Um diodo varactor, também chamado varicap, VVC (capacitância variável de voltagem ou diodo de sintonia, é um tipo de diodo semicondutor que apresenta uma capacitância dependente de voltagem variável em sua junção p-n quando o dispositivo é polarizado reversamente.
A polarização reversa significa basicamente quando o diodo é submetido a uma voltagem oposta, ou seja, uma voltagem positiva no cátodo e negativa no ânodo.
A forma como um diodo varator opera depende da capacitância existente na junção p-n do diodo enquanto ele está em um modo de polarização reversa.
Nesta condição, encontramos uma região de cargas descobertas sendo estabelecidas ao longo dos lados p-n da junção, que juntas resultam em uma região de esgotamento através da junção.
Esta região de esgotamento estabelece o largura de depleção no dispositivo, simbolizado como Wd.
A transição na capacitância devido às cargas descobertas isoladas explicadas acima, através da junção p-n pode ser determinada usando a fórmula:
CT = e. A / Wd
Onde e é a permissividade dos materiais semicondutores, PARA é o p-n área de junção e W d é a largura de depleção.
Como funciona
O funcionamento básico de um varicapa ou um diodo varator pode ser entendido com a seguinte explicação:
Quando um varator ou diodo varicap é aplicado com um potencial de polarização reversa crescente, resulta em um aumento na largura de depleção do dispositivo, o 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 varator.
Podemos ver a queda inicial abrupta na TC 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.
No que diz respeito 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 de joelho , como 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) como a 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 é mostrada significativamente grande (cerca de 1M Ohms), enquanto o valor da resistência geométrica Rs é bem pequeno. O valor de CT pode variar entre 2 e 100 pF dependendo do tipo de varicapa usado.
A fim de se certificar de que o valor RR é suficientemente grande, de modo que a corrente de fuga possa ser mínima, um material de silício é normalmente selecionado para um diodo varicap.
Visto que um diodo varicap deve ser usado especificamente em aplicações de frequência extremamente alta, a indutância LS não pode ser ignorada, mesmo que possa parecer pequena, em nanohenries.
O efeito desta pequena indutância pode ser bastante significativo e pode ser provado através do seguinte cálculo de reatância .
XL = 2πfL, vamos imaginar, a frequência a 10 GHz, e LS = 1 nH, irá gerar em um XLS = 2πfL = (6,28) (1010Hz) (10-9F) = 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 supormos que a faixa de frequência seja apropriada e os valores de RS, XLS sejam baixos em comparação com os outros elementos da série, o circuito equivalente indicado acima poderia ser simplesmente substituído por um capacitor variável.
Noções básicas sobre 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 seguinte figura:
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 a 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 de energia armazenada pelo dispositivo capacitivo por ciclo para a energia perdida ou dissipada por ciclo.
Uma vez que a perda de energia é geralmente considerada um atributo negativo, quanto maior o valor relativo da razão, melhor.
Outro aspecto na folha de dados é a frequência de ressonância 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 capacitância de temperatura de um diodo varicap pode ser avaliado usando a seguinte fórmula:
onde ΔC significa as variações na capacitância do dispositivo devido à mudança na temperatura representada por (T1 - T0), para um potencial de polarização reversa específico.
Na folha de dados acima, por exemplo, ela 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 valor das novas temperaturas T1 e o TCC do gráfico (0,013). Tendo o novo VR, o valor de TCC pode variar em conformidade. Voltando à ficha técnica, 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 1010Hz) (2,5 x 10-9F) = 9,42 Ohms
O resultado é uma magnitude relativamente pequena e é aceitável ignorá-la.
Aplicação do Diodo Varicap
Poucas áreas de aplicação de alta frequência de um varactor ou diodo 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 tanque L-C, cuja frequência ressonante é determinada por:
fp = 1 / 2π√LC'T (um sistema de Q alto) tendo um nível C'T = CT + Cc, estabelecido pelo VDD de potencial de polarização reversa aplicado.
O capacitor de acoplamento CC garante a proteção necessária contra a tendência de curto de L2 a tensão de polarização aplicada.
As frequências pretendidas do circuito sintonizado são subsequentemente permitidas para mover para o amplificador de alta impedância de entrada para a amplificação posterior.
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