Varaktorová dióda, tiež nazývaná varicap, VVC (napäťovo premenná kapacita alebo ladiaca dióda), je typ polovodičovej diódy, ktorá má na svojom prechode p-n premenlivú kapacitu závislú od napätia, keď je zariadenie obrátené skreslené.

Reverzné predpätie v zásade znamená, keď je dióda vystavená opačnému napätiu, čo znamená kladné napätie na katóde a záporné na anóde.

Spôsob fungovania varaktorovej diódy závisí od existujúcej kapacity na prechode p-n diódy, keď je v reverznom predpätom režime.

V tomto stave nájdeme oblasť nekrytých nábojov, ktorá sa vytvára cez p-n strany spoja, čo vedie spoločne k vyčerpaniu oblasti cez spoj.

Tento región vyčerpania ustanovuje šírka vyčerpania v prístroji, symbolizovaný ako Wd.

Prechod v kapacite vďaka vyššie vysvetleným izolovaným nekrytým nábojom cez prechod p-n možno určiť pomocou vzorca:

CT = napr. A / Wd

kde e je permitivita polovodičových materiálov, TO je p-n spojovacia oblasť a W d je šírka vyčerpania.

Ako to funguje

Základné fungovanie varikapu alebo varaktorovej diódy je možné pochopiť s nasledujúcim vysvetlením:

Keď sa použije varaktor alebo varikapová dióda so stúpajúcim potenciálom reverzného skreslenia, vedie to k zväčšeniu šírky vyčerpania zariadenia, čo zase spôsobí zníženie jeho prechodovej kapacity.

Nasledujúci obrázok zobrazuje typické charakteristiky odozvy varaktorovej diódy.

Môžeme vidieť prudký počiatočný pokles CT v reakcii na zvýšenie potenciálu reverzného skreslenia. Normálne je rozsah použitého reverzného predpätia VR pre kapacitnú diódu s premenným napätím obmedzený na 20 V.

Pokiaľ ide o použité reverzné predpätie, je možné prechodovú kapacitu aproximovať pomocou vzorca:

CT = K / (VT + VR) ⁿ

V tomto vzorci je K konštanta určená typom použitého polovodičového materiálu a jeho konštrukčným usporiadaním.

VT je potenciál kolena , ako je opísané nižšie:

VR je množstvo potenciálu reverzného skreslenia aplikovaného na zariadenie.

n môže mať hodnotu 1/2 pre varikapové diódy pomocou zliatinového spojenia a 1/3 pre diódy pomocou difúzneho spojenia.

Ak chýba predpäťové napätie alebo je predpätie pri nulovom napätí, možno kapacitu C (0) ako funkciu VR vyjadriť pomocou nasledujúceho vzorca.

CT (VR) = C (0) / (1 + | VR / VT |) ⁿ

Ekvivalentný obvod Varicap

Štandardné symboly (b) a ekvivalentný približný obvod (a) varikapovej diódy sú znázornené na nasledujúcom obrázku:

Obrázok na pravej strane poskytuje približný simulačný obvod pre varikapovú diódu.

“ako vyrobiť indukčnú cievku ”

Pretože ide o diódu a v reverzne predpätej oblasti, je odpor v ekvivalentnom obvode RR zobrazený výrazne veľký (okolo 1 M Ohmov), zatiaľ čo hodnota geometrického odporu Rs je dosť malá. Hodnota CT sa môže pohybovať medzi 2 a 100 pF v závislosti od použitého typu varikapu.

Aby sa ubezpečil, že hodnota RR je dostatočne veľká, aby mohol byť zvodový prúd minimálny, pre varikapovú diódu sa zvyčajne vyberá kremíkový materiál.

Pretože varikódová dióda sa má špeciálne používať v extrémne vysokofrekvenčných aplikáciách, nemožno indukčnosť LS ignorovať, aj keď v nanohraniciach môže vyzerať malá.

Účinok tejto málo vyzerajúcej indukčnosti môže byť dosť výrazný a dá sa dokázať prostredníctvom nasledujúceho výpočet reaktancie .

XL = 2πfL, Predstavme si, že frekvencia bude 10 GHz a LS = 1 nH sa bude generovať v XLS = 2πfL = (6,28) (10¹⁰Hz) (10^-9F) = 62,8 ohmov. Vyzerá to príliš veľké a nepochybne to je dôvod, prečo sú varikapové diódy špecifikované s prísnym frekvenčným limitom.

Ak predpokladáme, že frekvenčný rozsah je vhodný a hodnoty RS, XLS sú nízke v porovnaní s ostatnými prvkami série, vyššie uvedený ekvivalentný obvod by sa dal jednoducho nahradiť variabilným kondenzátorom.

Pochopenie údajového listu varikapovej alebo varaktorovej diódy

Kompletný údajový list typickej varikapovej diódy je možné študovať na nasledujúcom obrázku:

Pomer C3 / C25 na vyššie uvedenom obrázku demonštruje pomer kapacitnej úrovne, keď je dióda aplikovaná s potenciálom reverzného skreslenia medzi 3 až 25 V. Pomer nám pomáha získať rýchly odkaz na úroveň zmeny v kapacita vzhľadom na použitý potenciál reverzného skreslenia.

The postava zásluh Q poskytuje rozsah úvahy pre implementáciu zariadenia pre aplikáciu a je to tiež miera pomeru energie uloženej kapacitným zariadením na cyklus k energii stratenej alebo rozptýlenej za cyklus.

Pretože strata energie sa väčšinou považuje za negatívny atribút, čím vyššia je relatívna hodnota pomeru, tým lepšie.

Ďalším aspektom v údajovom liste je rezonančná frekvencia varikapovej diódy. A to je určené vzorcom:

fo = 1 / 2π√LC

Tento faktor rozhoduje o rozsahu použitia varikapovej diódy.

Kapacitný teplotný koeficient

S odkazom na vyššie uvedený graf, kapacitný teplotný koeficient varikapovej diódy možno vyhodnotiť pomocou tohto vzorca:

kde ΔC znamená zmeny kapacity zariadenia v dôsledku zmeny teploty predstavovanej (T1 - T0) pre konkrétny potenciál spätného skreslenia.

Napríklad vo vyššie uvedenom údajovom liste ukazuje C0 = 29 pF s VR = 3 V a T0 = 25 stupňov Celzia.

Pomocou vyššie uvedených údajov môžeme vyhodnotiť zmenu kapacity varikapovej diódy jednoduchým nahradením nových teplôt T1 hodnotou a TCC z grafu (0,013). Vďaka novej VR možno očakávať, že sa hodnota TCC bude zodpovedajúcim spôsobom meniť. Ak sa vrátime k údajovému listu, zistíme, že maximálna dosiahnutá frekvencia bude 600 MHz.

“ako navrhnúť napájací zdroj ”

Pomocou tejto hodnoty frekvencie možno reaktanciu XL varikapu vypočítať ako:

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

Výsledkom je veľkosť, ktorá je relatívne malá a je prijateľné ju ignorovať.

Aplikácia varikapovej diódy

Máloktoré z vysokofrekvenčných aplikačných oblastí varaktora alebo varikapovej diódy určené parametrami s nízkou kapacitou sú nastaviteľné pásmové filtre, zariadenia s automatickou frekvenčnou reguláciou, parametrické zosilňovače a FM modulátory.

Nasledujúci príklad ukazuje varikapovú diódu implementovanú v ladiacom obvode.