Varicap-Diode:Der ultimative Leitfaden für Elektronik-Enthusiasten

Elektronische Schaltungen bestehen typischerweise aus Widerständen, Kondensatoren, Transformatoren, Dioden, Transistoren usw. Nun stellen wir einen speziellen Diodentyp vor. Varicap-Dioden stellen nützliche Anwendungen in der Elektronikindustrie dar, indem sie eine spannungsgesteuerte Kapazität bereitstellen. Außerdem steuern sie Spannungspegel in einem Phasenregelkreis.

Diese können in alle Arten von Abstimmschaltungen und Frequenz-HF-Schaltungen integriert werden. Also lasst uns einen Blick darauf werfen! Das Verständnis seines Zwecks und des Betriebsablaufs kann verwirrend erscheinen. Daher haben wir diesen Leitfaden zusammengestellt, um Ihnen zu helfen, mehr Wissen zu diesem speziellen Thema zu erlangen.

(Bild zeigt eine Varicap-Diode. Quelle:Wikimedia Commons)

1. Was ist eine Varicap-Diode?

Eine Diode mit variabler Kapazität (variable Kapazität) ist ein einzigartiger Halbleiter, der auch als Varaktor oder Abstimmdiode bekannt ist. Es bietet spannungsabhängige Kapazitätsausnutzungsfunktionen am p-n-Übergang des Geräts in Sperrrichtung.

2. Typ und Anwendung der Varicap-Diode

Im Folgenden werden wir die verschiedenen Typen von Varicap-Dioden besprechen. Wir haben auch einige der Anwendungen der Komponente untersucht.

Typen

Hyper abrupt

Hyperabrupte Varaktordioden bieten eine höhere Kapazität für die Spannungsänderung. Es arbeitet auch mit Niederspannung.

Abrupt

Der gebräuchlichste Typ, abrupte Varaktordioden, besteht aus einer konstanten Dotierungskonzentration. In diesem Fall wird seine Verbindungsstelle einem Dotierungsprofil unterzogen, das während des Herstellungsprozesses kontrolliert wird. Außerdem bleibt die Kapazität umgekehrt proportional zur empfangenen Spannung.

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HF-Filter:

Tatsächliche Varicap-Dioden können auch Filterabstimmungsfähigkeiten bereitstellen. Dies beinhaltet dementsprechend die Implementierung von Tracking-Empfängern in Front-End-Schaltungen, die es ihnen ermöglichen, eingehende Signale zu überwachen. Dann regelt eine geregelte Spannung diese Funktionalität durch einen Digital-Analog-Wandler.

Spannungsgesteuerte Oszillatoren (VCO):

Verschiedene HF-Konfigurationen umfassen spannungsgesteuerte Oszillatoren mit der Varaktordiode, einer besonders wichtigen Komponente. Der primäre Betrieb der Oszillatoren beinhaltet insbesondere Phased Locked Loops. Aus diesem Grund bieten diese Anwendungen für Frequenzsynthesizer oder FM-Demodulatoren.

(Synthesizer enthalten einen VCO, der eine Varicap-Diode verwendet)

Frequenz- und Phasenmodulatoren verwenden auch Varicap-Dioden. Frequenzmodulatoren integrieren diese normalerweise über die elektrische Resonanz im Generator, sodass die Diode Audio empfangen kann. Als Ergebnis gleicht sich die Kapazität mit dem Audio aus. Dadurch bewegt sich das Frequenzsignal nach oben und unten und passt sich den Kapazitätsschwankungen unter diesen Umständen an.

Bei Phasenmodulatoren wird eine Varicap-Diode in das Phasenverschiebungsnetzwerk eingebaut, in dem ein Frequenzsignal fließt. Die Diode empfängt Audio, wodurch die Phase mit den Audiovariationen synchronisiert wird.

3. Funktionsprinzip der Varicap-Diode

Schaltplan Varicap-Diode:

(Bild zeigt eine Varicap-Diode auf einem Schaltkreis. Quelle:Wikimedia Commons)

Variables Diodenschaltkreissymbol:

Wenn Sie sich das schematische Symbol der variablen Diode unten ansehen, werden Sie sehen, dass sie ähnliche Eigenschaften wie eine Diode mit PN-Übergang aufweist. Das liegt daran, dass die Varicap-Diode einen Anoden- und einen Kathodenanschluss aufweist. Sie finden die Diode an einem Ende des Symbols. Währenddessen enthält das gegenüberliegende Ende zwei parallele Linien, um die leitfähigen Platten des Kondensators zu symbolisieren. Schließlich repräsentiert der Raum zwischen diesen beiden Platten das isolierende Dielektrikum.

