Cara Kerja Dioda Varactor (Varicap)

Dioda varactor, juga disebut varicap, VVC (voltage-variable capacitance, atau tuning diode, adalah jenis dioda semikonduktor yang menampilkan kapasitansi yang bergantung pada tegangan variabel pada sambungan p-n-nya ketika perangkat dibiaskan terbalik.

Reverse bias pada dasarnya berarti ketika dioda dikenai tegangan berlawanan, yang berarti tegangan positif pada katoda, dan negatif pada anoda.

Cara dioda varactor beroperasi tergantung pada kapasitansi yang ada di atas sambungan p-n dioda saat berada dalam mode bias terbalik.

Dalam kondisi ini kami menemukan wilayah muatan tak tertutup yang dibangun di sisi p-n persimpangan, yang bersama-sama menghasilkan wilayah penipisan di persimpangan.

Daerah penipisan ini membentuk lebar penipisan di perangkat, disimbolkan sebagai Wd.

Transisi dalam kapasitansi karena muatan tak tertutup terisolasi yang dijelaskan di atas, melintasi persimpangan p-n dapat ditentukan menggunakan rumus:

CT = e. A / Wd

dimana e adalah permitivitas bahan semikonduktor, UNTUK adalah p-n area persimpangan, dan W d adalah lebar penipisan.

Bagaimana itu bekerja

Cara kerja dasar varicap atau dioda varactor dapat dipahami dengan penjelasan berikut:

Ketika varactor atau varicap diode diterapkan dengan potensi bias balik yang meningkat, menghasilkan peningkatan lebar penipisan perangkat, yang pada gilirannya menyebabkan kapasitansi transisinya menurun.

Gambar berikut menunjukkan respons karakteristik khas dari dioda varactor.

Kita dapat melihat penurunan awal CT yang curam sebagai respons terhadap peningkatan potensi bias balik. Biasanya, kisaran untuk tegangan bias balik yang diterapkan VR untuk dioda kapasitansi tegangan variabel dibatasi hingga 20 V.

Berkenaan dengan tegangan bias balik yang diterapkan, kapasitansi transisi dapat diperkirakan menggunakan rumus:

CT = K / (VT + VR) ⁿ

Dalam rumus ini, K adalah konstanta yang ditentukan oleh jenis bahan semikonduktor yang digunakan dan tata letak konstruksinya.

VT adalah potensi lutut , seperti yang dijelaskan di bawah ini:

VR adalah jumlah potensial bias balik yang diterapkan pada perangkat.

n dapat memiliki nilai 1/2 untuk dioda varicap menggunakan sambungan paduan, dan 1/3 untuk dioda menggunakan sambungan tersebar.

Dengan tidak adanya tegangan bias atau pada bias tegangan nol, kapasitansi C (0) sebagai fungsi VR dapat diekspresikan melalui rumus berikut.

CT (VR) = C (0) / (1 + | VR / VT |) ⁿ

Rangkaian Ekuivalen Varicap

Simbol standar (b) dan rangkaian perkiraan ekuivalen (a) dari dioda varicap diwakili dalam gambar berikut:

Gambar sisi kanan memberikan rangkaian simulasi perkiraan untuk dioda varicap.

Menjadi dioda dan di wilayah bias terbalik, resistansi di sirkuit ekuivalen RR ditampilkan secara signifikan besar (sekitar 1M Ohm), sedangkan nilai resistansi geometris Rs cukup kecil. Nilai CT dapat bervariasi antara 2 dan 100 pF tergantung pada jenis varicap yang digunakan.

Untuk memastikan bahwa nilai RR cukup besar, sehingga arus bocor dapat diminimalkan, bahan silikon biasanya dipilih untuk dioda varicap.

Karena dioda varicap seharusnya digunakan secara khusus dalam aplikasi frekuensi sangat tinggi, LS induktansi tidak dapat diabaikan meskipun mungkin terlihat kecil, dalam nanohenries.

Pengaruh induktansi yang tampak kecil ini bisa menjadi cukup signifikan, dan dapat dibuktikan melalui hal berikut perhitungan reaktansi .

