Varactor
Operación y características del diodo de varactor:
La operación y las características del diodo del varactor se usaron por primera vez a principios de la década de 1950 como una capacidad de voltaje variable simple y luego para la modulación de frecuencia de los osciladores. Por lo tanto, representan un arte de microondas semiconductores muy maduro.
A medida que los materiales y la construcción han mejorado, las frecuencias operativas máximas también, hasta que ahora se alcanza el piso cuando las aplicaciones más comunes están en el ajuste, en multiplicadores de frecuencia de microondas y en amplificadores paramétricos de microondas de muy bajo ruido.
Operación:
Cuando está invertido, casi cualquier diodo semiconductor tiene una capacidad de unión que varía con el sesgo de la parte posterior aplicada.
Si dicho diodo se hace para tener características de microondas apropiadas, generalmente se llama diodo Varactor; La Figura 12-8 muestra sus características esenciales.
Además del hecho de que la variación en la capacidad debe ser apreciable en un diodo de varactores, debe ser capaz de variar a una velocidad de microondas, por lo que las pérdidas de alta frecuencia deben mantenerse bajas.
La forma básica en que se reducen estas pérdidas es la reducción en el tamaño de las partes activas del diodo en sí.
En un diodo de unión difusa, la unión se agota cuando se aplica el sesgo opuesto, y el diodo se comporta como una capacidad, la unión en sí misma actúa como un dieléctrico entre los dos materiales conductores.
El ancho de la capa de agotamiento depende del sesgo aplicado, y la capacidad es naturalmente inversamente proporcional al ancho de esta capa; Por lo tanto, se puede variar con cambios en el sesgo.
Esto se ilustra en la Figura 12-8B, donde C0 representa la capacidad de unión para la tensión de polarización vacía. Finalmente, como con todos los demás diodos, la avalancha ocurre con un sesgo muy alto opuesto.
Como es probable que sea destructivo, forma un límite natural para el rango operativo útil del diodo.
Materiales y construcción:
Los diodos de silicio de mesa difusos se usaron originalmente en frecuencias de microondas, pero ahora han sido suplantados en gran medida por una variedad de arseniure de galio. La Figura 12-9 muestra una operación y características del diodo de varactores en Arseniure de Gallium.
Los GAA tienen ventajas, como una frecuencia operativa máxima más alta (hasta casi 1000 GHz) y una mejor operación a las temperaturas más bajas (alrededor de 269 ° C, como en las aplicaciones de amplificador paramétrico).
Las dos ventajas se deben principalmente a la mayor movilidad de los portadores de carga presentados por el Gallium Arseniure.
Características y requisitos:
Sobre todo, el funcionamiento y las características del diodo del varactor (no importa cómo esté hecho o de qué está hecho) es un diodo, es decir, un rectificador.
El diodo normalmente conduce en la dirección frontal, pero la corriente opuesta se satura con un voltaje relativamente bajo (como se muestra en la Figura 12-8A) y luego permanece constante, finalmente sube rápidamente al punto de avalancha.
Para las aplicaciones de varactores, la región de interés está entre el punto de saturación opuesto, lo que proporciona la capacidad de unión máxima y un punto justo por encima de la avalancha, al que se obtiene la capacidad mínima del diodo.
La conducción y la avalancha se consideran así como las dos condiciones que limitan el balance de tensión inversa y, por lo tanto, la variación de la capacidad.
En el área operativa útil, el diodo de varactor de alta frecuencia se comporta como una capacidad estándar con resistencia.
A frecuencias aún más altas, la inductancia del plomo parásito se vuelve notable, así como la capacidad parasitaria fija entre el cátodo y las conexiones anódicas. El diagrama de circuito equivalente a la Figura 12-10 se aplica.
Para un varactor de silicio típico, C0 = 25 pf, Cmin = 5 pf, RB = 1.3 Ω, CS = 1.4 pf y Ls = 0.013 μH.
Para adaptarse al servicio de amplificador paramétrico, un diodo de varactor debe tener una variación significativa en la capacidad, un pequeño valor de la capacidad mínima de unión y el valor más bajo posible de resistencia en la serie RB (para dar un ruido bajo).
Para la generación armónica, se aplican casi los mismos requisitos (aunque el bajo valor del RB es un poco menos importante), pero ahora la capacidad para manejar el poder es de mayor importancia.
La resistencia base y la capacidad mínima de unión están en gran medida vinculadas entre sí, por lo que estos dos requisitos solo pueden satisfacerse. La frecuencia de corte resistiva a menudo se usa como una figura de mérito; se da por
Los valores de FC mucho más de 1000 GHz están disponibles en variedad de arseniure de Gallium. Sin embargo, esto no significa que los varactores puedan operar a frecuencias tan altas. El FC se mide a una frecuencia relativamente baja (por ejemplo, 50 o 500 MHz).
Es una figura de mérito, un medio práctico para conectar la resistencia de la base y la capacidad mínima de unión. No se recomienda la operación en frecuencias muy por encima del FC / 10, porque a tales frecuencias, hay un aumento gradual en la resistencia a la base, en parte por el efecto de la piel.
En consecuencia, el diodo Q disminuye, y el resultado es un aumento en el ruido de los amplificadores paramétricos o una mayor disipación (eficiencia reducida) en multiplicadores de frecuencia.
Mecanismo de multiplicación de frecuencia:
Se demostró antes que la corriente de salida resultante de la aplicación de un voltaje de Ca a una resistencia no lineal no es simplemente proporcional a este voltaje.
De hecho, existen coeficientes de no linealidad y, por lo tanto, la corriente de salida depende en parte del cuadrado, el cubo y las potencias más altas del voltaje de entrada.
Mostró que, si el término cuadrado se tiene en cuenta, la tensión de salida contiene el segundo armónico de la corriente de entrada.
Si se hubieran incluido términos de no linealidad más altos en la expansión, el tercer armónico y el mayor de la entrada habrían estado presentes en la liberación de dicha resistencia no lineal.
Desafortunadamente, este tipo de proceso de multiplicación de frecuencia no es muy efectivo, porque el coeficiente de no linealidad generalmente no es muy importante. Además, si esta impedancia es una reactancia pura, el proceso de multiplicación de frecuencia puede ser 100% efectivo en teoría.
Dado que la capacidad de un diodo de varactor varía con el sesgo opuesto aplicado, el diodo actúa como una capacidad no lineal (es decir, una reactancia capacitiva no lineal).
Por lo tanto, la operación y las características del diodo Varactor son un dispositivo muy útil, especialmente porque funcionará a frecuencias mucho más altas que las frecuencias de operación más altas de los osciladores de transistores.