Varactor – diodo varactor | diodi varactor & diodo tunnel
Operazione e caratteristiche del diodo Varactor:
L’operazione e le caratteristiche del diodo Varactor sono state utilizzate per la prima volta nei primi anni ’50 come semplice capacità di tensione variabile e successivamente per la modulazione di frequenza degli oscillatori. Rappresentano quindi un’arte a microonde a semiconduttore molto maturo.
Poiché i materiali e le costruzioni sono migliorati, anche le frequenze operative massime, fino a quando il pavimento non viene ora raggiunto quando le applicazioni più comuni sono nella regolazione, nei moltiplicatori di frequenza a microonde e negli amplificatori parametrici a microonde a bassa bassa rumore.
Operazione:
Quando viene invertito, quasi ogni diodo a semiconduttore ha una capacità di giunzione che varia con la distorsione del retro applicato.
Se viene creato un tale diodo per avere caratteristiche appropriate a microonde, viene generalmente chiamato diodo Varactor; La Figura 12-8 mostra le sue caratteristiche essenziali.
Oltre al fatto che la variazione della capacità deve essere apprezzabile in un diodo Varactor, deve essere in grado di essere variata a una velocità a microonde, in modo che le perdite ad alta frequenza debbano essere mantenute basse.
Il modo base in cui queste perdite sono ridotte è la riduzione delle dimensioni delle parti attive del diodo stesso.
In un diodo di giunzione diffusa, la giunzione è esaurita quando viene applicata la distorsione opposta e il diodo si comporta quindi come una capacità, la giunzione stessa agisce come dielettrica tra i due materiali conduttivi.
La larghezza dello strato di esaurimento dipende dalla distorsione applicata e la capacità è naturalmente inversamente proporzionale alla larghezza di questo strato; Può quindi essere variato con cambiamenti nella distorsione.
Ciò è illustrato nella Figura 12-8b, dove C0 rappresenta la capacità di giunzione per la tensione di bias del vuoto. Infine, come con tutti gli altri diodi, la valanga si verifica con un pregiudizio opposto molto alto.
Come è probabile che sia distruttivo, forma un limite naturale per l’utile gamma operativa del diodo.
Materiali e costruzione:
I diodi di silicio di mesa diffusi sono stati originariamente utilizzati alle frequenze a microonde, ma ora sono stati ampiamente soppiantati da una varietà di arseniure di gallio. La Figura 12-9 mostra un’operazione e caratteristiche del diodo varactor nell’arseniure di gallio.
GAAS ha vantaggi come una frequenza operativa massima più alta (fino a quasi 1000 GHz) e un funzionamento migliore alle temperature più basse (circa 269 ° C, come nelle applicazioni di amplificatore parametrico).
I due vantaggi sono principalmente dovuti alla maggiore mobilità dei vettori di ricarica presentati dall’arseniure di gallio.
Caratteristiche e requisiti:
Soprattutto, il funzionamento e le caratteristiche del diodo Varactor (non importa come è realizzato o di cosa sia fatto) è un diodo, vale a dire un raddrizzatore.
Il diodo normalmente conduce nella direzione anteriore, ma la corrente opposta si satura con una tensione relativamente bassa (come mostrato nella Figura 12-8a) rimane quindi costante, al fine aumentando rapidamente al punto di valanga.
Per le applicazioni Varactor, la regione di interesse si trova tra il punto di saturazione opposto, che fornisce la massima capacità di giunzione e un punto appena sopra la valanga, a cui si ottiene la capacità minima del diodo.
La conduzione e la valanga sono quindi considerate come due condizioni che limitano l’oscillazione della tensione inversa e quindi la variazione della capacità.
Nell’utile area operativa, il diodo varactor ad alta frequenza si comporta come una capacità standard con resistenza.
A frequenze ancora più elevate, l’induttanza del piombo parassita diventa evidente, nonché la capacità parassita fissa tra il catodo e le connessioni dell’anodo. Si applica il diagramma del circuito equivalente alla Figura 12-10.
Per un tipico varactor di silicio, C0 = 25 pf, cmin = 5 pf, rb = 1,3 Ω, cs = 1,4 pf e ls = 0,013 μH.
Per essere adattato al servizio di amplificatore parametrico, un diodo Varactor deve avere una variazione significativa della capacità, un valore ridotto della capacità di giunzione minima e il valore più basso possibile della resistenza nelle serie RB (per dare un rumore basso).
Per la generazione armonica, si applicano quasi gli stessi requisiti (sebbene il basso valore dell’RB sia un po ‘meno importante), ma ora la capacità di gestire il potere è di maggiore importanza.
La resistenza di base e la capacità di giunzione minima sono in gran parte collegate tra loro, in modo che questi due requisiti possano essere soddisfatti solo. La frequenza di taglio resistiva viene spesso usata come figura di merito; è dato da
I valori di FC molto più di 1000 GHz sono disponibili da una varietà di arseniure di gallio. Tuttavia, ciò non significa che i varactors possano funzionare a tali alte frequenze. L’FC viene misurato a una frequenza relativamente bassa (ad esempio, 50 o 500 MHz).
È una figura di merito, un mezzo pratico per collegare la resistenza della base e la capacità minima di giunzione. Il funzionamento a frequenze ben al di sopra dell’FC / 10 non è raccomandato, poiché a tali frequenze, vi è un graduale aumento della resistenza alla base, in parte per effetto della pelle.
Di conseguenza, il diodo Q diminuisce e il risultato è un aumento del rumore degli amplificatori parametrici o di una maggiore dissipazione (efficienza ridotta) nei moltiplicatori di frequenza.
Meccanismo di moltiplicazione della frequenza:
È stato dimostrato prima della corrente di uscita risultante dall’applicazione di una tensione di CA a una resistenza non lineare non è semplicemente proporzionale a questa tensione.
In effetti, esistono coefficienti di non linearità e la corrente di uscita dipende quindi in parte dal quadrato, dal cubo e dai poteri superiori della tensione di ingresso.
Ha dimostrato che, se il termine quadrato viene preso in considerazione, la tensione di output contiene la seconda armonica della corrente di input.
Se nell’espansione fossero stati inclusi termini di non linearità più elevati, la terza armonica e la più alta della voce sarebbero state presenti nel rilascio di tale resistenza non lineare.
Sfortunatamente, questo tipo di processo di moltiplicazione della frequenza non è molto efficace, poiché il coefficiente di non linearità non è generalmente molto importante. Inoltre, se questa impedenza è una reattanza pura, il processo di moltiplicazione della frequenza può essere efficace al 100% in teoria.
Poiché la capacità di un diodo varactor varia con la distorsione opposta applicata, il diodo funge da capacità non lineare (vale a dire una reattanza capacitiva non lineare).
L’operazione e le caratteristiche del diodo Varactor sono quindi un dispositivo molto utile, soprattutto perché funzionerà a frequenze molto più elevate rispetto alle frequenze operative più alte degli oscillatori a transistor.