Um diodo varactor, também chamado de varicap, VVC (capacitância variável de tensão, ou diodo de sintonia, é um tipo de diodo semicondutor que apresenta uma capacitância variável dependente de tensão em sua junção pn quando o dispositivo é polarizado inversamente.
A polarização reversa basicamente significa quando o diodo é submetido a uma tensão oposta, o que significa uma tensão positiva no cátodo e negativa no ânodo.
A maneira como um diodo varactor opera depende da capacitância existente sobre a junção pn do diodo enquanto ele está em um modo de polarização reversa.
Nesta condição, encontramos uma região de cargas descobertas sendo estabelecidas nos lados pn da junção, que juntas resultam em uma região de depleção através da junção.
Esta região de depleção estabelece a largura de depleção no dispositivo, simbolizado como Wd.
A transição na capacitância devido às cargas descobertas isoladas explicadas acima, através da junção pn, pode ser determinada usando a fórmula:
CT = ε. A/Wd
Onde ε é a permissividade dos materiais semicondutores, UMA é o pn área de junção, e Wd é a largura de depleção.
Como funciona
O funcionamento básico de um diodo varicap ou varactor pode ser entendido com a seguinte explicação:
Quando um diodo varactor ou varicap é aplicado com um potencial de polarização reversa crescente, resulta em um aumento na largura de depleção do dispositivo, que por sua vez faz com que sua capacitância de transição diminua.
A imagem a seguir mostra as características típicas de resposta de um diodo varactor.
Podemos ver a queda inicial acentuada no CT em resposta ao aumento do potencial de polarização reversa. Normalmente, a faixa para a tensão de polarização reversa aplicada VR para um diodo de capacitância de tensão variável é restrita a 20 V.
Com relação à tensão de polarização reversa aplicada, a capacitância de transição pode ser aproximada usando a fórmula:
CT = K / (VT + VR)n
Nesta fórmula, K é uma constante determinada pelo tipo de material semicondutor usado e seu layout de construção.
VT é o potencial do joelhocomo descrito abaixo:
VR é a quantidade de potencial de polarização reversa aplicada no dispositivo.
n pode ter o valor 1/2 para diodos varicap usando junção de liga e 1/3 para diodos usando junções difusas.
Na ausência de uma tensão de polarização ou em uma polarização de tensão zero, a capacitância C(0) em função de VR pode ser expressa através da seguinte fórmula.
CT(VR) = C(0) / (1 + |VR/VT|)n
Circuito Equivalente Varicap
Os símbolos padrão (b) e um circuito aproximado equivalente (a) de um diodo varicap são representados na imagem a seguir:
A figura do lado direito fornece um circuito de simulação aproximado para um diodo varicap.
Sendo um diodo e na região de polarização reversa, a resistência no circuito equivalente RR mostra-se significativamente grande (em torno de 1M Ohms), enquanto o valor da resistência geométrica Rs é bastante pequeno. O valor de CT pode variar entre 2 e 100 pF dependendo do tipo de varicap utilizado.
Para garantir que o valor RR seja suficientemente grande, para que a corrente de fuga possa ser mínima, um material de silício é normalmente selecionado para um diodo varicap.
Como um diodo varicap deve ser usado especificamente em aplicações de frequência extremamente alta, a indutância LS não pode ser ignorada, mesmo que pareça pequena, em nanohenries.
O efeito desta pequena indutância pode ser bastante significativo e pode ser comprovado através do seguinte cálculo de reatância.
XL = 2πfL, vamos imaginar, a frequência estar em 10 GHz, e LS = 1 nH, vai gerar em um XLS = 2πfL = (6.28)(1010 Hz)(10-9 F) = 62,8 Ohms. Isso parece muito grande e, sem dúvida, é por isso que os diodos varicap são especificados com um limite de frequência estrito.
Se supusermos que a faixa de frequência seja adequada e os valores de RS, XLS sejam baixos em comparação com os outros elementos em série, o circuito equivalente indicado acima poderia ser simplesmente substituído por um capacitor variável.
Compreendendo a folha de dados de um diodo Varicap ou Varactor
A folha de dados completa de um diodo varicap típico pode ser estudada a partir da figura a seguir:
A relação de C3/C25 na figura acima demonstra a relação do nível de capacitância quando o diodo é aplicado com um potencial de polarização reversa entre 3 e 25 V. A relação nos ajuda a obter uma referência rápida sobre o nível de mudança no capacitância em relação ao potencial de polarização reversa aplicado.
O Figura de mérito Q fornece a faixa de consideração para a implementação do dispositivo para uma aplicação e também é uma taxa da razão entre a energia armazenada pelo dispositivo capacitivo por ciclo e a energia perdida ou dissipada por ciclo.
Como a perda de energia é considerada principalmente como um atributo negativo, quanto maior o valor relativo da razão, melhor.
Outro aspecto na folha de dados é a frequência ressonante de um diodo varicap. E isso é determinado pela fórmula:
fo = 1/2π√LC
Este fator decide a faixa de aplicação do diodo varicap.
Coeficiente de Temperatura de Capacitância
Referindo-se ao gráfico acima, o coeficiente de temperatura de capacitância de um diodo varicap pode ser avaliada usando a seguinte fórmula:
onde ΔC significa as variações na capacitância do dispositivo devido à mudança de temperatura representada por (T1 – T0), para um potencial específico de polarização reversa.
Na folha de dados acima, por exemplo, mostra C0 = 29 pF com VR = 3 V e T0 = 25 graus Celsius.
Usando os dados acima podemos avaliar a mudança na capacitância do diodo varicap, simplesmente substituindo o novo valor de temperaturas T1 e o TCC do gráfico (0,013). Com o novo VR, pode-se esperar que o valor do TCC varie de acordo. Voltando à folha de dados, descobrimos que a frequência máxima atingida será de 600 MHz.
Usando este valor de frequência, a reatância XL do varicap pode ser calculada como:
XL = 2πfL = (6,28)(600 x 1010 Hz)(2,5 x 10-9 F) = 9,42 Ohms
O resultado é uma magnitude que é relativamente pequena e é aceitável ignorá-la.
Aplicação do Diodo Varicap
Poucas das áreas de aplicação de alta frequência de um diodo varactor ou varicap determinadas por especificações de baixa capacitância são filtros passa-banda ajustáveis, dispositivos de controle automático de frequência, amplificadores paramétricos e moduladores FM.
O exemplo abaixo mostra o diodo varicap implementado em um circuito de sintonia.
O circuito consiste em uma combinação de circuitos de tanque LC, cuja frequência de ressonância é determinada por:
fp = 1/2π√LC’T (um sistema de Q alto) tendo um nível C’T = CT + Cc, estabelecido pelo potencial de polarização reversa aplicado VDD.
O capacitor de acoplamento CC garante a proteção necessária contra a tendência de curto de L2 da tensão de polarização aplicada.
As frequências pretendidas do circuito sintonizado são subsequentemente permitidas mover-se para o amplificador de impedância de alta entrada para a amplificação adicional.
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FONTE
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