Warikap
 Budowa wewnętrzna żylaka
| |
| Typ | Bierny |
|---|---|
| Wynaleziony | 1961 |
| Konfiguracja pinów | anoda i katoda |
| Symbol elektroniczny | |
_8.5.2.a.svg) _8.5.2.b.svg)
| |
W elektronice dioda varicap , dioda waraktorowa , dioda o zmiennej pojemności , dioda o zmiennej reaktancji lub dioda dostrajająca jest rodzajem diody zaprojektowanej do wykorzystania zależnej od napięcia pojemności złącza p – n spolaryzowanego zaporowo .
Aplikacje
kondensatory sterowane napięciem . Są powszechnie stosowane w oscylatorach sterowanych napięciem , wzmacniaczach parametrycznych i mnożnikach częstotliwości . Oscylatory sterowane napięciem mają wiele zastosowań, takich jak modulacja częstotliwości dla nadajników FM i pętle synchronizacji fazowej . Pętle synchronizacji fazowej są używane w syntezatorach częstotliwości , które dostrajają wiele odbiorników radiowych, telewizorów i telefonów komórkowych .
Warikap został opracowany przez spółkę zależną Pacific Semiconductor należącą do Ramo Wooldridge Corporation, która otrzymała patent na to urządzenie w czerwcu 1961 r. Nazwa urządzenia została również zarejestrowana jako „Varicap” przez firmę TRW Semiconductors , następcę Pacific Semiconductors, w październiku 1967 r. Pomaga to wyjaśnić różne nazwy urządzenia w momencie jego użycia. [ wymagane wyjaśnienie ]
Operacja
Waraktory działają w stanie spolaryzowanym zaporowo , więc przez urządzenie nie przepływa prąd stały. Wielkość polaryzacji wstecznej kontroluje grubość strefy zubożenia , a tym samym pojemność złącza waraktora. Charakterystyka zmiany pojemności zależy od profilu domieszkowania. Ogólnie rzecz biorąc, w przypadku nagłego profilu złącza grubość obszaru zubożenia jest proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego przyłożonego napięcia, a pojemność jest odwrotnie proporcjonalna do grubości obszaru zubożenia. Zatem pojemność jest odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego przyłożonego napięcia. W przypadku hipergwałtownej zmiany pojemności profilu złącza jest bardziej nieliniowa, ale hipergwałtowne żylaki mają większą zmienność pojemności i mogą pracować przy niższych napięciach.
Wszystkie diody wykazują tę zmienną pojemność złącza, ale waraktory są produkowane w celu wykorzystania efektu i zwiększenia zmienności pojemności.
Na rysunku przedstawiono przykładowy przekrój waraktora z warstwą zubożoną utworzoną przez złącze ap–n. Ta warstwa zubożona może być również wykonana z diody MOS lub Schottky'ego . Jest to ważne w CMOS i MMIC .
Użyj w obwodzie
Obwody strojenia
Zasadniczo użycie diody varicap w obwodzie wymaga podłączenia jej do obwodu strojonego , zwykle równolegle z dowolną istniejącą pojemnością lub indukcyjnością. Napięcie prądu stałego jest przykładane jako odwrotne odchylenie w poprzek żylaka, aby zmienić jego pojemność. Napięcie polaryzacji DC musi być zablokowane przed wejściem do strojonego obwodu. Można to osiągnąć poprzez umieszczenie kondensatora blokującego prąd stały o pojemności około 100 razy większej niż maksymalna pojemność diody żylakowej w szeregu z nim i przyłożenie prądu stałego ze źródła o wysokiej impedancji do węzła między katodą żylakową a kondensatorem blokującym jako pokazano w lewym górnym obwodzie na załączonym schemacie.
Ponieważ w żylaku nie płynie żaden znaczący prąd stały, wartość rezystora łączącego jego katodę z powrotem z rezystorem napięcia sterującego DC może wynosić od 22 kΩ do 150 kΩ, a kondensator blokujący gdzieś w zakresie 5–100 nF . Czasami, w obwodach strojonych o bardzo wysokim Q, cewka indukcyjna jest umieszczana szeregowo z rezystorem, aby zwiększyć impedancję źródła napięcia sterującego, aby nie obciążać strojonego obwodu i zmniejszać jego Q.
