Como os diodos varatores (Varicap) funcionam

Um diodo varator, também chamado de varicap, VVC (capacitância de tensão variável ou diodo de sintonia) é um tipo de diodo semicondutor que exibe uma capacitância dependente de tensão variável em sua junção p-n quando o dispositivo é polarizado inversamente.

A polarização reversa significa basicamente quando o diodo é submetido a uma tensão oposta, o que significa uma tensão positiva no cátodo e uma tensão negativa no ânodo.

diodo varicap ou varactor

O funcionamento de um diodo varator depende da capacitância na junção p-n do diodo enquanto estiver no modo de polarização reversa.

Nessa condição, encontramos uma região de cargas descobertas que se estabelecem nos lados p-n do entroncamento, que juntos resultam em uma região de esgotamento no entroncamento.


Esta região de exaustão estabelece a largura de exaustão no dispositivo, simbolizado como Wd.

A transição na capacitância devido a cargas isoladas isoladas explicadas acima, através da junção p-n pode ser determinada usando a fórmula:

CT = ε. A / Wd

Onde ε é a permissividade dos materiais semicondutores, UMA é o p-n área articular e W é a largura da exaustão.

Como funciona

A operação básica de um diodo varicap ou varator pode ser entendida com a seguinte explicação:

Quando um varator ou diodo varicap com um potencial de polarização reversa crescente é aplicado, ocorre um aumento na largura de depleção do dispositivo, o que, por sua vez, diminui sua capacidade de transição.

A imagem a seguir mostra a resposta das características típicas de um diodo varator.

características do diodo varicap


Podemos ver a queda acentuada inicial na TC em resposta ao aumento do potencial de polarização reversa. Normalmente, a faixa da tensão VR de polarização reversa aplicada 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)norte

Nesta fórmula, K é uma constante determinada pelo tipo de material semicondutor usado e seu design de construção.

VT é o potencial do joelho, como descrito abaixo:

VR é a quantidade de potencial de polarização reversa aplicada ao dispositivo.

norte pode ser 1/2 para diodos varicap com junção de liga e 1/3 para diodos com junções difusas.

Na ausência de uma tensão de polarização ou polarização de tensão zero, a capacitância C (0) em função da VR pode ser expressa através da seguinte fórmula.

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

Circuito Equivalente Varicap

Os símbolos padrão (b) e um circuito equivalente aproximado (a) de um diodo varicap são representados na seguinte imagem:


A figura no 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 (cerca de 1 M Ohms), enquanto o valor de resistência geométrica Rs é bastante pequeno. O valor do CT pode variar entre 2 e 100 pF, dependendo do tipo de varicap usado.

Para garantir que o valor RR seja grande o suficiente para que a corrente de fuga possa ser mínima, Normalmente, um material de silício é selecionado para um diodo varicap.

Como um diodo varicap deve ser usado especificamente em aplicações de frequência extremamente alta, a indutância do LS não pode ser ignorada, por menor que seja, nas nanoenries.

O efeito dessa indutância de aspecto pequeno pode ser bastante significativo e pode ser demonstrado pelo seguinte cálculo de reatância.

XL = 2πfL, vamos imaginar que a frequência será de 10 GHz e LS = 1 nH, será gerada em um XLS = 2πfL = (6,28) (1010 Hz) (10-9 F) = 62,8 ohms. Isso parece muito grande e é sem dúvida o motivo pelo qual os diodos varicap são especificados com um limite de frequência estrito.

Se assumirmos que a faixa de frequência é apropriada e os valores RS, XLS são baixos em comparação com os outros elementos da 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 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 na a capacitância em relação ao potencial de polarização reversa aplicado.

a Figura de mérito Q fornece a faixa de consideração para a implementação do dispositivo para uma aplicação e também é uma razão entre a razão de 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 do relacionamento, 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

Esse fator decide a faixa de aplicação do diodo varicap.

Coeficiente de temperatura da capacitância

Referindo-se ao gráfico acima, o coeficiente de temperatura da capacitância de um diodo varicap pode ser avaliado 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 de polarização reversa específico.

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 alteração na capacitância do diodo varicap, simplesmente substituindo o novo valor de temperatura T1 e o TCC do gráfico (0,013). Por ter o novo VR, você pode esperar que o valor do TCC varie de acordo. Voltando à folha de dados, descobrimos que a frequência máxima alcançada será de 600 MHz.

Usando esse 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 relativamente pequena e é aceitável ignorá-lo.

Aplicação de diodo Varicap

Poucas áreas de aplicação de alta frequência de um varator ou diodo varicap determinados pelas especificações de baixa capacitância são filtros passa-banda ajustáveis, dispositivos automáticos de controle de frequência, amplificadores paramétricos e moduladores de FM.

O exemplo a seguir mostra o diodo varicap implementado em um circuito de sintonia.

O circuito consiste em uma combinação de circuitos de tanque L-C, cuja frequência de ressonância é determinada por:

fp = 1 / 2π√LC'T (um sistema Q alto) que possui 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-circuito L2 na tensão de polarização aplicada.

As frequências previstas do circuito sintonizado subsequentemente podem ser movidas para o amplificador de alta impedância de entrada para amplificação adicional.



FONTE

Nota: Este foi traduzido do Inglês para português (auto)

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