Varactor (Varicap) 다이오드의 작동 원리

varicap, VVC (전압 가변 커패시턴스 또는 튜닝 다이오드라고도 함)라고도하는 버 랙터 다이오드는 장치가 역 바이어스 될 때 pn 접합에 가변 전압 종속 커패시턴스를 특징으로하는 반도체 다이오드 유형입니다.

역방향 바이어스는 기본적으로 다이오드가 반대 전압에 노출 될 때를 의미합니다. 즉, 음극에서 양의 전압을, 양극에서 음의 전압을 의미합니다.

버 랙터 다이오드가 작동하는 방식은 역 바이어스 모드에있는 동안 다이오드의 p-n 접합에 대한 기존 커패시턴스에 따라 다릅니다.

이 조건에서 우리는 접합부의 p-n 측면을 가로 질러 형성되는 커버되지 않은 전하 영역을 발견하며, 이는 함께 접합부를 가로 질러 고갈 영역을 초래합니다.

이 고갈 지역은 고갈 폭 Wd로 상징되는 장치에서.

위에서 설명한 격리 된 커버되지 않은 전하로 인한 커패시턴스의 전이는 다음 공식을 사용하여 결정될 수 있습니다.

CT = e. A / Wd

어디 이자형 반도체 재료의 유전율, 에 이다 p-n 접합 영역 및 W 디 고갈 폭입니다.

작동 원리

varicap 또는 varactor 다이오드의 기본 작동은 다음 설명으로 이해할 수 있습니다.

버 랙터 또는 바리 캡 다이오드가 상승하는 역방향 바이어스 전위와 함께 적용되면 장치의 공핍 폭이 증가하여 전환 커패시턴스가 감소합니다.

다음 이미지는 버 랙터 다이오드의 일반적인 특성 응답을 보여줍니다.

역 바이어스 전위가 증가함에 따라 CT의 초기 급격한 하락을 볼 수 있습니다. 일반적으로 가변 전압 커패시턴스 다이오드에 적용되는 역 바이어스 전압 VR의 범위는 20V로 제한됩니다.

적용된 역 바이어스 전압과 관련하여 전이 커패시턴스는 다음 공식을 사용하여 근사화 할 수 있습니다.

CT = K / (VT + VR) ^엔

이 공식에서 K는 사용 된 반도체 재료의 유형과 구조적 레이아웃에 따라 결정되는 상수입니다.

VT는 무릎 잠재력 , 아래 설명 :

VR은 장치에 적용된 역방향 바이어스 전위의 양입니다.

엔 합금 접합을 사용하는 varicap 다이오드의 경우 1/2 값을 가질 수 있고 확산 접합을 사용하는 다이오드의 경우 1/3을 가질 수 있습니다.

바이어스 전압이 없거나 제로 전압 바이어스에서 커패시턴스 C (0)는 VR의 함수로서 다음 공식을 통해 표현 될 수 있습니다.

CT (VR) = C (0) / (1 + | VR / VT |) ^엔

Varicap 등가 회로

varicap 다이오드의 표준 기호 (b) 및 등가 근사 회로 (a)가 다음 이미지에 표시됩니다.

오른쪽 그림은 varicap 다이오드에 대한 대략적인 시뮬레이션 회로를 제공합니다.

다이오드이고 역 바이어스 영역에서 등가 회로 RR의 저항은 상당히 큰 (약 1M Ohms)으로 표시되는 반면 기하학적 저항 값 Rs는 매우 작습니다. CT 값은 사용되는 varicap 유형에 따라 2 ~ 100pF 사이에서 달라질 수 있습니다.

RR 값이 충분히 큰지 확인하여 누설 전류를 최소화 할 수 있도록, 실리콘 재료는 일반적으로 varicap 다이오드로 선택됩니다.

varicap 다이오드는 극도로 고주파 응용 분야에서 특별히 사용되어야하기 때문에 인덕턴스 LS는 나노 헨리에서 작게 보일지라도 무시할 수 없습니다.

이 작은 인덕턴스의 효과는 매우 중요 할 수 있으며 다음을 통해 증명할 수 있습니다. 리액턴스 계산 .

