כיצד פועלות דיודות Varactor (Varicap)

דיודת varactor, הנקראת גם varicap, VVC (קיבול משתנה למתח, או דיודת כוונון) היא סוג של דיודת מוליכים למחצה הכוללת קיבול תלוי מתח משתנה בצומת ה- p-n שלו כאשר המכשיר מוטה הפוך.

הטיה הפוכה פירושה בעצם כאשר הדיודה נתונה למתח הפוך, כלומר מתח חיובי בקתודה, ושלילי באנודה.

אופן הפעולה של דיודת ורקטור תלוי בקיבול הקיים מעל צומת ה- p-n של הדיודה בזמן שהיא במצב מוטה הפוכה.

במצב זה אנו מוצאים אזור של מטענים שלא נחשפו המוקם מעל צדי ה- p-n של הצומת, שגורמים יחד לאזור דלדול על פני הצומת.

אזור דלדול זה מקים את רוחב הדלדול במכשיר, מסומל כ- Wd.

ניתן לקבוע את המעבר בקיבול עקב המטענים הבלתי מכוסים שהוסברו לעיל על פני צומת ה- p-n באמצעות הנוסחה:

CT = e. A / Wd

איפה ה הוא היתירותם של חומרי המוליכים למחצה, ל האם ה P n אזור צומת, ו- W ד הוא רוחב הדלדול.

איך זה עובד

ניתן להבין את העבודה הבסיסית של וריקאפ או דיודת ורקטור באמצעות ההסבר הבא:

כאשר מיישמים דיודת varactor או varicap עם פוטנציאל הטיה הפוכה עולה, גורם לעלייה ברוחב הדלדול של המכשיר, מה שבתורו גורם לקיבולת המעבר שלו לירידה.

התמונה הבאה מציגה את תגובת המאפיינים האופיינית של דיודת ורקטור.

אנו יכולים לראות את הירידה הראשונית התלולה ב- CT בתגובה לפוטנציאל ההטיה ההפוכה. בדרך כלל, טווח מתח ההטיה ההפוך המופעל VR עבור דיודת קיבול מתח משתנה מוגבל ל -20 וולט.

לגבי מתח ההטיה ההפוך המיושם, ניתן לבקר את קיבולת המעבר באמצעות הנוסחה:

CT = K / (VT + VR) ^נ

בנוסחה זו, K הוא קבוע כפי שנקבע לפי סוג חומר המוליך למחצה בו נעשה שימוש ופריסתו הקונסטרוקטיבית.

VT הוא ה- פוטנציאל ברכיים , כמפורט להלן:

VR הוא כמות הפוטנציאל של הטיה הפוכה המופעלת על המכשיר.

נ יכול להיות הערך 1/2 לדיודות varicap באמצעות צומת סגסוגת, ו- 1/3 לדיודות המשתמשות בצמתים מפוזרים.

בהעדר מתח הטיה או בהטיית מתח אפס, הקיבול C (0) כפונקציה של VR יכול לבוא לידי ביטוי באמצעות הנוסחה הבאה.

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

מעגל שווה ערך ב- Varicap

הסמלים הסטנדרטיים (ב) והמעגל המשוער המקביל (א) של דיודת וריקאפ מיוצגים בתמונה הבאה:

האיור בצד ימין מספק מעגל סימולציה משוער לדיודת varicap.

בהיותה דיודה ובאזור מוטה הפוכה, ההתנגדות במעגל המקביל RR מוצגת גדולה משמעותית (סביב 1M אוהם), בעוד שערך ההתנגדות הגיאומטרי R הוא די קטן. הערך של CT עשוי להשתנות בין 2 ל- 100 pF, תלוי בסוג ה- varicap המשמש.

על מנת לוודא שהערך RR גדול דיו, כך שזרם הדליפה יכול להיות מינימלי, חומר סיליקון נבחר בדרך כלל לדיודת varicap.

מכיוון שדיודת varicap אמורה לשמש באופן ספציפי ביישומים בתדירות גבוהה במיוחד, לא ניתן להתעלם מההשראות LS למרות שהיא עשויה להיראות קטנה, בננו-הינריות.

ההשפעה של השראות קטנה למראה זו יכולה להיות משמעותית למדי וניתן להוכיח באמצעות הדברים הבאים חישוב תגובתיות .