Inna powszechna konfiguracja wykorzystuje dwie diody varicap ustawione tyłem do siebie (od anody do anody). (Patrz lewy dolny obwód na schemacie). Drugi warikap skutecznie zastępuje kondensator blokujący w pierwszym obwodzie. Zmniejsza to całkowitą pojemność i zakres pojemności o połowę, ale ma tę zaletę, że zmniejsza składową AC napięcia na każdym urządzeniu i ma symetryczne zniekształcenie, jeśli składowa AC ma wystarczającą amplitudę, aby skierować żylaki do przewodzenia do przodu.
Podczas projektowania obwodów strojenia z warikapami zwykle dobrą praktyką jest utrzymywanie składowej AC napięcia na warkawce na minimalnym poziomie, zwykle mniejszym niż 100 mV między szczytami, aby zapobiec zbyt dużym zmianom pojemności diody, które mogłyby zniekształcić sygnał i dodać harmoniczne.
Trzeci obwód, w prawym górnym rogu na schemacie, wykorzystuje dwa połączone szeregowo warikapy i oddzielne połączenia masy sygnału DC i AC. Uziemienie DC jest pokazane jako tradycyjny symbol uziemienia, a uziemienie AC jako otwarty trójkąt. Separacja uziemień jest często wykonywana w celu (i) zapobiegania promieniowaniu o wysokiej częstotliwości z węzła uziemiającego o niskiej częstotliwości oraz (ii) zapobiegania zmianom polaryzacji i punktów pracy prądów stałych w węźle uziemiającym prądu przemiennego i punktów pracy urządzeń aktywnych, takich jak warikapy i tranzystory.
Te konfiguracje obwodów są dość powszechne w tunerach telewizyjnych i elektronicznie strojonych odbiornikach nadawczych AM i FM, a także w innym sprzęcie komunikacyjnym i sprzęcie przemysłowym. Wczesne diody warkapowe zwykle wymagały napięcia wstecznego w zakresie 0–33 V, aby uzyskać pełne zakresy pojemności, które wciąż były dość małe, około 1–10 pF. Te typy były – i nadal są – szeroko stosowane w tunerach telewizyjnych, których wysokie częstotliwości nośne wymagają jedynie niewielkich zmian pojemności.
Z czasem opracowano diody varicap, które wykazywały duże zakresy pojemności, 100–500 pF, przy stosunkowo niewielkich zmianach polaryzacji wstecznej: 0–5 V lub 0–12 V. Te nowsze urządzenia umożliwiają również realizację elektronicznie strojonych odbiorników nadawczych AM jak wiele innych funkcji wymagających dużych zmian pojemności przy niższych częstotliwościach, zwykle poniżej 10 MHz. Niektóre projekty elektronicznych czytników tagów zabezpieczających używanych w punktach sprzedaży detalicznej wymagają tych warikapów o dużej pojemności w oscylatorach sterowanych napięciem.
Trzy urządzenia z wyprowadzeniami przedstawione na górze strony to na ogół dwa warikapy połączone ze wspólną katodą w jednym pakiecie. W konsumenckim tunerze AM / FM przedstawionym po prawej stronie pojedyncza dioda varicap z podwójnym pakietem reguluje zarówno pasmo przepustowe obwodu zbiornika (selektor stacji głównej), jak i lokalny oscylator z jednym warikapem dla każdego. Ma to na celu obniżenie kosztów – można było zastosować dwa podwójne pakiety, jeden dla zbiornika i jeden dla oscylatora, w sumie cztery diody, i to właśnie zostało przedstawione w danych aplikacji dla układu radiowego LA1851N AM. Czerwonymi strzałkami zaznaczono dwa podwójne waraktory o mniejszej pojemności zastosowane w sekcji FM (która pracuje z częstotliwością około stukrotnie większą). W tym przypadku używane są cztery diody, za pośrednictwem podwójnego pakietu dla zbiornika / filtra środkowoprzepustowego i podwójnego pakietu dla lokalnego oscylatora.
