Diodo varactor – variactor
Operação e características do diodo varactor:
A operação e as características do diodo do varactor foram usadas pela primeira vez no início da década de 1950 como uma capacidade de tensão variável simples e posteriormente para a modulação de frequência dos osciladores. Portanto, eles representam uma arte de microondas semicondutores muito madura.
À medida que os materiais e a construção melhoraram, as frequências operacionais máximas também, até que o piso agora seja atingido quando as aplicações mais comuns estão no ajuste, nos multiplicadores de frequência de microondas e em amplificadores paramétricos de microondas de ruído muito baixo.
Operação:
Quando é invertido, quase qualquer diodo semicondutor tem uma capacidade de junção que varia com o viés do retorno aplicado.
Se esse diodo for feito para ter características de microondas apropriadas, geralmente é chamado de diodo de varactor; A Figura 12-8 mostra suas características essenciais.
Além do fato de que a variação na capacidade deve ser apreciável em um diodo de varactor, ele deve ser capaz de variar a uma taxa de microondas, para que as perdas de alta frequência devam ser mantidas baixas.
A maneira básica pela qual essas perdas são reduzidas é a redução no tamanho das partes ativas do próprio diodo.
Em um diodo de junção difuso, a junção é esgotada quando o viés oposto é aplicado e o diodo se comporta como uma capacidade, a junção em si atuando como um dielétrico entre os dois materiais condutores.
A largura da camada de exaustão depende do viés aplicado, e a capacidade é naturalmente inversamente proporcional à largura dessa camada; Portanto, pode ser variado com as alterações no viés.
Isso é ilustrado na Figura 12-8b, onde C0 representa a capacidade de junção para a tensão do viés de vazio. Finalmente, como em todos os outros diodos, a avalanche ocorre com um viés oposto muito alto.
Como provavelmente será destrutivo, ele forma um limite natural para a faixa operacional útil do diodo.
Materiais e construção:
Os diodos difusos de silício de mesa foram originalmente usados em frequências de microondas, mas agora foram amplamente suplantadas por variedade de arseniure de gálio. A Figura 12-9 mostra uma operação e características do diodo varactor no arseniure de gálio.
Os GAAs têm vantagens, como uma frequência operacional máxima mais alta (até quase 1000 GHz) e uma melhor operação nas temperaturas mais baixas (em torno de – 269 ° C, como em aplicações de amplificador paramétrico).
As duas vantagens se devem principalmente à maior mobilidade dos portadores de cobrança apresentados pelo Arseniure Gallium.
Características e requisitos:
Acima de tudo, o funcionamento e as características do diodo do varactor (não importa como ele seja feito ou do que é feito) é um diodo, ou seja, um retificador.
O diodo normalmente leva na direção frontal, mas a corrente oposta satura com tensão relativamente baixa (como mostrado na Figura 12-8a) permanece constante, finalmente subindo rapidamente para o ponto de avalanche.
Para aplicações de varactor, a região de interesse está entre o ponto de saturação oposto, que fornece a capacidade máxima de junção e um ponto logo acima da avalanche, à qual a capacidade mínima do diodo é obtida.
Condução e avalanche são, portanto, consideradas as duas condições que limitam o balanço da tensão reversa e, portanto, a variação da capacidade.
Na área operacional útil, o diodo de varactor de alta frequência se comporta como uma capacidade padrão com resistência.
Em frequências ainda mais altas, a indutância do chumbo parasitária se torna perceptível, bem como a capacidade parasitária fixa entre o cátodo e as conexões do ânodo. O diagrama de circuito equivalente à Figura 12-10 e depois se aplica.
Para um varactor típico de silício, C0 = 25 pf, cmin = 5 pf, rb = 1,3 Ω, cs = 1,4 pf e ls = 0,013 μh.
Para ser adaptado ao serviço de amplificador paramétrico, um diodo de varactor deve ter uma variação significativa na capacidade, um pequeno valor da capacidade de junção mínima e o menor valor possível de resistência na série RB (para dar um ruído baixo).
Para a geração harmônica, quase os mesmos requisitos se aplicam (embora o baixo valor do RB seja um pouco menos importante), mas agora a capacidade de manusear o poder é de maior importância.
A resistência básica e a capacidade mínima de junção estão amplamente ligadas entre si, para que esses dois requisitos só possam ser atendidos. A frequência de corte resistiva é frequentemente usada como uma figura de mérito; é dado por
Os valores do FC muito mais de 1000 GHz estão disponíveis na variedade de arseniure de gálio. No entanto, isso não significa que os varacores possam operar em frequências tão altas. O FC é medido em uma frequência relativamente baixa (por exemplo, 50 ou 500 MHz).
É uma figura de mérito, um meio prático de conectar a resistência da base e a capacidade mínima de junção. A operação em frequências bem acima do FC / 10 não é recomendada, porque nessas frequências, há um aumento gradual na resistência à base, em parte pelo efeito da pele.
Consequentemente, o diodo Q diminui e o resultado é um aumento no ruído de amplificadores paramétricos ou maior dissipação (eficiência reduzida) nos multiplicadores de frequência.
Mecanismo de multiplicação de frequência:
Foi demonstrado anteriormente que a corrente de saída resultante da aplicação de uma tensão de CA a uma resistência não linear não é simplesmente proporcional a essa tensão.
De fato, existem coeficientes de não linearidade e a corrente de saída depende, portanto, em parte do quadrado, do cubo e das potências mais altas da tensão de entrada.
Ele mostrou que, se o termo quadrado for levado em consideração, a tensão de saída contém o segundo harmônico da corrente de entrada.
Se termos de maior não linearidade tivessem sido incluídos na expansão, a terceira harmônica e a maior da entrada estariam presentes na liberação dessa resistência não linear.
Infelizmente, esse tipo de processo de multiplicação de frequência não é muito eficaz, porque o coeficiente de não linearidade geralmente não é muito importante. Além disso, se essa impedância for uma reatância pura, o processo de multiplicação de frequência pode ser 100% eficaz na teoria.
Como a capacidade de um diodo de varactor varia com o viés oposto aplicado, o diodo atua como uma capacidade não linear (ou seja, uma reatância capacitiva não linear).
A operação e as características do diodo do varactor são, portanto, um dispositivo muito útil, especialmente porque operará em frequências muito mais altas do que as mais altas frequências operacionais dos osciladores de transistor.