Varaktör (Varikap) Diyotları Nasıl Çalışır?

Varicap, VVC (voltaj değişken kapasitans veya ayar diyotu olarak da adlandırılan bir varaktör diyotu, cihaz ters çevrildiğinde p-n bağlantısında değişken bir voltaja bağlı kapasitans içeren bir yarı iletken diyot türüdür.

Ters önyargı, temel olarak diyotun zıt bir voltaja, yani katotta pozitif ve anotta negatif bir voltaja maruz kaldığı anlamına gelir.

Varaktör diyotun çalışma şekli, ters taraflı moddayken diyotun p-n bağlantısı üzerindeki mevcut kapasitansa bağlıdır.

Bu durumda, birleşim yerinin p-n tarafları boyunca ortaya çıkan ve birleşim boyunca bir tükenme bölgesi ile sonuçlanan bir bölge buluyoruz.

Bu tükenme bölgesi, tükenme genişliği Cihazda, Wd olarak sembolize edilmiştir.

Kapasitansta, yukarıda açıklanan izole edilmemiş yükler nedeniyle, p-n bağlantısı boyunca geçiş aşağıdaki formül kullanılarak belirlenebilir:

CT = e. A / Wd

nerede e yarı iletken malzemelerin geçirgenliğidir, KİME ... p-n kavşak alanı ve W d tükenme genişliğidir.

Nasıl çalışır

Bir varaktör veya varaktör diyotunun temel çalışması aşağıdaki açıklama ile anlaşılabilir:

Bir varaktör veya varikap diyot yükselen bir ters önyargı potansiyeli ile uygulandığında, cihazın tükenme genişliğinde bir artışa neden olur ve bu da geçiş kapasitansının azalmasına neden olur.

Aşağıdaki görüntü, bir varaktör diyotunun tipik karakteristik yanıtını göstermektedir.

Ters önyargı potansiyelindeki artışa yanıt olarak CT'deki dik ilk düşüşü görebiliriz. Normalde, değişken voltaj kapasitans diyotu için uygulanan ters öngerilim voltajı VR aralığı 20 V ile sınırlıdır.

Uygulanan ters öngerilim voltajı ile ilgili olarak, geçiş kapasitansı aşağıdaki formül kullanılarak tahmin edilebilir:

CT = K / (VT + VR) ⁿ

Bu formülde K, kullanılan yarı iletken malzemenin türü ve yapısal düzeni tarafından belirlenen bir sabittir.

VT, diz potansiyeli , aşağıda açıklandığı gibi:

VR, cihaza uygulanan ters önyargı potansiyeli miktarıdır.

n alaşım bağlantı kullanan varikap diyotlar için 1/2 ve dağınık bağlantılar kullanan diyotlar için 1/3 değerine sahip olabilir.

Bir polarlama voltajının yokluğunda veya bir sıfır voltaj polarlamasında, VR'nin fonksiyonu olarak kapasitans C (0) aşağıdaki formülle ifade edilebilir.

CT (VR) = C (0) / (1 + | VR / VT |) ⁿ

Varikap Eşdeğer Devre

Bir varikap diyotunun standart sembolleri (b) ve eşdeğer bir yaklaşık devresi (a) aşağıdaki görüntüde gösterilmektedir:

Sağ taraftaki şekil, bir varikap diyotu için yaklaşık bir simülasyon devresi sağlar.

Bir diyot olan ve ters taraflı bölgede, eşdeğer devre RR'deki direnç önemli ölçüde büyük (yaklaşık 1M Ohm) gösterilirken, geometrik direnç değeri Rs oldukça küçüktür. CT değeri, kullanılan varikap tipine bağlı olarak 2 ile 100 pF arasında değişebilir.

RR değerinin yeterince büyük olduğundan emin olmak için kaçak akım minimum olabilir, bir varikap diyot için normal olarak bir silikon malzeme seçilir.

Bir varikap diyotun özellikle son derece yüksek frekanslı uygulamalarda kullanılması gerektiğinden, endüktans LS, nanohenrilerde küçük görünse bile göz ardı edilemez.

Bu küçük görünümlü endüktansın etkisi oldukça önemli olabilir ve aşağıdakilerle kanıtlanabilir. reaktans hesaplaması .