XL = 2πfL, בואו נדמיין, התדר להיות 10 GHz ו- LS = 1 nH, ייצור ב- XLS = 2πfL = (6.28) (10¹⁰הרץ) (10^-9F) = 62.8 אוהם. זה נראה גדול מדי, ואין ספק שזו הסיבה שדיודות ה- varicap מוגדרות עם מגבלת תדרים קפדנית.

אם אנו מניחים שטווח התדרים יהיה מתאים, והערכים של RS, XLS יהיו נמוכים בהשוואה לאלמנטים בסדרה האחרת, ניתן להחליף את המעגל המקביל שצוין לעיל בקבל משתנה.

הבנת גליון נתונים של Varicap או דיודה Varactor

ניתן ללמוד את גליון הנתונים המלא של דיודת וריקאפ טיפוסית מהאיור הבא:

היחס בין C3 / C25 באיור לעיל, מדגים את היחס בין רמת הקיבול כאשר הדיודה מוחלת עם פוטנציאל הטיה הפוכה בין 3 ל 25 V. היחס עוזר לנו לקבל התייחסות מהירה לגבי רמת השינוי קיבול ביחס לפוטנציאל ההטיה ההפוכה.

ה דמות של הכשרון Q מספק את טווח השיקולים ליישום המכשיר ליישום, וזה גם קצב היחס בין האנרגיה המאוחסנת על ידי המכשיר הקיבולי למחזור לאנרגיה שאבדה או מתפוגגת בכל מחזור.

מכיוון שאובדן האנרגיה נחשב בעיקר כתכונה שלילית, כך שערכו היחסי של היחס גבוה יותר, כך טוב יותר.

היבט נוסף בגליון הנתונים הוא תדירות התהודה של דיודת varicap. וזה נקבע על ידי הנוסחה:

fo = 1 / 2π√LC

גורם זה קובע את טווח היישומים של דיודת ה- varicap.

מקדם טמפרטורת קיבול

בהתייחס לגרף לעיל, מקדם טמפרטורת קיבול של דיודת varicap ניתן להעריך באמצעות הנוסחה הבאה:

כאשר ΔC מסמל את הווריאציות בקיבול המכשיר עקב שינוי בטמפרטורה המיוצג על ידי (T1 - T0), לפוטנציאל הטיה הפוכה ספציפית.

בגיליון הנתונים שלעיל, למשל, הוא מראה C0 = 29 pF עם VR = 3 V ו- T0 = 25 מעלות צלזיוס.

באמצעות הנתונים שלעיל נוכל להעריך את השינוי בקיבול של דיודת ה- varicap, פשוט על ידי החלפת הערך T1 הטמפרטורות החדשות ו- TCC מהגרף (0.013). לאחר ה- VR החדש, ניתן לצפות שערך ה- TCC ישתנה בהתאם. אם נחזור לדף הנתונים, אנו מגלים שהתדירות המרבית שתושג תהיה 600 מגה-הרץ.

באמצעות ערך תדר זה ניתן לחשב את התגובה XL של ה- varicap כ:

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

התוצאה היא גודל קטן יחסית ומקובל להתעלם ממנו.

יישום דיודת Varicap

מעטים מאזורי היישום בתדירות הגבוהה של דיודה ורקטורית או וריקאפ הנקבעים על ידי מפרט בעל קיבול נמוך הם מסנני מעבר פס מתכווננים, התקני בקרת תדרים אוטומטיים, מגברים פרמטריים וממני FM.

הדוגמה שלהלן מציגה דיודות varicap המיושמות במעגל כוונון.

המעגל מורכב משילוב של מעגלי טנקים L-C, שתדירות התהודה שלהם נקבעת על ידי:

fp = 1 / 2π√LC'T (מערכת High-Q) עם רמת C'T = CT + Cc, הוקמה על ידי VDD הפוטנציאלי עם הטיה הפוכה.

קבלים צימוד CC מבטיחים את ההגנה הנדרשת מפני נטיית הקיצור של L2 מתח ההטיה המופעל.

לאחר מכן מותרים לתדרים המיועדים של המעגל המכוון לעבור למגבר העכבה העכבה בעל הכניסה הגבוהה לצורך הגברה נוספת.