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Varactor Diode oder Varicap Diode

Varactor Diode oder Varicap Diode

Varaktor- oder Varicap-Dioden werden hauptsächlich in Hochfrequenz- oder HF-Schaltungen verwendet, um eine spannungsgesteuerte variable Kapazität bereitzustellen. Diese elektronischen Komponenten können auf eine Vielzahl von Arten verwendet werden, bei denen ein Kapazitätspegel durch eine Spannung gesteuert werden muss.

Varaktordioden können nicht nur zur analogen Steuerung einer Spannung verwendet werden, beispielsweise in einem Phasenregelkreis, sondern auch in Verbindung mit Mikroprozessoren, bei denen eine Spannung digital erzeugt und dann zur Steuerung der Diode in eine analoge Spannung umgewandelt werden kann durch Verwendung eines Digital-Analog-Wandlers, ADC.

Tatsächlich sind die Anwendungen für Varaktordioden nahezu unbegrenzt und sie werden in einer Vielzahl unterschiedlicher Schaltungen für eine Vielzahl unterschiedlicher Schaltungsanwendungen verwendet, sowohl für das allgemeine Design elektronischer Schaltungen als auch für das HF-Design.

Obwohl beide Namen verwendet werden: Varactor und Varicap-Diode, handelt es sich bei beiden um dieselbe Diodenform. Der Name varactor bedeutet variabler Reaktor oder Reaktanz und varicap bedeutet variable Kapazität (vari-cap).

Varaktordiodenanwendungen

Varaktordioden sind in vielen HF-Designs weit verbreitet. Sie bieten ein Verfahren zum Variieren der Kapazität innerhalb einer Schaltung durch Anlegen einer Steuerspannung. Dies gibt ihnen eine nahezu einzigartige Fähigkeit und infolgedessen sind Varaktordioden in der HF-Industrie weit verbreitet.

Obwohl Varaktordioden oder Varikapendioden in vielen verschiedenen Schaltkreisen verwendet werden können, finden sie Verwendung in zwei Hauptbereichen:

  • Spannungsgesteuerte Oszillatoren, VCOs: Spannungsgesteuerte Oszillatoren werden in vielen verschiedenen HF-Designs verwendet. Ein Hauptbereich betrifft den Oszillator innerhalb von Phasenregelkreisen. Diese können wiederum als FM-Demodulatoren oder in Frequenzsynthesizern verwendet werden. Die Varaktordiode ist eine Schlüsselkomponente innerhalb des spannungsgesteuerten Oszillators.
  • HF-Filter: Die Verwendung von Varaktordioden ermöglicht das Einstellen von Filtern. Tracking-Filter können in Empfänger-Front-End-Schaltkreisen erforderlich sein, in denen die Filter die eingehende empfangene Signalfrequenz verfolgen können. Dies kann wiederum mit einer Steuerspannung gesteuert werden. Typischerweise kann dies unter Mikroprozessorsteuerung über einen Digital-Analog-Wandler bereitgestellt werden.
  • Frequenz- und Phasenmodulatoren: Varaktordioden können in Frequenz- und Phasenmodulatoren verwendet werden. In Frequenzmodulatoren können sie über dem Resonanzelement innerhalb des Generators platziert und das Audio an die Diode angelegt werden. Auf diese Weise ändert sich seine Kapazität entsprechend dem Audio, wodurch sich die Signalfrequenz entsprechend den Kapazitätsänderungen und damit entsprechend dem Audio nach oben und unten verschiebt.

    Zur Phasenmodulation kann das Festfrequenzsignal durch ein Phasenverschiebungsnetzwerk geleitet und die Diode in dieses eingebaut werden. Wieder wird Audio an die Diode angelegt, und dies bewirkt, dass sich die Phase entsprechend den Audiovariationen verschiebt.

In Bezug auf die Schaltungen, in denen Varaktordioden verwendet werden, umfassen diese innerhalb der Oszillatoren von Phasenregelkreisen und daher viele Arten von Frequenzsynthesizern innerhalb von Filtern, bei denen die Steuerung der Filterfrequenz digital gesteuert werden muss. Sie können sogar in einigen Arten von Oberschwingungsvervielfacherschaltungen verwendet werden.

Betrieb eines variablen Kondensators

Der Schlüssel zum Verständnis der Funktionsweise eines Varaktors oder einer Varicap-Diode besteht darin, zu untersuchen, was ein Kondensator ist und was die Kapazität ändern kann. Wie aus dem folgenden Diagramm ersichtlich ist, besteht ein Kondensator aus zwei Platten mit einem isolierenden Dielektrikum dazwischen.

. Die Kapazität und die Ladungsmenge, die gespeichert werden kann, hängen von der Fläche der Platten und dem Abstand zwischen ihnen ab. .

Die Kapazität des Kondensators hängt von der Fläche der Platten ab - je größer die Fläche, desto größer die Kapazität und auch der Abstand zwischen ihnen - je größer der Abstand, desto kleiner das Kapazitätsniveau.

Bei einer in Sperrrichtung vorgespannten Diode fließt kein Strom zwischen dem Bereich vom P-Typ und dem Bereich vom N-Typ. Der Bereich vom N-Typ und der Bereich vom P-Typ können Elektrizität leiten und können als die beiden Platten und der Bereich zwischen ihnen betrachtet werden - der Verarmungsbereich ist das isolierende Dielektrikum. Dies ist genau das gleiche wie der Kondensator oben.

