Варикапные диоды: полное руководство для инженеров-электронщиков

Электронные схемы обычно состоят из резисторов, конденсаторов, трансформаторов, диодов, транзисторов и т.д. Теперь мы представим особый тип диода. Варикапные диоды предоставляют полезные применения в электронной промышленности, обеспечивая напряжение-контролируемую емкость. Плюс, они управляют уровнями напряжения в фазовой закрепленной петле (PLL).

Они могут интегрироваться во все типы настройочных схем и частотных ВЧ схем. Давайте посмотрим! Понимание его назначения и операционного процесса может показаться запутанным. Поэтому мы составили это руководство, чтобы помочь вам получить больше знаний по этой конкретной теме.

(Изображение варикапного диода. Источник: Wikimedia Commons)

1. Что такое варикапный диод?

Варикапный (переменная емкость) диод — это уникальный полупроводник, также известный как варикап или настройной диод. Он обеспечивает возможности эксплуатации напряжения-зависимой емкости на p-n переходе устройства в обратном смещении.

2. Типы и применение варикапного диода

Ниже мы обсудим разные типы варикапных диодов. Мы также изучили некоторые применения компонента.

Типы

Гиперабруптный (Hyper abrupt)

Гиперабруптные варикапные диоды обеспечивают более высокую емкость для вариации напряжения. Они также работают с низким напряжением.

Абруптный (Abrupt)

Самый распространенный тип, абруптные варикапные диоды, состоят из постоянной концентрации легирования. В этом случае его переход проходит профиль легирования, контролируемый в процессе производства. Кроме того, емкость остается обратно пропорциональной получаемому напряжению.

Применение

ВЧ фильтры (RF filters):

Реальные варикапные диоды также могут обеспечивать возможности настройки фильтров. Это соответственно включает реализацию отслеживающих приемников во входных цепях, позволяя им контролировать входящие сигналы. Затем управляемое напряжение регулирует эту функциональность через цифро-аналоговый преобразователь.

Напряжение-контролируемые генераторы (VCO):

Различные ВЧ конфигурации включают напряжение-контролируемые генераторы с варикапным диодом, особенно критически важный компонент. Первичная операция генераторов особенно включает фазово-закрепленные петли. По этой причине они предоставляют применения для частотных синтезаторов или FM демадуляторов.

(Синтезаторы содержат VCO, использующий варикапный диод)

Частотные и фазовые модуляторы также используют варикапные диоды. Частотные модуляторы обычно интегрируют их через электрический резонанс в генераторе, позволяя диоду получать аудио. В результате емкость будет соответствовать аудио. Это заставляет частотный сигнал двигаться вверх и вниз, соответствующее вариациям емкости при тех обстоятельствах.

В фазовых модуляторах варикапный диод включается в сеть сдвига фазы, в которой течет частотный сигнал. Диод получает аудио, вызывая фазу синхронизироваться с аудиовариациями.

3. Принцип работы варикапного диода

Схема варикапного диода:

(Изображение варикапного диода на схеме. Источник: Wikimedia Commons)

Символ варикапного диода на схеме:

Посмотрев на символ варикапного диода ниже, вы увидите, что он содержит похожие характеристики, как PN-переходный диод. Это потому, что варикапный диод имеет анодный и катодный терминалы. Вы найдете диод, позиционированный на одном конце символа. В то же время противоположный конец содержит две параллельные линии для символизации проводящих пластин конденсатора. Наконец, пространство между этими двумя пластинами представляет изолирующий диэлектрик.

(Символ варикапного диода. Источник: Wikimedia Commons)

Формула:

Три параметра влияют на емкость варикапного диода. Они включают площадь поперечного сечения PN перехода (A), диэлектрическую проницаемость полупроводника (Ɛ) и ширину области обеднения (d). Например, вы найдете это представленным в формуле ниже:

Принцип работы:

Нам нужно посмотреть на конденсатор, чтобы понять принцип работы варикапного диода. Конденсаторы обычно содержат две проводящие металлические пластины с изолирующим диэлектриком, помещенным между ними. P-тип и N-тип области варикапного диода служат проводящими пластинами, а область обеднения представляет диэлектрик. Из-за его похожего построения и дизайна, как у конденсатора, диод производит емкость.

(Варикапный диод содержит похожие черты, как конденсатор)

Емкость увеличивается, если диэлектрическая постоянная возрастает или обе пластины имеют меньшее расстояние между ними. Однако большее расстояние между двумя или убывающая диэлектрическая постоянная приводит к уменьшению емкости. В то же время емкость варикапного диода пропорциональна поперечному сечению перехода. И она обратно пропорциональна ширине области обеднения. Таким образом, изменения емкости происходят из-за регулировки ширины области обеднения.

Следовательно, варикапный диод в обратном смещении, как следствие, вызовет изменения области обеднения. Для начинающих, область расширится, как только обратное смещение увеличится. В результате пространство между N-типом и P-типом вырастет, что уменьшит емкость. Уменьшение обратного смещения вызовет сжатие области обеднения. В результате расстояние между обеими N-тип и P-тип областями сократится, увеличивая емкость. Поэтому приложение разных напряжений обратного смещения на варикапный диод меняет емкость.

(Изображение демонстрирующее эффекты увеличения и уменьшения емкости. Источник: Wikimedia Commons)

Базовая операция:

Варикапный диод по сути накапливает электрический заряд. В этом случае эти компоненты обычно функционируют в обратном смещении. Приложение напряжения обратного смещения вызовет разделение электронов n-области и дыр p-области от перехода устройства.

4. Эквивалентная схема варикапного диода

Варикапный диод обычно содержит несколько основных компонентов, которые могут помочь при проектировании эквивалентной схемы диода.

Разные паразитные элементы включают:

• Rs (V): Это служит последовательным сопротивлением для диода. Оно отличается в зависимости от полученного напряжения.
• CJ (V): Аспект, используемый здесь, показывает переменную емкость перехода. Он также служит первичным элементом диода.
• LP: Соединительные провода в варикапном диоде вызывают увеличение последовательной емкости.
• CP: Это представляет паразитную емкость. Соединение проводов в диоде вызовет увеличение паразитной емкости вокруг его перехода.

5. Температурный коэффициент конденсатора

Вы можете рассчитать температурный коэффициент емкости варикапного диода с формулой ниже:

Значение ΔC представляет изменения емкости устройства из-за вариаций температуры (T1 – T0) во время обратного смещения. Например, мы посмотрим на значение, где C₀ эквивалентно 29 пФ с VR 3В и T₀ при 25. Затем мы рассчитываем изменения емкости варикапного диода. С значением VR, TC_C будет варьироваться. В результате максимальная частота устанавливается на 600 МГц. Затем вы можете рассчитать реактивность варикапного диода формулой:

Заключение

Как мы уже знаем, варикапные диоды служат полезным компонентом на электронных и ВЧ схемах. Кроме того, это устройство содержит похожие черты, как конденсатор, демонстрируя, как оно увеличивает или уменьшает емкость через вариацию напряжения обратного смещения. Мы также посмотрели на некоторые из его применений, включая ВЧ фильтры, VCO и частотные и фазовые модуляторы. Обычно существует два типа варикапных диодов сегодня, абруптные и гиперабруптные. Каждый служит своей уникальной цели для емкости.

Есть вопросы по варикапному диоду? Свободно обращайтесь к нам!