Un diodo varactor, también llamado varicap, VVC (capacitancia variable de voltaje, o diodo de sintonización, es un tipo de diodo semiconductor que presenta una capacitancia variable dependiente del voltaje en su unión p-n cuando el dispositivo está polarizado de manera inversa.
La polarización inversa básicamente significa cuando el diodo está sujeto a un voltaje opuesto, es decir, un voltaje positivo en el cátodo y negativo en el ánodo.
La forma en que funciona un diodo varactor depende de la capacitancia existente en la unión p-n del diodo mientras está en un modo polarizado inverso.
En esta condición, encontramos una región de cargas descubiertas que se establecen a lo largo de los lados p-n de la unión, que juntos dan como resultado una región de agotamiento a través de la unión.
Esta región de agotamiento establece la ancho de agotamiento en el dispositivo, simbolizado como Wd.
La transición en la capacitancia debido a las cargas aisladas descubiertas explicadas anteriormente, a través de la unión p-n se puede determinar usando la fórmula:
CT = e. A / Wd
dónde mi es la permitividad de los materiales semiconductores, A es el p-n área de unión y W D es el ancho de agotamiento.
Cómo funciona
El funcionamiento básico de un diodo varicap o varactor se puede entender con la siguiente explicación:
Cuando se aplica un varactor o diodo varicap con un potencial de polarización inversa creciente, se produce un aumento en el ancho de agotamiento del dispositivo, lo que a su vez hace que disminuya su capacitancia de transición.
La siguiente imagen muestra la respuesta de características típicas de un diodo varactor.
Podemos ver la abrupta caída inicial en CT en respuesta al aumento del potencial de polarización inversa. Normalmente, el rango para el voltaje de polarización inversa aplicado VR para un diodo de capacitancia de voltaje variable está restringido a 20 V.
Con respecto al voltaje de polarización inversa aplicado, la capacitancia de transición se puede aproximar usando la fórmula:
CT = K / (VT + VR) norte
En esta fórmula, K es una constante determinada por el tipo de material semiconductor utilizado y su diseño de construcción.
VT es el potencial de rodilla , como se describe abajo:
VR es la cantidad de potencial de polarización inversa aplicada al dispositivo.
norte puede tener el valor 1/2 para diodos varicap que utilizan uniones de aleación y 1/3 para diodos que utilizan uniones difusas.
En ausencia de un voltaje de polarización o con una polarización de voltaje cero, la capacitancia C (0) como función de VR se puede expresar mediante la siguiente fórmula.
CT (VR) = C (0) / (1 + | VR / VT |) norte
Circuito equivalente Varicap
Los símbolos estándar (b) y un circuito aproximado equivalente (a) de un diodo varicap se representan en la siguiente imagen:
La figura del lado derecho proporciona un circuito de simulación aproximado para un diodo varicap.
Al ser un diodo y en la región de polarización inversa, la resistencia en el circuito equivalente RR se muestra significativamente grande (alrededor de 1 M ohmios), mientras que el valor de resistencia geométrica Rs es bastante pequeño. El valor de CT puede variar entre 2 y 100 pF según el tipo de varicap utilizado.
Para asegurarse de que el valor RR sea lo suficientemente grande, de modo que la corriente de fuga pueda ser mínima, normalmente se selecciona un material de silicio para un diodo varicap.
Dado que se supone que un diodo varicap se usa específicamente en aplicaciones de frecuencia extremadamente alta, la inductancia LS no se puede ignorar aunque parezca pequeña, en nanohenries.
El efecto de esta pequeña inductancia de aspecto puede ser bastante significativo y se puede probar a través de lo siguiente cálculo de reactancia .
XL = 2πfL, imaginemos que la frecuencia es de 10 GHz, y LS = 1 nH, se generará en un XLS = 2πfL = (6.28) (1010Hz) (10-9F) = 62,8 ohmios. Esto parece demasiado grande, y sin duda es por eso que los diodos varicap se especifican con un límite de frecuencia estricto.
Si suponemos que el rango de frecuencia es apropiado y los valores de RS, XLS son bajos en comparación con los otros elementos de la serie, el circuito equivalente indicado anteriormente podría simplemente reemplazarse con un condensador variable.
Comprensión de la hoja de datos de un diodo varicap o varactor
La hoja de datos completa de un diodo varicap típico se puede estudiar en la siguiente figura:
La relación de C3 / C25 en la figura anterior, demuestra la relación del nivel de capacitancia cuando el diodo se aplica con un potencial de polarización inversa entre 3 y 25 V. La relación nos ayuda a obtener una referencia rápida con respecto al nivel de cambio en el capacitancia con respecto al potencial de polarización inversa aplicado.
los figura de mérito Q proporciona el rango de consideración para implementar el dispositivo para una aplicación, y también es una tasa de la relación entre la energía almacenada por el dispositivo capacitivo por ciclo y la energía perdida o disipada por ciclo.
Dado que la pérdida de energía se considera principalmente como un atributo negativo, cuanto mayor sea el valor relativo de la relación, mejor.
Otro aspecto de la hoja de datos es la frecuencia de resonancia de un diodo varicap. Y esto está determinado por la fórmula:
fo = 1 / 2π√LC
Este factor decide el rango de aplicación del diodo varicap.
Coeficiente de temperatura de capacitancia
Refiriéndose al gráfico anterior, el coeficiente de temperatura de capacitancia de un diodo varicap se puede evaluar utilizando la siguiente fórmula:
donde ΔC significa las variaciones en la capacitancia del dispositivo debido al cambio de temperatura representado por (T1 - T0), para un potencial de polarización inversa específico.
En la hoja de datos anterior, por ejemplo, muestra C0 = 29 pF con VR = 3 V y T0 = 25 grados Celsius.
Usando los datos anteriores, podemos evaluar el cambio en la capacitancia del diodo varicap, simplemente sustituyendo el nuevo valor de temperatura T1 y el TCC del gráfico (0.013). Teniendo el nuevo VR, se puede esperar que el valor de TCC varíe en consecuencia. Volviendo a la hoja de datos, encontramos que la frecuencia máxima alcanzada será de 600 MHz.
Usando este valor de frecuencia, la reactancia XL del varicap se puede calcular como:
XL = 2πfL = (6.28) (600 x 1010Hz) (2,5 x 10-9F) = 9,42 ohmios
El resultado es una magnitud relativamente pequeña y es aceptable ignorarla.
Aplicación del diodo Varicap
Pocas de las áreas de aplicación de alta frecuencia de un varactor o diodo varicap determinadas por especificaciones de baja capacitancia son filtros de paso de banda ajustables, dispositivos de control automático de frecuencia, amplificadores paramétricos y moduladores de FM.
El siguiente ejemplo muestra un diodo varicap implementado en un circuito de sintonización.
El circuito consta de una combinación de circuitos de tanque L-C, cuya frecuencia de resonancia está determinada por:
fp = 1 / 2π√LC'T (un sistema de Q alto) que tiene un nivel C'T = CT + Cc, establecido por el potencial de polarización inversa aplicado VDD.
El condensador de acoplamiento CC asegura la protección requerida contra la tendencia de cortocircuito de L2, la tensión de polarización aplicada.
Posteriormente, se permite que las frecuencias previstas del circuito sintonizado se muevan al amplificador de impedancia de entrada alta para la amplificación adicional.
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