XL = 2πfL, Diyelim ki, frekans 10 GHz'de olacak ve LS = 1 nH, XLS = 2πfL = (6.28) (10¹⁰Hz) (10^-9F) = 62,8 Ohm. Bu çok büyük görünüyor ve şüphesiz bu nedenle varikap diyotları katı bir frekans sınırı ile belirtilmiştir.

Frekans aralığının uygun olduğunu ve RS, XLS değerlerinin diğer seri elemanlara kıyasla düşük olduğunu varsayarsak, yukarıda belirtilen eşdeğer devre basitçe değişken bir kapasitör ile değiştirilebilir.

Varikap veya Varaktör Diyotunun Veri Sayfasını Anlama

Tipik bir varikap diyotunun eksiksiz Veri Sayfası aşağıdaki şekilden incelenebilir:

Yukarıdaki şekildeki C3 / C25 oranı, diyotun 3 ila 25 V arasında ters önyargı potansiyeli ile uygulandığında kapasitans seviyesinin oranını gösterir. Oran, değişim seviyesi ile ilgili hızlı bir referans elde etmemize yardımcı olur. uygulanan ters önyargı potansiyeline göre kapasitans.

Liyakat figürü Q, bir uygulama için cihazı uygulamaya yönelik değerlendirme aralığını sağlar ve aynı zamanda, döngü başına kapasitif cihaz tarafından depolanan enerjinin, döngü başına kaybedilen veya dağıtılan enerjiye oranının bir oranıdır.

Enerji kaybı çoğunlukla olumsuz bir özellik olarak kabul edildiğinden, oranın göreceli değeri ne kadar yüksekse o kadar iyidir.

Veri sayfasındaki diğer bir özellik, bir varikap diyotunun rezonans frekansıdır. Ve bu aşağıdaki formülle belirlenir:

fo = 1 / 2π√LC

Bu faktör, varikap diyotunun uygulama aralığına karar verir.

Kapasitans Sıcaklık Katsayısı

Yukarıdaki grafiğe bakıldığında, kapasitans sıcaklık katsayısı Bir varikap diyotunun değeri aşağıdaki formül kullanılarak değerlendirilebilir:

ΔC, belirli bir ters önyargı potansiyeli için (T1 - T0) ile temsil edilen sıcaklıktaki değişiklik nedeniyle cihazın kapasitansındaki değişiklikleri belirtir.

Örneğin yukarıdaki veri sayfasında, VR = 3 V ve T0 = 25 Santigrat derece ile C0 = 29 pF gösterir.

Yukarıdaki verileri kullanarak, basitçe grafikten (0.013) yeni sıcaklıklar T1 değerini ve TCC'yi değiştirerek varikap diyotun kapasitansındaki değişikliği değerlendirebiliriz. Yeni VR ile TCC değerinin buna göre değişmesi beklenebilir. Veri sayfasına geri dönersek, ulaşılan maksimum frekansın 600 MHz olacağını görüyoruz.

Bu frekans değeri kullanılarak, varikap reaktansı XL şu şekilde hesaplanabilir:

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

Sonuç, nispeten küçük bir büyüklüktür ve onu göz ardı etmek kabul edilebilir.

Varikap Diyot Uygulaması

Düşük kapasitans özellikleriyle belirlenen bir varaktör veya varikap diyotunun yüksek frekans uygulama alanlarından çok azı ayarlanabilir bant geçiren filtreler, otomatik frekans kontrol cihazları, parametrik amplifikatörler ve FM modülatörlerdir.

Aşağıdaki örnek, bir ayar devresinde uygulanan varikap diyotu göstermektedir.

Devre, rezonans frekansı aşağıdakiler tarafından belirlenen L-C tank devrelerinin bir kombinasyonundan oluşur:

fp = 1 / 2π√LC'T (bir yüksek Q sistemi) uygulanan ters önyargı potansiyeli VDD tarafından oluşturulan bir C'T seviyesi = CT + Cc.

Kuplaj kondansatörü CC, uygulanan öngerilim voltajının L2'nin kısa devre eğilimine karşı gerekli korumayı sağlar.

Ayarlanmış devrenin amaçlanan frekanslarının daha sonra daha fazla amplifikasyon için yüksek giriş empedanslı amplifikatöre hareket etmesine izin verilir.