Из Википедии, свободной энциклопедии
  (Перенаправлен с варакторного диода )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Варикап диод
Varactor.svg
Внутреннее строение варикапа
ТипПассивный
Изобрел1961 г.
Конфигурация контактованод и катод
Электронный символ
Варикап symbol.svg

В электронике , в варикапа диода , варакторного диода , переменной емкости диода , переменного диода реактивного сопротивления или настройки диода представляет собой тип диода предназначен для использования на напряжения в зависимости от емкости обратного-смещенного р-п - перехода . [1]

Приложения [ править ]

Варакторы используются как конденсаторы с регулируемым напряжением . Они обычно используются в генераторах , управляемых напряжением , параметрических усилителях и умножителях частоты . [2] Генераторы, управляемые напряжением, имеют множество применений, таких как частотная модуляция для FM-передатчиков и контуров фазовой автоподстройки частоты . Контуры фазовой автоподстройки частоты используются в синтезаторах частот, которые настраивают многие радиоприемники, телевизоры и сотовые телефоны .

Варикап был разработан дочерней компанией Pacific Semiconductor Ramo Wooldridge Corporation, которая получила патент на устройство в июне 1961 года. [3] Название устройства было также зарегистрировано как «Варикап» компанией TRW Semiconductors , преемником Pacific Semiconductors, в Октябрь 1967 г. Это помогает объяснить различные названия устройства в момент его использования. [ требуется разъяснение ]

Операция [ править ]

Операция варикапа. Отверстия синие, электроны красные, зона истощения белая. Электроды находятся вверху и внизу.

Варакторы работают в режиме обратного смещения , поэтому через устройство не протекает постоянный ток. Величина обратного смещения контролирует толщину обедненной зоны и, следовательно, емкость перехода варактора. Обычно толщина обедненной области пропорциональна квадратному корню из приложенного напряжения, а емкость обратно пропорциональна толщине обедненной области. Таким образом, емкость обратно пропорциональна корню квадратному из приложенного напряжения.

Все диоды демонстрируют эту переменную емкость перехода, но варакторы производятся так, чтобы использовать этот эффект и увеличивать изменение емкости.

На рисунке показан пример поперечного сечения варактора с обедненным слоем, образованным p – n переходом. Этот обедненный слой также может быть выполнен из МОП- диода или диода Шоттки . Это важно в технологиях CMOS и MMIC .

Использование в цепи [ править ]

Схема настройки [ править ]

Как правило, использование варикапа в цепи требует подключения его к настроенной цепи , обычно параллельно с любой существующей емкостью или индуктивностью. [4] Напряжение постоянного тока подается в качестве обратного смещения на варикап, чтобы изменить его емкость. Напряжение смещения постоянного тока должно быть заблокировано от попадания в настроенную цепь. Это может быть достигнуто путем размещения блокирующего конденсатора постоянного тока с емкостью, примерно в 100 раз превышающей максимальную емкость диода варикапа, последовательно с ним и путем подачи постоянного тока от источника с высоким импедансом к узлу между катодом варикапа и блокирующим конденсатором, как показано в верхнем левом углу прилагаемой схемы.

Поскольку в варикапе не протекает значительный постоянный ток, значение резистора, соединяющего его катод обратно с резистором управляющего напряжения постоянного тока, может быть где-то в диапазоне от 22 кОм до 150 кОм, а номинал блокирующего конденсатора - в диапазоне 5–100 нФ. . Иногда в настроенных схемах с очень высокой добротностью катушка индуктивности включается последовательно с резистором, чтобы увеличить полное сопротивление источника управляющего напряжения, чтобы не нагружать настроенную схему и не уменьшать ее добротность.

В другой распространенной конфигурации используются два последовательно соединенных (анод-анод) варикап-диода. (См. Нижнюю левую цепь на схеме.) Второй варикап эффективно заменяет блокирующий конденсатор в первой цепи. Это уменьшает общую емкость и диапазон емкостей вдвое, но имеет преимущество уменьшения составляющей переменного напряжения на каждом устройстве и имеет симметричное искажение, если составляющая переменного тока имеет достаточную амплитуду для смещения варикапов в прямую проводимость.

При разработке схем настройки с варикапами обычно рекомендуется поддерживать переменную составляющую напряжения на варикапе на минимальном уровне, обычно менее 100 мВ от пика до пика, чтобы предотвратить слишком сильное изменение емкости диода, которое могло бы исказить сигнал и добавить гармоники.

Третья схема, расположенная вверху справа на схеме, использует два последовательно соединенных варикапа и отдельные соединения заземления сигналов постоянного и переменного тока. Заземление постоянного тока показано как традиционный символ заземления, а заземление переменного тока - как открытый треугольник. Разделение заземлений часто выполняется для (i) предотвращения высокочастотного излучения от низкочастотного узла заземления и (ii) предотвращения постоянного тока в узле заземления переменного тока, изменяющего смещение и рабочие точки активных устройств, таких как варикапы и транзисторы.

Эти конфигурации схем довольно распространены в телевизионных тюнерах и радиовещательных AM- и FM-приемниках с электронной настройкой, а также в другом коммуникационном и промышленном оборудовании. Ранние варикап-диоды обычно требовали диапазона обратного напряжения 0–33 В для получения их полных диапазонов емкости, которые все еще были довольно небольшими, примерно 1–10 пФ. Эти типы были и до сих пор широко используются в телевизионных тюнерах, чьи высокие несущие частоты требуют лишь небольших изменений емкости.

