Varaktoren – varaktordiode
Betrieb und Eigenschaften der Varaktordiode:
Der Betrieb und die Eigenschaften der Varaktordiode wurden erstmals in den frühen 1950er Jahren als einfache variable Spannungskapazität und später für die Frequenzmodulation von Oszillatoren verwendet. Sie stellen daher eine sehr reife Halbleiter -Mikrowellenkunst dar.
Da sich die Materialien und die Konstruktion verbessert haben, wird auch die maximalen Betriebsfrequenzen, bis der Boden jetzt erreicht ist, wenn sich die häufigsten Anwendungen in der Einstellung, in Mikrowellenfrequenz -Multiplikatoren und in sehr niedrigen mikrowellen -parametrischen Verstärkern anrauschen.
Betrieb:
Wenn es umgekehrt ist, hat fast jede Halbleiterdiode eine Übergangskapazität, die sich mit der Verzerrung des angelegten Rückens unterscheidet.
Wenn eine solche Diode geeignete Mikrowelleneigenschaften aufweist, wird sie im Allgemeinen als Varaktordiode bezeichnet. Abbildung 12-8 zeigt seine wesentlichen Eigenschaften.
Zusätzlich zu der Tatsache, dass die Variation der Kapazität in einer Varaktor -Diode spürbar sein muss, muss sie mit einer Mikrowellenrate variiert werden, sodass Hochfrequenzverluste niedrig gehalten werden müssen.
Die grundlegende Art und Weise, wie diese Verluste verringert werden, ist die Verringerung der Größe der aktiven Teile der Diode selbst.
In einer diffusen Übergangsdiode ist die Übergabe erschöpft, wenn die entgegengesetzte Verzerrung angewendet wird, und die Diode verhält sich dann als Kapazität, wobei die Kreuzung selbst als Dielektrikum zwischen den beiden leitenden Materialien fungiert.
Die Breite der Erschöpfungsschicht hängt von der angelegten Verzerrung ab, und die Kapazität ist natürlich umgekehrt proportional zur Breite dieser Schicht. Es kann daher mit Änderungen der Verzerrung variiert werden.
Dies ist in Abbildung 12-8b dargestellt, wobei C0 die Anschlusskapazität für die Spannung des Hohlraums darstellt. Schließlich tritt wie bei allen anderen Dioden die Lawine mit einer sehr hohen entgegengesetzten Verzerrung auf.
Es ist wahrscheinlich destruktiv, es ist eine natürliche Grenze für den nützlichen Betriebsbereich der Diode.
Materialien und Konstruktion:
Diffuse Mesa -Siliziumdioden wurden ursprünglich bei Mikrowellenfrequenzen verwendet, aber sie wurden jetzt weitgehend durch eine Vielzahl von Galliumarseniure ersetzt. Abbildung 12-9 zeigt eine Operation und Eigenschaften der Varaktordiode in Galliumarseniure.
GAAs haben Vorteile wie eine höhere maximale Betriebsfrequenz (bis zu fast 1000 GHz) und einen besseren Betrieb bei den niedrigsten Temperaturen (etwa – 269 ° C, wie bei parametrischen Verstärkeranwendungen).
Die beiden Vorteile sind hauptsächlich auf die höhere Mobilität der durch die Gallium -Arseniure vorgestellten Ladungsträger zurückzuführen.
Eigenschaften und Anforderungen:
Vor allem die Funktionen und Eigenschaften der Varaktordiode (unabhängig davon, wie sie hergestellt oder was sie besteht) ist eine Diode, dh einen Gleichrichter.
Die Diode führt normalerweise in die vordere Richtung, aber der entgegengesetzte Strom sättigt mit relativ niedriger Spannung (wie in Abbildung 12-8a gezeigt) konstant und steigt schließlich schnell zum Lawinenpunkt an.
Für Varaktoranwendungen liegt der interessierende Bereich zwischen dem entgegengesetzten Sättigungspunkt, der die maximale Anschlusskapazität ergibt, und einen Punkt direkt über der Lawine, zu dem die minimale Diodenkapazität erhalten wird.
