Варикап - Varicap

Варикап диод
Varactor.svg
Внутреннее строение варикапа
ТипПассивный
Конфигурация контактованод и катод
Электронный символ
Варикап symbol.svg

В электроника, а варикап диод, варакторный диод, диод переменной емкости, диод с переменным реактивным сопротивлением или же настроечный диод это тип диод разработан для использования зависимых от напряжения емкость обратного смещения p – n переход.[1] VariCap Диоды также называются варакторными диодами, их внутренняя емкость изменяется в зависимости от приложенного напряжения обратного смещения и обладают переменным реактивным сопротивлением.

Приложения

Варакторы используются как управляемые по напряжению. конденсаторы. Они обычно используются в генераторы, управляемые напряжением, параметрические усилители, и умножители частоты.[2] Генераторы, управляемые напряжением, имеют множество применений, таких как модуляция частоты для FM-передатчиков и петли фазовой автоподстройки частоты. Петли с фазовой синхронизацией используются для синтезаторы частот которые настраивают многие радио, телевизионные наборы, 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 также было зарегистрировано как «Варикап». Полупроводники TRW, преемник Pacific Semiconductors, в октябре 1967 года. Это помогает объяснить различные названия устройства в процессе его использования.[требуется разъяснение ]

Операция

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

Варакторы эксплуатируются в обратный состояние, поэтому через устройство не протекает постоянный ток. Величина обратного смещения определяет толщину зона истощения и, следовательно, емкость перехода варактора. Обычно толщина обедненной области пропорциональна квадратный корень приложенного напряжения, и 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 для использования этого эффекта и увеличения вариации емкости.

На рисунке показан пример поперечного сечения варактора с обедненным слоем, образованным p − n-переходом. Этот слой истощения также может быть выполнен из MOS или Диод Шоттки. Это важно в CMOS и MMIC технологии.

Использование в цепи

Схема настройки

Обычно использование варикапа в цепи требует подключения его к настроенная схема, 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 большей, чем максимальная 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.

Примеры схем с использованием варикапов

Поскольку в варикапе не протекает значительный постоянный ток, номинал резистора, соединяющего его катод обратно с резистором управляющего напряжения постоянного тока, может быть где-то в диапазоне от 22 кОм до 150 кОм, а значение блокирующего конденсатора где-то 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 в уменьшении переменного напряжения на каждом устройстве и имеет симметричное искажение, если переменная составляющая 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, показанная 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 и 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 варикапса с катодным подключением в одном корпусе. В потребительском тюнере AM / FM, изображенном справа, одиночный двухкомпонентный варикап-диод регулирует как полосу пропускания контура резервуара (основной селектор станции), так и гетеродин 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.

Переключение

Специальные типы варикап-диодов, демонстрирующие резкое изменение емкости, часто можно найти в потребительском оборудовании, таком как телевизионные тюнеры, которые используются для переключения трактов радиочастотных сигналов. В состоянии высокой емкости, обычно с низким смещением или без него, они представляют путь с низким импедансом к ВЧ, тогда как при обратном смещении их емкость резко уменьшается, а их ВЧ-импеданс увеличивается. Хотя они по-прежнему имеют небольшую проводимость для радиочастотного тракта, их ослабление снижает нежелательный сигнал до приемлемо низкого уровня. Они часто используются парами для переключения между двумя различными источниками радиочастот, такими как диапазоны VHF и UHF в телевизионном тюнере, путем подачи на них дополнительных напряжений смещения.

Гармоническое умножение

В некоторых приложениях, например гармоническое умножение, переменное напряжение большой амплитуды сигнала прикладывается к варикапу, чтобы намеренно изменять емкость со скоростью сигнала, чтобы генерировать высшие гармоники, 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 до сих пор используется для генерации гораздо более высоких частот, в диапазоне от 100 ГГц до 1 ТГц, где даже самые быстрые транзисторы GaAs все еще не годятся.

Заменители варикап-диодов

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.

Популярные самодельные варикапы включают светодиоды,[5] Выпрямительные диоды серии 1N400X,[6] Выпрямители Шоттки и различные транзисторы с обратным смещением коллектор-база,[7] особенно 2N2222 и BC547.[требуется разъяснение ] Обратное смещение переходов эмиттер-база транзисторов также достаточно 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 имеет указан набор характеристик в отношении емкости перехода (в то время как 1N5408 не имеет) и "Q" у 1N5408 меньше.

До развития варикапа двигался переменные конденсаторы или же реакторы с насыщаемой активной зоной использовались в качестве электрически регулируемых реактивных сопротивлений в ГУН и фильтрах оборудования, такого как Германия времен Второй мировой войны. анализаторы спектра.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Седра, Адель; Смит, Кеннет (2010). Микроэлектронные схемы (6-е изд.). Нью-Йорк: Oxford University Press. п. 214. ISBN  9780195323030.
  2. ^ Калверт, Джеймс (15 февраля 2002 г.). "Варакторы". Домашняя страница доктора Таттла. Получено 23 января 2017.
  3. ^ США 2989671, Барнс, Сэнфорд Х. и Джон Э. Манн, "Чувствительный к напряжению полупроводниковый конденсатор", опубликованный 23 мая 1958 года, выпущенный 20 июня 1961 года, переданный Pacific 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

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

внешняя ссылка