Со временем были разработаны варикап-диоды, которые демонстрировали большие диапазоны емкости, 100–500 пФ, с относительно небольшими изменениями обратного смещения: 0–5 В или 0–12 В. Эти новые устройства позволяют также реализовать радиовещательные AM-приемники с электронной настройкой. как множество других функций, требующих больших изменений емкости на более низких частотах, обычно ниже 10 МГц. Некоторые конструкции считывателей электронных бирок безопасности, используемых в торговых точках, требуют наличия варикапов с высокой емкостью в генераторах, управляемых напряжением.

Телевизионный тюнер диапазона I-III-U австралийского рынка с выделенными варикапами
Потребительский радиовещательный тюнер AM-FM с выделенными варикапами

Трехвыводные устройства, изображенные в верхней части страницы, обычно представляют собой два обычных варикапа, подключенных к катоду, в одном корпусе. В потребительском AM / FM-тюнере, изображенном справа, один двухкомпонентный варикап-диод регулирует как полосу пропускания контура резервуара (основной селектор станции), так и гетеродина.с одним варикапом для каждого. Это сделано для снижения затрат - можно было использовать два сдвоенных блока, один для резервуара и один для генератора, всего четыре диода, и это то, что было изображено в данных приложения для радиочипа LA1851N AM. Два сдвоенных варактора с меньшей емкостью, используемые в секции FM (которая работает с частотой примерно в сто раз большей), выделены красными стрелками. В этом случае используются четыре диода через двойной корпус для резервуарного / полосового фильтра и двойной корпус для гетеродина.


Гармоническое умножение [ править ]

В некоторых приложениях, таких как умножение гармоник , переменное напряжение большой амплитуды сигнала прикладывается к варикапу для преднамеренного изменения емкости со скоростью сигнала для генерации более высоких гармоник, которые извлекаются посредством фильтрации. Если через варикап подается синусоидальный ток достаточной амплитуды, результирующее напряжение приобретает «пик» треугольной формы и генерируются нечетные гармоники.

Это был один из первых методов, используемых для генерации микроволновых частот умеренной мощности, 1-2 ГГц при 1-5 Вт, примерно от 20 Вт на частоте 3–400 МГц до того, как были разработаны соответствующие транзисторы для работы на этой более высокой частоте. Этот метод все еще используется для генерации гораздо более высоких частот, в диапазоне 100 ГГц - 1 ТГц, где даже самые быстрые транзисторы GaAs все еще не годятся.

Заменители варикапа [ править ]

Все устройства с полупроводниковыми соединениями демонстрируют этот эффект, поэтому их можно использовать в качестве варикапов, но их характеристики не будут контролироваться и могут сильно различаться между партиями.

Популярная Варикапы самодельных включают в себя светодиоды, [5] 1N400x серии выпрямительных диодов, [6] Шоттки выпрямители и различные транзисторы , используемые с их коллекторных база переходов смещен в обратном направлении, [7] в частности, 2N2222 и BC547 . [ требуется пояснение ] Обратное смещение переходов эмиттер-база транзисторов также весьма эффективно, пока амплитуда переменного тока остается небольшой. Максимальное напряжение обратного смещения обычно составляет от 5 до 7 В до того, как начнется лавинный процесс. Сильноточные устройства с большей площадью перехода обычно обладают более высокой емкостью. Варикап Philips BA 102 и обычный стабилитрон 1N5408, демонстрируют аналогичные изменения в емкости перехода, за исключением того, что BA 102 обладает определенным набором характеристик по отношению к емкости перехода (тогда как 1N5408 не имеет), а «Q» 1N5408 меньше.

До разработки варикапа переменные конденсаторы с приводом от двигателя или реакторы с насыщаемым сердечником использовались в качестве электрически управляемых реактивных сопротивлений в ГУН и фильтрах оборудования, такого как немецкие анализаторы спектра времен Второй мировой войны .

См. Также [ править ]

  • Гетероструктурные барьерные варакторы - это симметричные полупроводниковые приборы с переменной емкостью.
  • Сегнетоэлектрические конденсаторы имеют переменную емкость из-за эффектов гистерезиса.
  • Диффузионная емкость

Ссылки [ править ]

  1. ^ Седра, Адель ; Смит, Кеннет (2010). Микроэлектронные схемы (6-е изд.). Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета . п. 214. ISBN 9780195323030.
  2. ↑ Калверт, Джеймс (15 февраля 2002 г.). «Варакторы» . Домашняя страница доктора Таттла . Проверено 23 января 2017 года .
  3. ^ США 2989671 , Barnes, Sanford H. & John E. Манн, "Voltage чувствительных полупроводниковый конденсатор", опубликованный 23 мая 1958, выданный 20 июня 1961, назначены Пасифики Semiconductors, Inc. 
  4. ^ Схемы Varactor http://www.radio-electronics.com/info/data/semicond/varactor-varicap-diodes/circuits.php
  5. ^ Светодиоды как варикапы http://www.hanssummers.com/varicap/varicapled.html
  6. ^ Выпрямительные диоды как варикапы http://www.hanssummers.com/varicap/varicapdiode.html
  7. ^ Джон Линсли Худ (1993). Искусство линейной электроники . Эльзевир. п. 210. ISBN 978-1-4831-0516-1.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Мортенсон, Кеннет Э. (1974). Диоды переменной емкости: работа и характеристика варакторов, аккумуляторов заряда и PIN-диодов для ВЧ- и СВЧ-приложений . Дедхэм, Массачусетс: Artech House.
  • Пенфилд, Пол и Рафуз, Роберт П. (1962). Приложения Varactor. Кембридж, MIT Press.

Внешние ссылки [ править ]

  • Обучение путем моделирования Расчет характеристик варакторного диода для различных профилей легирования
  • [1] Бесступенчатый ГУН ПЧ: Часть 1: Соображения по конструкции от Maxim.
  • Основы варакторного диода с советами по дизайну