrieben:

VR ist der Betrag des an das Gerät angelegten Sperrvorspannungspotentials.

n kann den Wert 1/2 für Varicap-Dioden mit Legierungsübergang und 1/3 für Dioden mit diffusen Übergängen haben.

In Abwesenheit einer Vorspannung oder bei einer Vorspannung von Null kann die Kapazität C (0) als Funktion von VR durch die folgende Formel ausgedrückt werden.

CT (VR) = C (0) / (1 + | VR / VT |) ⁿ

Varicap-Ersatzschaltung

Die Standardsymbole (b) und eine äquivalente Näherungsschaltung (a) einer Varicap-Diode sind in der folgenden Abbildung dargestellt:

Die Abbildung auf der rechten Seite zeigt eine ungefähre Simulationsschaltung für eine Varicap-Diode.

Als Diode und im in Sperrrichtung vorgespannten Bereich ist der Widerstand im Ersatzschaltbild RR signifikant groß (um 1 M Ohm) gezeigt, während der geometrische Widerstandswert Rs ziemlich klein ist. Der CT-Wert kann je nach Art des verwendeten Varicaps zwischen 2 und 100 pF variieren.

Um sicherzustellen, dass der Wert RR ausreichend groß ist, so dass der Leckstrom minimal sein kann, Für eine Varicap-Diode wird normalerweise ein Siliziummaterial ausgewählt.

Da eine Varicap-Diode speziell für extrem hochfrequente Anwendungen verwendet werden soll, kann die Induktivität LS in Nanohenries nicht ignoriert werden, auch wenn sie klein aussieht.

Der Effekt dieser klein aussehenden Induktivität kann sehr bedeutend sein und kann durch Folgendes bewiesen werden Reaktanzberechnung .

XL = 2πfL, Stellen wir uns vor, die Frequenz bei 10 GHz und LS = 1 nH wird in einem XLS = 2πfL = (6.28) (10) erzeugt¹⁰Hz) (10^-9F) = 62,8 Ohm. Dies sieht zu groß aus, und aus diesem Grund werden Varicap-Dioden zweifellos mit einer strengen Frequenzgrenze spezifiziert.

Wenn wir annehmen, dass der Frequenzbereich angemessen ist und die Werte von RS, XLS im Vergleich zu den anderen Serienelementen niedrig sind, könnte das oben angegebene Ersatzschaltbild einfach durch einen variablen Kondensator ersetzt werden.

Grundlegendes zum Datenblatt einer Varicap- oder Varactor-Diode

Das vollständige Datenblatt einer typischen Varicap-Diode kann anhand der folgenden Abbildung untersucht werden:

Das Verhältnis von C3 / C25 in der obigen Abbildung zeigt das Verhältnis des Kapazitätspegels, wenn die Diode mit einem Sperrvorspannungspotential zwischen 3 und 25 V angelegt wird. Das Verhältnis hilft uns, eine schnelle Referenz bezüglich des Änderungspegels in der zu erhalten Kapazität in Bezug auf das angelegte Sperrvorspannungspotential.

Das Leistungszahl Q liefert den Betrachtungsbereich für die Implementierung der Vorrichtung für eine Anwendung und ist auch eine Rate des Verhältnisses der von der kapazitiven Vorrichtung pro Zyklus gespeicherten Energie zu der pro Zyklus verlorenen oder verbrauchten Energie.

Da der Energieverlust meist als negatives Attribut betrachtet wird, ist es umso besser, je höher der relative Wert des Verhältnisses ist.

Ein weiterer Aspekt im Datenblatt ist die Resonanzfrequenz einer Varicap-Diode. Und dies wird durch die Formel bestimmt:

fo = 1 / 2π√LC

Dieser Faktor bestimmt den Anwendungsbereich der Varicap-Diode.

Kapazitätstemperaturkoeffizient

Unter Bezugnahme auf das obige Diagramm wird die Kapazitätstemperaturkoeffizient einer Varicap-Diode kann unter Verwendung der folgenden Formel bewertet werden:

wobei ΔC die Änderungen der Kapazität der Vorrichtung aufgrund einer durch (T1 - T0) dargestellten Temperaturänderung für ein spezifisches Sperrvorspannungspotential bezeichnet.

Im obigen Datenblatt ist beispielsweise C0 = 29 pF mit VR = 3 V und T0 = 25 Grad Celsius dargestellt.

Mit den obigen Daten können wir die Änderung der Kapazität der Varicap-Diode bewerten, indem wir einfach den neuen Temperatur-T1-Wert und die TCC aus dem Diagramm (0,013) ersetzen. Mit der neuen VR kann erwartet werden, dass der TCC-Wert entsprechend variiert. Unter Bezugnahme auf das Datenblatt stellen wir fest, dass die maximal erreichte Frequenz 600 MHz beträgt.

Mit diesem Frequenzwert kann die Reaktanz XL des Varicaps wie folgt berechnet werden:

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

Das Ergebnis ist eine relativ kleine Größe, die man ignorieren kann.

Anwendung der Varicap-Diode

Nur wenige der Hochfrequenzanwendungsbereiche eines Varaktors oder einer Varicap-Diode, die durch Spezifikationen mit niedriger Kapazität bestimmt werden, sind einstellbare Bandpassfilter, Geräte zur automatischen Frequenzsteuerung, parametrische Verstärker und FM-Modulatoren.

Das folgende Beispiel zeigt eine Varicap-Diode, die in einer Abstimmschaltung implementiert ist.

Die Schaltung besteht aus einer Kombination von L-C-Tankschaltungen, deren Resonanzfrequenz bestimmt wird durch:

fp = 1 / 2π√LC'T (ein System mit hohem Q) mit einem C'T-Pegel = CT + Cc, der durch das angelegte Sperrpotential VDD festgelegt wird.

Der Koppelkondensator CC gewährleistet den erforderlichen Schutz gegen die Kurzschlusstendenz von L2 der angelegten Vorspannung.

Die beabsichtigten Frequenzen der abgestimmten Schaltung können sich anschließend zur weiteren Verstärkung zum Verstärker mit hoher Eingangsimpedanz bewegen.