(Variables Diodenschaltkreissymbol. Quelle:Wikimedia Commons)

Formel:

Drei Parameter beeinflussen die Kapazität der Varicap-Diode. Dazu gehören der Querschnitt des PN-Übergangs (A), der Halbleiter (Ɛ) und die Breite des Verarmungsbereichs (d). Beispielsweise finden Sie dies in der folgenden Formel dargestellt:

Funktionsprinzip:

Wir müssen uns einen Kondensator ansehen, um das Funktionsprinzip der Varicap-Diode zu verstehen. Kondensatoren enthalten im Allgemeinen zwei leitfähige Metallplatten mit einem isolierenden Dielektrikum, das zwischen den beiden angeordnet ist. Die P-Typ- und N-Typ-Bereiche einer Varicap-Diode dienen als leitfähige Platten, während der Verarmungsbereich das Dielektrikum darstellt. Aufgrund ihres ähnlichen Aufbaus und Designs wie ein Kondensator erzeugt die Diode eine Kapazität.

(Eine Varicap-Diode enthält ähnliche Eigenschaften wie ein Kondensator)

Die Kapazität erhöht sich, wenn sich die Dielektrizitätskonstante erhöht oder beide Platten einen geringeren Abstand haben. Ein größerer Abstand zwischen den beiden oder eine abnehmende Dielektrizitätskonstante führt jedoch zu einer verringerten Kapazität. Gleichzeitig ist die Kapazität einer Varaktordiode proportional zum Querschnittsbereich des Übergangs. Und es ist umgekehrt proportional zur Breite der Verarmungsregion. Daher treten Kapazitätsänderungen aufgrund der Breitenanpassung des Verarmungsbereichs auf.

Daher wird eine Varicap-Diode in Sperrichtung folglich Änderungen im Verarmungsbereich verursachen. Für den Anfang wird sich der Bereich verbreitern, sobald die Rückwärtsvorspannung zunimmt. Tatsächlich wächst der Raum zwischen dem N-Typ und dem P-Typ, was die Kapazität verringert. Das Verringern der umgekehrten Vorspannung bewirkt, dass sich der Verarmungsbereich verengt. Als Ergebnis verkürzt sich der Abstand zwischen den Bereichen sowohl vom N-Typ als auch vom P-Typ, was die Kapazität erhöht. Daher ändert das Anlegen einer anderen Sperrvorspannung an die Varicap-Diode die Kapazität.

(Bild, das die Auswirkungen erhöhter und verringerter Kapazität zeigt. Quelle:Wikimedia Commons)

Grundlegende Bedienung:

Die Varicap-Diode speichert im Wesentlichen elektrische Ladung. In diesem Fall arbeiten diese Komponenten im Allgemeinen in Sperrichtung. Das Anlegen einer umgekehrten Vorspannung bewirkt, dass sich die Elektronen der n-Region und die Löcher der p-Region vom Übergang des Geräts trennen.

4. Varicap-Dioden-Ersatzschaltbild

Eine Varicap-Diode enthält normalerweise mehrere Hauptkomponenten, die beim Entwerfen einer Diodenersatzschaltung hilfreich sein können.

Zu den verschiedenen Streuelementen gehören:

• Rs (V):Dies dient als Serienwiderstand für die Diode. Sie unterscheidet sich je nach empfangener Spannung.
• CJ (V):Der hier verwendete Aspekt zeigt die variable Sperrschichtkapazität. Es dient auch als primäres Element der Diode.
• LP:Bindedrähte in der Varicap-Diode führen zu einer Erhöhung der Serienkapazität.
• CP:Dies repräsentiert die parasitäre Kapazität. Das Anschließen von Drähten in der Diode führt dazu, dass die parasitäre Kapazität um ihren Übergang herum ansteigt.

5. Der Temperaturkoeffizient des Kondensators

Sie können die Temperatur des Kapazitätskoeffizienten der Varicap-Diode mit der folgenden Formel berechnen:

Der ΔC-Wert stellt die Kapazitätsänderungen des Geräts aufgrund von Temperaturschwankungen (T1 – T0) während der Rückwärtsvorspannung dar. Zum Beispiel betrachten wir einen Wert, bei dem C₀ entspricht 29 pF bei einem VR von 3 V und T₀ bei 25. Dann berechnen wir die Kapazitätsänderungen der Varicap-Diode. Mit dem VR-Wert, dem TC_C wird variieren. Als Ergebnis wird die maximale Frequenz auf 600 MHz eingestellt. Sie können dann die Reaktanz der Varicap-Diode mit der Formel berechnen:

Schlussfolgerung

Wie wir bereits wissen, dienen Varicap-Dioden als nützliche Komponente in elektronischen und HF-Schaltungen. Darüber hinaus enthält dieses Gerät ähnliche Merkmale wie ein Kondensator, was zeigt, wie es die Kapazität durch eine Varianz der Sperrvorspannung erhöht oder verringert. Wir haben uns auch einige seiner Anwendungen angesehen, darunter HF-Filter, VCOs und Frequenz- und Phasenmodulatoren. Im Allgemeinen gibt es heute zwei Arten von Varaktordioden, abrupt und hyperabrupt. Jeder erfüllt seinen einzigartigen Zweck für die Kapazität.

Haben Sie Fragen zu einer Varicap-Diode? Sprechen Sie uns gerne an!