Mnożenie harmoniczne
W niektórych zastosowaniach, takich jak mnożenie harmonicznych , napięcie przemienne o dużej amplitudzie sygnału jest przykładane do żylaka, aby celowo zmieniać pojemność przy częstotliwości sygnału w celu generowania wyższych harmonicznych, które są wydobywane przez filtrowanie. Jeśli przyłoży się prąd sinusoidalny o wystarczającej amplitudzie, napędzany przez żylaki, wynikowe napięcie osiąga „szczyt” do bardziej trójkątnego kształtu i generowane są nieparzyste harmoniczne.
Była to jedna z wczesnych metod stosowanych do generowania częstotliwości mikrofal o umiarkowanej mocy, 1–2 GHz przy 1–5 watów, od około 20 watów przy częstotliwości 3–400 MHz, zanim opracowano odpowiednie tranzystory do pracy z tą wyższą częstotliwością. Ta technika jest nadal wykorzystywana do generowania znacznie wyższych częstotliwości, w zakresie 100 GHz – 1 THz, gdzie nawet najszybsze tranzystory GaAs są wciąż niewystarczające.
Zamienniki diod varicap
Wszystkie półprzewodnikowe urządzenia łączące wykazują ten efekt, więc mogą być używane jako warikapy, ale ich właściwości nie będą kontrolowane i mogą się znacznie różnić w zależności od partii.
Popularne prowizoryczne warikapy obejmują diody LED, diody prostownicze serii 1N400X, prostowniki Schottky'ego i różne tranzystory używane ze złączami kolektor-baza spolaryzowanymi zaporowo, zwłaszcza 2N2222 i BC547 . [ wymagane wyjaśnienie ] Odwrotna polaryzacja złączy emiter-baza tranzystorów jest również dość skuteczna, o ile amplituda prądu przemiennego pozostaje niewielka. Maksymalne napięcie polaryzacji wstecznej wynosi zwykle od 5 do 7 woltów, zanim proces lawinowy zacznie przewodzić. Urządzenia o wyższym prądzie z większą powierzchnią złącza mają zwykle większą pojemność. Philips BA 102 varicap i wspólna dioda Zenera, 1N5408 , wykazują podobne zmiany w pojemności złącza, z wyjątkiem tego, że BA 102 posiada określony zestaw charakterystyk w odniesieniu do pojemności złącza (podczas gdy 1N5408 nie) i „Q " 1N5408 jest mniejszy.
Przed opracowaniem warikapa kondensatory zmienne napędzane silnikiem lub reaktory z nasycalnym rdzeniem były używane jako sterowane elektrycznie reaktancje w VCO i filtrach sprzętu, takiego jak niemieckie analizatory widma z czasów II wojny światowej .
Zobacz też
- Heterostrukturalne waraktory barierowe to symetryczne przyrządy półprzewodnikowe o zmiennej pojemności.
- Kondensatory ferroelektryczne mają zmienną pojemność ze względu na efekty histerezy.
- Pojemność dyfuzyjna
Dalsza lektura
- Mortenson, Kenneth E. (1974). Diody o zmiennej pojemności: działanie i charakterystyka diod varactor, przechowywania ładunku i PIN do zastosowań RF i mikrofalowych . Dedham, Massachusetts: Artech House.
- Penfield, Paul i Rafuse, Robert P. (1962). Aplikacje Varactor. Cambridge, MIT Press.
Linki zewnętrzne
- Uczenie się przez symulacje Obliczanie charakterystyki diody waraktorowej dla różnych profili domieszkowania
- [1] Trimless IF VCO: Część 1: Rozważania projektowe od Maxim.
- Podstawy diody waraktorowej z poradami projektowymi
| Kontrola władz : krajowa |
|---|
