Varactor diode – varactor | diode varactor & varactor diodes
Fonctionnement et caractéristiques de la diode Varactor:
Le fonctionnement et les caractéristiques de la diode varactor ont d’abord été utilisés au début des années 1950 comme simple capacité variable de tension et plus tard pour la modulation de fréquence des oscillateurs. Ils représentent donc un art micro-ondes semi-conducteur très mature.
À mesure que les matériaux et la construction se sont améliorés, les fréquences de fonctionnement maximales aussi, jusqu’à ce que l’étage soit maintenant atteint lorsque les applications les plus courantes sont dans le réglage, dans les multiplicateurs de fréquences micro-ondes et dans les amplificateurs paramétriques micro-ondes à très faible bruit.
Opération:
Lorsqu’il est biaisé inversé, presque n’importe quelle diode semi-conductrice a une capacité de jonction qui varie avec le biais de dos appliqué.
Si une telle diode est fabriquée de manière à avoir des caractéristiques micro-ondes appropriées, elle est alors généralement appelée diode varactor; La figure 12-8 montre ses caractéristiques essentielles.
Outre le fait que la variation de capacité doit être appréciable dans une diode varactor, elle doit être capable d’être variée à un rythme micro-ondes, de sorte que les pertes à haute fréquence doivent être maintenues bas.
La manière de base dont ces pertes sont réduites est la réduction de la taille des parties actives de la diode elle-même.
Dans une diode de jonction diffuse, la jonction est épuisée lorsque le biais inverse est appliqué, et la diode se comporte ensuite comme une capacité, la jonction elle-même agissant comme un diélectrique entre les deux matériaux conducteurs.
La largeur de la couche d’épuisement dépend du biais appliqué, et la capacité est naturellement inversement proportionnelle à la largeur de cette couche; Il peut donc être varié avec des changements dans le biais.
Ceci est illustré à la figure 12-8B, où C0 représente la capacité de jonction pour la tension de biais nul. Enfin, comme pour toutes les autres diodes, l’avalanche se produit avec un biais inverse très élevé.
Comme cela est susceptible d’être destructeur, il forme une limite naturelle pour la plage de fonctionnement utile de la diode.
Matériaux et construction:
Des diodes de silicium Mesa à jonction diffuse ont été utilisées à l’origine à des fréquences micro-ondes, mais ils ont maintenant dans une large mesure été supplanté par des varacteurs de l’arséniure de gallium. La figure 12-9 montre un fonctionnement et des caractéristiques de la diode varactor en arséniure de gallium.
Le GAAS présente des avantages tels qu’une fréquence de fonctionnement maximale plus élevée (jusqu’à près de 1000 GHz) et un meilleur fonctionnement aux températures les plus basses (de l’ordre de – 269 ° C, comme dans les applications d’amplificateur paramétrique).
Les deux avantages sont principalement dus à la mobilité plus élevée des transporteurs de charge présentés par l’arséniure de gallium.
Caractéristiques et exigences:
Surtout, le fonctionnement et les caractéristiques de la diode varactor (peu importe comment il est fabriqué ou de quoi il est fabriqué) est une diode, c’est-à-dire un redresseur.
La diode conduit normalement dans le sens avant, mais le courant inverse sature à une tension relativement basse (comme le montre la figure 12-8A) puis reste constant, se montant finalement rapidement au point d’avalanche.
Pour les applications de varactor, la région d’intérêt se situe entre le point de saturation inverse, qui donne la capacité de jonction maximale, et un point juste au-dessus de l’avalanche, à laquelle la capacité minimale de diode est obtenue.
La conduction et l’avalanche sont ainsi considérées comme les deux conditions qui limitent le swing de tension inverse et donc la variation de capacité.
Dans la région de fonctionnement utile, la diode varactor à haute fréquence se comporte comme une capacité en série avec une résistance.
À des fréquences plus élevées encore, l’inductance du plomb parasite devient perceptible, tout comme la capacité fixe parasite entre la cathode et les connexions d’anode. Le diagramme de circuit équivalent de la figure 12-10 s’applique alors.
Pour un varacteur en silicium typique, C0 = 25 PF, CMIN = 5 PF, RB = 1,3 Ω, CS = 1,4 PF et LS = 0,013 μh.
Pour être adapté au service d’amplificateur paramétrique, une diode varactor doit avoir une variation de capacité importante, une petite valeur de la capacité de jonction minimale et la valeur la plus faible possible de la résistance en série RB (pour donner un faible bruit).
Pour la génération harmonique, à peu près les mêmes exigences s’appliquent (bien que la faible valeur de la RB soit un peu moins importante), mais maintenant la capacité de maniement du pouvoir prend une plus grande importance.
La résistance à la base et la capacité de jonction minimale sont largement liées les unes aux autres, afin que ces deux exigences ne puissent être satisfaites que de manière compromise. La fréquence de coupure résistive est souvent utilisée comme figure de mérite; il est donné par
Les valeurs de FC bien plus de 1000 GHz sont disponibles à partir de varacteurs de l’arséniure de gallium. Cependant, cela ne signifie pas que Varactors peut fonctionner à de telles fréquences élevées. Le FC est mesuré à une fréquence relativement basse (par exemple, 50 ou 500 MHz).
C’est un chiffre de mérite, un moyen pratique de relier la résistance de la base et la capacité de jonction minimale. Le fonctionnement à des fréquences bien au-dessus du FC / 10 est déconseillé, car à de telles fréquences, il y a une augmentation progressive de la résistance à la base, en partie par l’effet de la peau.
Par conséquent, la diode Q baisse, et le résultat est une augmentation du bruit des amplificateurs paramétriques ou une dissipation accrue (efficacité abaissée) dans les multiplicateurs de fréquences.
Mécanisme de multiplication de fréquence:
Il a été démontré plus tôt que le courant de sortie résultant de l’application d’une tension CA à une résistance non linéaire n’est pas simplement proportionnelle à cette tension.
En fait, des coefficients de non-linéarité existent et le courant de sortie dépend donc en partie du carré, du cube et des pouvoirs plus élevés de la tension d’entrée.
Il a montré que, si le terme carré est pris en considération, la tension de sortie contient la deuxième harmonique du courant d’entrée.
Si des termes de non-linéarité plus élevés avaient été inclus dans l’expansion, les troisième harmoniques et plus élevées de l’entrée auraient été présentes dans la sortie d’une telle résistance non linéaire.
Malheureusement, ce type de processus de multiplication de fréquence n’est pas très efficace, car le coefficient de non-linéarité n’est généralement pas très important. De plus, si cette impédance est une réactance pure, le processus de multiplication de fréquence peut être efficace à 100% en théorie.
Étant donné que la capacité d’une diode varactor varie avec le biais inverse appliqué, la diode agit comme une capacité non linéaire (c’est-à-dire une réactance capacitive non linéaire).
Le fonctionnement et les caractéristiques de la diode varactor sont par conséquent un dispositif très utile, d’autant plus qu’il fonctionnera à des fréquences beaucoup plus élevées que les fréquences de fonctionnement les plus élevées d’oscillateurs de transistor.