Wie bei jeder Diode ändert sich auch die Größe des Verarmungsbereichs, wenn die Sperrvorspannung geändert wird. Wenn die Sperrspannung an der Varaktor- oder Varikap-Diode erhöht wird, erhöht sich der Verarmungsbereich der Diode, und wenn die Sperrspannung an der Varaktordiode verringert wird, verengt sich der Verarmungsbereich. Daher ist es durch Ändern der Sperrvorspannung an der Diode möglich, die Kapazität zu ändern.

Die Varaktordiode hat eine nichtlineare Kapazitätskurve - die Kapazität der Varaktordiode ist umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Spannung über ihr. Dies bedeutet, dass anfängliche Änderungen der Sperrspannung eine viel größere Änderung der Kapazität ergeben als solche bei höheren Spannungen.

Varactor- oder Varicap-Schaltungssymbol

Die Varaktordiode oder Varikap-Diode wird in Schaltplänen oder Schemata unter Verwendung eines Symbols gezeigt, das die Dioden- und Kondensatorsymbole kombiniert. Auf diese Weise ist es offensichtlich, dass es eher als variabler Kondensator als als Gleichrichter verwendet wird.

Bei Betrieb in einem elektronischen Schaltungsdesign muss sichergestellt werden, dass die Varaktordiode in Sperrrichtung vorgespannt bleibt. Dies bedeutet, dass die Kathode in Bezug auf die Anode positiv ist, d. H. Die Kathode des Varaktors ist positiver als die Anode. Auf diese Weise wirkt der Varaktor als Kondensator und nicht als Diode in der Schaltung.

Varaktordioden-Ersatzschaltbild

Wie jede andere Komponente ist eine Varaktordiode kein perfekter Kondensator, sondern enthält verschiedene Streuelemente. Dies gilt für eine Varaktordiode, und daher ist es nützlich, die Diode als Ersatzschaltbild modellieren zu können. Der Kondensator und die Streuelemente müssen innerhalb des Entwurfs der elektronischen Schaltung verstanden und berücksichtigt werden.

Es ist ersichtlich, dass das Varaktordioden-Ersatzschaltbild mehrere Elemente enthält - die verschiedenen Schaltungselemente stellen die Hauptelemente dar, die bei Verwendung der Diode sichtbar sind.

Die verschiedenen Elemente sind wie folgt:

  • C.J. (V): Dieses Element der Varaktordiode stellt die tatsächliche variable Sperrschichtkapazität dar, die das wichtigste erforderliche Element der Diode ist.
  • R.S. (V): Dies ist der Serienwiderstand innerhalb der Diode und variiert je nach angelegter Spannung.
  • C.P.: Dieses Schaltungselement stellt die parasitäre Kapazität dar, die sich hauptsächlich aus der Kapazität um den Basisdiodenübergang selbst ergibt. Dazu tragen die Verbindungsdrähte innerhalb des Pakets bei.
  • L.P.: Diese Reihenkapazität ergibt sich hauptsächlich aus den Bindungsdrähten innerhalb des Varaktordiodenpakets. Obwohl klein, wird es in Hochfrequenz-HF-Schaltungen immer noch spürbar sein.

Der Serienwiderstand von den Leitungen in der Diode ist vernachlässigbar, insbesondere da die Diode in Sperrrichtung arbeitet und die Kapazitätspegel relativ klein sind und daher der Serienwiderstand wenig Wirkung hat.

Varaktordiodentypen

Bei der Untersuchung von Hochleistungs-Varaktordioden für bestimmte HF-Anwendungen werden häufig die Begriffe abrupte und hyperabrupt-Varaktordioden verwendet.

Diese Begriffe beziehen sich auf den Übergang und damit auf die Leistung der Varaktordiode - Hyperabrupt-Dioden, wie der Name schon sagt, mit einer sehr starken Änderung der Dotierung, die einen sehr abrupten Übergang erzeugt - tatsächlich handelt es sich um einen Hyperabrupt-Übergang!


Varactor-Spezifikationen

Obwohl die Varaktordiode aus einem PN-Übergang besteht und dieselben grundlegenden Eigenschaften aufweist, sind einige spezifische charakteristische Spezifikationen und Parameter erforderlich, um ihre Leistung als variable Kapazität zu definieren.

Diese Spezifikationen umfassen den Kapazitätswert und das Kapazitäts-Spannungsänderungsverhalten.

Die Sperrdurchbruchscharakteristik ist ebenfalls von großer Bedeutung, da häufig recht hohe Sperrspannungen erforderlich sind, um die Kapazität der Diode auf die unteren Werte zu reduzieren.

Ein weiterer sehr wichtiger Parameter ist der Qualitätsfaktor oder Q der Diode, da dies einen erheblichen Einfluss auf die Leistung der Gesamtschaltung haben kann. Niedrige Q-Werte können die Selektivität eines Filters verringern oder das Phasenrauschen eines Oszillators unter Verwendung eines Varaktors nachteilig beeinflussen.

Varaktordioden sind sehr nützliche Komponenten, die auf vielfältige Weise verwendet werden können, insbesondere in HF-Schaltkreisen. Die Möglichkeit, die Kapazität innerhalb einer Schaltung durch Variieren einer Spannung zu steuern, hat sehr viele Verwendungsmöglichkeiten und hat die Erzeugung von Elementen wie Phasenregelkreisen, indirekten Frequenzsynthesizern, verschiedenen Arten von Frequenz- und Phasenmodulatoren und vielen anderen Schaltungen ermöglicht.


Schau das Video: Varactor or called Varicap Diode Explained (Januar 2021).