XL = 2πfL, 주파수가 10GHz이고 LS = 1nH가 XLS = 2πfL = (6.28) (10¹⁰Hz) (10^-9F) = 62.8 옴. 이것은 너무 커 보이며 이것이 varicap 다이오드가 엄격한 주파수 제한으로 지정된 이유입니다.

주파수 범위가 적절하고 RS, XLS의 값이 다른 직렬 요소에 비해 낮다고 가정하면 위에 표시된 등가 회로를 가변 커패시터로 간단히 대체 할 수 있습니다.

Varicap 또는 Varactor 다이오드의 데이터 시트 이해

일반적인 varicap 다이오드의 전체 데이터 시트는 다음 그림에서 확인할 수 있습니다.

위 그림에서 C3 / C25의 비율은 다이오드가 3 ~ 25V 사이의 역방향 바이어스 전위로 적용될 때 커패시턴스 레벨의 비율을 보여줍니다. 비율은 우리가 변화 수준에 대한 빠른 참조를 얻는 데 도움이됩니다. 적용된 역 바이어스 전위에 대한 커패시턴스.

그만큼 공로의 인물 Q는 애플리케이션을위한 장치를 구현하기위한 고려 사항의 범위를 제공하며, 사이클 당 손실 또는 소멸 된 에너지에 대한 사이클 당 용량 성 장치에 의해 저장된 에너지의 비율이기도합니다.

에너지 손실은 대부분 부정적인 속성으로 간주되기 때문에 비율의 상대적인 값이 높을수록 좋습니다.

데이터 시트의 또 다른 측면은 가변 캡 다이오드의 공진 주파수입니다. 그리고 이것은 공식에 의해 결정됩니다.

fo = 1 / 2π√LC

이 요소는 varicap 다이오드의 적용 범위를 결정합니다.

커패시턴스 온도 계수

위의 그래프를 참조하면 커패시턴스 온도 계수 varicap 다이오드의 값은 다음 공식을 사용하여 평가할 수 있습니다.

여기서 ΔC는 특정 역 바이어스 전위에 대해 (T1-T0)로 표시되는 온도 변화로 인한 장치의 커패시턴스 변화를 나타냅니다.

예를 들어 위의 데이터 시트에서는 VR = 3V 및 T0 = 섭씨 25 도인 C0 = 29pF를 보여줍니다.

위의 데이터를 사용하여 그래프 (0.013)에서 새 온도 T1 값과 TCC를 간단히 대체하여 varicap 다이오드의 커패시턴스 변화를 평가할 수 있습니다. 새로운 VR이 있으면 그에 따라 TCC 값이 달라질 수 있습니다. 데이터 시트를 다시 살펴보면 획득 한 최대 주파수는 600MHz입니다.

이 주파수 값을 사용하여 varicap의 리액턴스 XL은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

XL = 2πfL = (6.28) (600 x 10¹⁰Hz) (2.5 x 10^-9F) = 9.42 옴

결과는 상대적으로 작은 크기이며 무시해도됩니다.

Varicap 다이오드의 적용

낮은 커패시턴스 사양에 의해 결정되는 버 랙터 또는 버 랙터 다이오드의 고주파 응용 분야 중 일부는 조정 가능한 대역 통과 필터, 자동 주파수 제어 장치, 파라 메트릭 증폭기 및 FM 변조기입니다.

아래의 예는 튜닝 회로에 구현 된 varicap 다이오드를 보여줍니다.

이 회로는 공진 주파수가 다음에 의해 결정되는 L-C 탱크 회로의 조합으로 구성됩니다.

fp = 1 / 2π√LC'T (high-Q 시스템) 적용된 역 바이어스 전위 VDD에 의해 설정된 C'T 레벨 = CT + Cc.

커플 링 커패시터 CC는 적용된 바이어스 전압 L2의 단락 경향에 대해 필요한 보호를 보장합니다.

튜닝 된 회로의 의도 된 주파수는 이후 추가 증폭을 위해 고 입력 임피던스 증폭기로 이동할 수 있습니다.