Une diode varactor, également appelée varicap, VVC (capacitance variable en tension, ou diode d'accord, est un type de diode semi-conductrice qui présente une capacité variable dépendante de la tension sur sa jonction p-n lorsque le dispositif est polarisé en inverse.
La polarisation inverse signifie essentiellement lorsque la diode est soumise à une tension opposée, c'est-à-dire une tension positive à la cathode et négative à l'anode.
Le fonctionnement d'une diode varactor dépend de la capacité existante sur la jonction p-n de la diode lorsqu'elle est en mode polarisé inversé.
Dans cette condition, nous trouvons une région de charges non couvertes en cours d'établissement à travers les p-n côtés de la jonction, qui aboutissent ensemble à une région d'appauvrissement à travers la jonction.
Cette région d'épuisement établit le largeur d'épuisement dans l'appareil, symbolisé par Wd.
La transition de la capacité due aux charges non couvertes isolées expliquées ci-dessus, à travers la jonction p-n peut être déterminée en utilisant la formule:
CT = e. A / Wd
où e est la permittivité des matériaux semi-conducteurs, À est le p-n zone de jonction et W ré est la largeur d'épuisement.
Comment ça fonctionne
Le fonctionnement de base d'un varicap ou d'une diode varactor peut être compris avec l'explication suivante:
Lorsqu'une diode varactor ou varicap est appliquée avec un potentiel de polarisation inverse croissant, il en résulte une augmentation de la largeur d'appauvrissement du dispositif, ce qui entraîne à son tour une diminution de sa capacité de transition.
L'image suivante montre la réponse caractéristique typique d'une diode varactor.
Nous pouvons voir la forte baisse initiale du TC en réponse à l'augmentation du potentiel de polarisation inverse. Normalement, la plage de tension de polarisation inverse appliquée VR pour une diode à capacité de tension variable est limitée à 20 V.
En ce qui concerne la tension de polarisation inverse appliquée, la capacité de transition peut être approximée en utilisant la formule:
CT = K / (VT + VR) n
Dans cette formule, K est une constante déterminée par le type de matériau semi-conducteur utilisé et sa disposition de construction.
VT est le potentiel du genou , comme décrit ci-dessous:
VR est la quantité de potentiel de polarisation inverse appliquée sur l'appareil.
n peut avoir la valeur 1/2 pour les diodes varicap utilisant la jonction d'alliage et 1/3 pour les diodes utilisant les jonctions diffuses.
En l'absence d'une tension de polarisation ou à une polarisation de tension nulle, la capacité C (0) en fonction de VR peut être exprimée par la formule suivante.
CT (VR) = C (0) / (1 + | VR / VT |) n
Circuit équivalent Varicap
Les symboles standard (b) et un circuit approximatif équivalent (a) d'une diode varicap sont représentés dans l'image suivante:
La figure de droite fournit un circuit de simulation approximatif pour une diode varicap.
Étant une diode et dans la région polarisée en inverse, la résistance dans le circuit équivalent RR est montrée significativement grande (environ 1 M Ohms), tandis que la valeur de résistance géométrique Rs est assez petite. La valeur de CT peut varier entre 2 et 100 pF selon le type de varicap utilisé.
Afin de s'assurer que la valeur RR est suffisamment grande, pour que le courant de fuite puisse être minimum, un matériau en silicium est normalement choisi pour une diode varicap.
Puisqu'une diode varicap est censée être spécifiquement utilisée dans des applications à très haute fréquence, l'inductance LS ne peut pas être ignorée même si elle peut paraître petite, dans les nanohenries.
L'effet de cette petite inductance peut être assez important et peut être prouvé par ce qui suit calcul de réactance .
XL = 2πfL, imaginons que la fréquence à 10 GHz, et LS = 1 nH, générera dans un XLS = 2πfL = (6,28) (10dixHz) (10-9F) = 62,8 Ohms. Cela semble trop gros, et c'est sans aucun doute la raison pour laquelle les diodes varicap sont spécifiées avec une limite de fréquence stricte.
Si nous supposons que la plage de fréquences est appropriée et que les valeurs de RS, XLS sont faibles par rapport aux autres éléments de la série, le circuit équivalent indiqué ci-dessus pourrait être simplement remplacé par un condensateur variable.
Comprendre la fiche technique d'une diode Varicap ou Varactor
La fiche technique complète d'une diode varicap typique peut être étudiée à partir de la figure suivante:
Le rapport de C3 / C25 dans la figure ci-dessus, montre le rapport du niveau de capacité lorsque la diode est appliquée avec un potentiel de polarisation inverse entre 3 et 25 V.Le rapport nous aide à obtenir une référence rapide concernant le niveau de changement dans le capacité par rapport au potentiel de polarisation inverse appliqué.
Le symbole de mérite Q fournit la plage de considération pour la mise en œuvre du dispositif pour une application, et c'est aussi un taux du rapport de l'énergie stockée par le dispositif capacitif par cycle à l'énergie perdue ou dissipée par cycle.
La perte d'énergie étant principalement considérée comme un attribut négatif, plus la valeur relative du rapport est élevée, mieux c'est.
Un autre aspect de la fiche technique est la fréquence de résonance d'une diode varicap. Et cela est déterminé par la formule:
fo = 1 / 2π√LC
Ce facteur décide de la plage d'application de la diode varicap.
Coefficient de température de capacité
En se référant au graphique ci-dessus, le coefficient de température de capacité d'une diode varicap peut être évaluée à l'aide de la formule suivante:
où ΔC signifie les variations de la capacité du dispositif dues au changement de température représenté par (T1 - T0), pour un potentiel de polarisation inverse spécifique.
Dans la fiche technique ci-dessus, par exemple, il montre C0 = 29 pF avec VR = 3 V et T0 = 25 degrés Celsius.
En utilisant les données ci-dessus, nous pouvons évaluer le changement de capacité de la diode varicap, simplement en remplaçant la nouvelle valeur des températures T1 et le TCC du graphique (0,013). Avec le nouveau VR, on peut s'attendre à ce que la valeur TCC varie en conséquence. En nous référant à la fiche technique, nous constatons que la fréquence maximale atteinte sera de 600 MHz.
En utilisant cette valeur de fréquence, la réactance XL de la varicap peut être calculée comme:
XL = 2πfL = (6,28) (600 x 10dixHz) (2,5 x 10-9F) = 9,42 Ohms
Le résultat est une grandeur qui est relativement petite et il est acceptable de l'ignorer.
Application de la diode Varicap
Peu de domaines d'application haute fréquence d'une diode varactor ou varicap déterminés par des spécifications de faible capacité sont les filtres passe-bande réglables, les dispositifs de contrôle automatique de fréquence, les amplificateurs paramétriques et les modulateurs FM.
L'exemple ci-dessous montre une diode varicap implémentée dans un circuit d'accord.
Le circuit se compose d'une combinaison de circuits de réservoir L-C, dont la fréquence de résonance est déterminée par:
fp = 1 / 2π√LC'T (un système à Q élevé) ayant un niveau C'T = CT + Cc, établi par le potentiel de polarisation inverse VDD appliqué.
Le condensateur de couplage CC assure la protection requise contre la tendance au court-circuit de L2 la tension de polarisation appliquée.
Les fréquences prévues du circuit accordé sont ensuite autorisées à se déplacer vers l'amplificateur à impédance d'entrée élevée pour l'amplification supplémentaire.
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