XL = 2πfL, Bayangkan, frekuensi menjadi 10 GHz, dan LS = 1 nH, akan menghasilkan XLS = 2πfL = (6.28) (10¹⁰Hz) (10^-9F) = 62,8 Ohm. Ini terlihat terlalu besar, dan tidak diragukan lagi inilah mengapa dioda varicap ditentukan dengan batas frekuensi yang ketat.

Jika kita menganggap rentang frekuensi sesuai, dan nilai RS, XLS lebih rendah dibandingkan dengan elemen seri lainnya, rangkaian ekivalen yang ditunjukkan di atas dapat dengan mudah diganti dengan kapasitor variabel.

Memahami Lembar Data Varicap atau Diode Varactor

Lembar Data Lengkap dari dioda varicap dapat dipelajari dari gambar berikut:

Rasio C3 / C25 pada gambar di atas, menunjukkan rasio tingkat kapasitansi ketika dioda diterapkan dengan potensi bias balik antara 3 hingga 25 V.Rasio tersebut membantu kita mendapatkan referensi cepat mengenai tingkat perubahan dalam kapasitansi sehubungan dengan potensi bias balik yang diterapkan.

Itu sosok Merit Q memberikan rentang pertimbangan untuk mengimplementasikan perangkat untuk suatu aplikasi, dan juga merupakan rasio rasio energi yang disimpan oleh perangkat kapasitif per siklus terhadap energi yang hilang atau dihamburkan per siklus.

Karena kehilangan energi sebagian besar dianggap sebagai atribut negatif, semakin tinggi nilai relatif rasionya, semakin baik.

Aspek lain dalam lembar data adalah frekuensi resonansi dari dioda varicap. Dan ini ditentukan oleh rumus:

fo = 1 / 2π√LC

Faktor ini menentukan rentang aplikasi dioda varicap.

Koefisien Suhu Kapasitansi

Mengacu pada grafik di atas, file koefisien suhu kapasitansi dari dioda varicap dapat dievaluasi menggunakan rumus berikut:

di mana ΔC menandakan variasi dalam kapasitansi perangkat karena perubahan suhu yang diwakili oleh (T1 - T0), untuk potensi bias balik tertentu.

Pada datasheet di atas misalnya, menunjukkan C0 = 29 pF dengan VR = 3 V dan T0 = 25 derajat Celcius.

Dengan menggunakan data di atas kita dapat mengevaluasi perubahan kapasitansi dioda varicap, cukup dengan mengganti nilai T1 suhu baru dan TCC dari grafik (0,013). Dengan adanya VR baru, nilai TCC diharapkan dapat bervariasi. Mengacu kembali ke datasheet, kami menemukan bahwa frekuensi maksimum yang dicapai adalah 600 MHz.

Dengan menggunakan nilai frekuensi ini, reaktansi XL dari varicap dapat dihitung sebagai:

XL = 2πfL = (6.28) (600 x 10¹⁰Hz) (2,5 x 10^-9F) = 9,42 Ohm

Hasilnya adalah besaran yang relatif kecil dan dapat diterima untuk diabaikan.

Penerapan Varicap Diode

Beberapa area aplikasi frekuensi tinggi dari varactor atau varicap diode yang ditentukan oleh spesifikasi kapasitansi rendah adalah filter bandpass yang dapat disesuaikan, perangkat kontrol frekuensi otomatis, amplifier parametrik, dan modulator FM.

Contoh di bawah ini menunjukkan dioda varicap yang diimplementasikan dalam rangkaian tuning.

Rangkaian tersebut terdiri dari kombinasi rangkaian tangki L-C, yang frekuensi resonansinya ditentukan oleh:

fp = 1 / 2π√LC'T (sistem Q tinggi) yang memiliki level C'T = CT + Cc, yang ditetapkan oleh VDD potensial bias balik yang diterapkan.

Kapasitor kopling CC memastikan perlindungan yang diperlukan terhadap kecenderungan korslet L2 tegangan bias yang diterapkan.

Frekuensi yang dimaksudkan dari rangkaian yang disetel kemudian diizinkan untuk pindah ke penguat impedansi input tinggi untuk amplifikasi lebih lanjut.