Leitung und Lawine werden daher als die beiden Bedingungen angesehen, die den Umkehrspannungsschwung und damit die Kapazitätsschwankung einschränken.
In der nützlichen Betriebsfläche verhält sich die Hochfrequenzvaraktordiode als Standardkapazität mit Widerstand.
Bei noch höheren Frequenzen wird die Induktivität parasitärer Blei sowie die feste parasitäre Kapazität zwischen der Kathode und den Anodenverbindungen. Das Schaltplan entspricht Abbildung 12-10 und gilt dann.
Für einen typischen Siliziumvaraktor, C0 = 25 PF, Cmin = 5 PF, Rb = 1,3 Ω, CS = 1,4 PF und LS = 0,013 μH.
Um an den parametrischen Verstärkerdienst angepasst zu werden, muss eine Varaktor -Diode eine signifikante Variation der Kapazität, einen geringen Wert der minimalen Anschlusskapazität und den niedrigsten möglichen Wert des Widerstands in RB -Serien (um ein geringes Rauschen zu ergeben) aufweisen.
Für die harmonische Erzeugung gelten fast die gleichen Anforderungen (obwohl der niedrige Wert des RB etwas weniger wichtig ist), aber jetzt ist die Fähigkeit zur Handhabung von Strom von größerer Bedeutung.
Der Basiswiderstand und die minimale Anschlusskapazität sind weitgehend miteinander verbunden, sodass diese beiden Anforderungen nur erfüllt werden können. Die Resistive Cut -Off -Frequenz wird häufig als Verdienstfiguren verwendet; es wird gegeben durch
Die Werte von FC sind viel mehr als 1000 GHz aus der Vielzahl von Galliumarseniure erhältlich. Dies bedeutet jedoch nicht, dass Varaktoren bei so hohen Frequenzen arbeiten können. Der FC wird mit einer relativ niedrigen Frequenz (z. B. 50 oder 500 MHz) gemessen.
Es ist eine Verdienstfigur, ein praktisches Mittel, um den Widerstand der Basis und die minimale Anschlusskapazität zu verbinden. Der Betrieb bei Frequenzen liegt weit über dem FC / 10, der nicht empfohlen wird, da bei solchen Frequenzen eine allmähliche Zunahme der Resistenz gegen die Basis, teilweise durch die Auswirkung der Haut.
Folglich nimmt die Diode Q ab und das Ergebnis ist eine Zunahme des Rauschens parametrischer Verstärker oder eine erhöhte Ableitung (gesenkter Effizienz) bei Frequenzmultiplikatoren.
Frequenzmultiplikationsmechanismus:
Es wurde früher als der Ausgangsstrom nachgewiesen, der sich aus der Anwendung einer CA -Spannung auf einen nichtlinearen Widerstand ergibt, nicht einfach proportional zu dieser Spannung.
Tatsächlich existieren nichtlinearitätskoeffizienten und der Ausgangsstrom hängt daher teilweise vom Quadrat, dem Würfel und den höheren Leistungen der Eingangsspannung ab.
Er zeigte, dass die Ausgangsspannung die zweite Harmonik des Eingangsstroms enthält, wenn der Begriff Square berücksichtigt wird.
Wenn in der Expansion höhere Begriffe der Nichtlinearität einbezogen worden wären, wären die dritten Harmonischen und höher des Eintrags bei der Freisetzung eines solchen nichtlinearen Widerstands vorhanden gewesen.
Leider ist diese Art von Frequenzmultiplikationsprozess nicht sehr effektiv, da der Nichtlinearitätskoeffizient im Allgemeinen nicht sehr wichtig ist. Wenn diese Impedanz eine reine Reaktanz ist, kann der Frequenzmultiplikationsprozess theoretisch zu 100% wirksam sein.
Da die Kapazität einer Varaktordiode mit der entgegengesetzten Verzerrung variiert, wirkt die Diode als nichtlineare Kapazität (dh eine nichtlineare kapazitive Reaktanz).
Der Betrieb und die Eigenschaften der Varaktordiode sind daher ein sehr nützliches Gerät, zumal sie bei viel höheren Frequenzen als die höchsten Betriebsfrequenzen von Transistoroszillatoren betrieben werden.