Hispanopedia WikiUn diodo varicap , diodo varactor , diodo de capacitancia variable , diodo de reactancia variable o diodo de sintonización es un tipo de diodo diseñado para aprovechar la capacitancia dependiente del voltaje de una unión p-n polarizada inversamente . [ 1 ]
Aplicaciones
Los varactores se utilizan como condensadores controlados por voltaje . Se emplean comúnmente en osciladores controlados por voltaje , amplificadores paramétricos y multiplicadores de frecuencia . [ 2 ] Los osciladores controlados por voltaje tienen muchas aplicaciones, como la modulación de frecuencia para transmisores FM y bucles de enganche de fase . Los bucles de enganche de fase se utilizan para los sintetizadores de frecuencia que sintonizan muchas radios, televisores y teléfonos celulares .
El varicap fue desarrollado por Pacific Semiconductor, filial de Ramo Wooldridge Corporation, que obtuvo la patente del dispositivo en junio de 1961. [ 3 ] El nombre del dispositivo también fue registrado como marca comercial "Variacap" por TRW Semiconductors , sucesora de Pacific Semiconductors, en octubre de 1967. Esto ayuda a explicar los diferentes nombres que recibió el dispositivo a medida que se fue utilizando.
Operación
Los varactores funcionan en polarización inversa , por lo que no circula corriente continua a través del dispositivo. La magnitud de la polarización inversa controla el grosor de la zona de agotamiento y, por lo tanto, la capacitancia de la unión del varactor. La variación de la capacitancia depende del perfil de dopaje. Generalmente, para un perfil de unión abrupto, el grosor de la región de agotamiento es proporcional a la raíz cuadrada de la tensión aplicada, y la capacitancia es inversamente proporcional a dicho grosor. Por consiguiente, la capacitancia es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la tensión aplicada. Para un perfil de unión hiperabrupto, la variación de la capacitancia es más no lineal, pero los varactores hiperabruptos presentan una mayor variación de capacitancia y pueden funcionar con tensiones más bajas.
Todos los diodos presentan esta capacitancia de unión variable, pero los varactores se fabrican para aprovechar este efecto y aumentar la variación de la capacitancia.
La figura muestra un ejemplo de sección transversal de un varactor con la capa de agotamiento formada por una unión ap-n. Esta capa de agotamiento también puede estar compuesta por un diodo MOS o Schottky . Esto es importante en la tecnología CMOS y MMIC .
Uso en un circuito
Circuitos de sintonización
Generalmente, el uso de un diodo varicap en un circuito requiere conectarlo a un circuito sintonizado , usualmente en paralelo con cualquier capacitancia o inductancia existente. [ 4 ] Se aplica un voltaje de CC como polarización inversa a través del varicap para modificar su capacitancia. El voltaje de polarización de CC debe bloquearse para que no ingrese al circuito sintonizado. Esto se puede lograr colocando un condensador de bloqueo de CC con una capacitancia aproximadamente 100 veces mayor que la capacitancia máxima del diodo varicap en serie con él y aplicando CC desde una fuente de alta impedancia al nodo entre el cátodo del varicap y el condensador de bloqueo, como se muestra en el circuito superior izquierdo del diagrama adjunto.
Dado que no circula una corriente continua significativa por el varicap, el valor de la resistencia que conecta su cátodo a la resistencia de tensión de control de CC puede estar entre 22 kΩ y 150 kΩ, y el del condensador de bloqueo entre 5 y 100 nF. En ocasiones, con circuitos sintonizados de factor Q muy alto, se coloca un inductor en serie con la resistencia para aumentar la impedancia de la fuente de tensión de control y así evitar sobrecargar el circuito sintonizado y disminuir su factor Q.
Otra configuración común utiliza dos diodos varicap conectados en serie (ánodo con ánodo). (Véase el circuito inferior izquierdo del diagrama). El segundo varicap sustituye eficazmente al condensador de bloqueo del primer circuito. Esto reduce a la mitad la capacitancia total y su rango, pero tiene la ventaja de disminuir la componente de CA de la tensión en cada dispositivo y presenta una distorsión simétrica si la componente de CA tiene la amplitud suficiente para polarizar los varicaps en conducción directa.
Al diseñar circuitos de sintonización con varicaps, suele ser una buena práctica mantener el componente de CA de la tensión a través del varicap en un nivel mínimo, normalmente inferior a 100 mV de pico a pico, para evitar que la capacitancia del diodo cambie demasiado, lo que distorsionaría la señal y añadiría armónicos.
Un tercer circuito, situado en la parte superior derecha del diagrama, utiliza dos varicaps conectados en serie y conexiones de tierra separadas para las señales de CC y CA. La tierra de CC se representa con el símbolo de tierra tradicional, y la tierra de CA con un triángulo abierto. La separación de las tierras se realiza a menudo para (i) evitar la radiación de alta frecuencia proveniente del nodo de tierra de baja frecuencia, y (ii) evitar que las corrientes de CC en el nodo de tierra de CA alteren la polarización y los puntos de operación de dispositivos activos como varicaps y transistores.
Estas configuraciones de circuitos son bastante comunes en sintonizadores de televisión y receptores de radio AM y FM sintonizados electrónicamente, así como en otros equipos de comunicaciones y equipos industriales. Los primeros diodos varicap generalmente requerían un rango de voltaje inverso de 0 a 33 V para obtener sus rangos de capacitancia completos, que aún eran bastante pequeños, aproximadamente de 1 a 10 pF. Estos tipos se usaban —y todavía se usan— ampliamente en sintonizadores de televisión, cuyas altas frecuencias portadoras requieren solo pequeñas variaciones de capacitancia.
Con el tiempo, se desarrollaron diodos varicap que presentaban amplios rangos de capacitancia, de 100 a 500 pF, con variaciones relativamente pequeñas en la polarización inversa: de 0 a 5 V o de 0 a 12 V. Estos nuevos dispositivos permiten la creación de receptores de radiodifusión AM sintonizados electrónicamente, así como una multitud de otras funciones que requieren grandes variaciones de capacitancia a bajas frecuencias, generalmente por debajo de 10 MHz. Algunos diseños de lectores de etiquetas de seguridad electrónicas utilizados en comercios minoristas requieren estos varicaps de alta capacitancia en sus osciladores controlados por voltaje.
Los tres dispositivos con terminales que se muestran en la parte superior de la página son generalmente dos varicaps conectados en cátodo común en un solo encapsulado. En el sintonizador AM/FM de consumo que se muestra a la derecha, un único diodo varicap de doble encapsulado ajusta tanto la banda de paso del circuito tanque (el selector de emisoras principal) como el oscilador local , con un varicap para cada uno. Esto se hace para reducir costes : se podrían haber utilizado dos encapsulados dobles, uno para el tanque y otro para el oscilador, cuatro diodos en total, y esto es lo que se mostraba en los datos de la aplicación para el chip de radio AM LA1851N. Dos varactores dobles de menor capacitancia utilizados en la sección de FM (que opera a una frecuencia aproximadamente cien veces mayor) están resaltados con flechas rojas. En este caso, se utilizan cuatro diodos, mediante un encapsulado doble para el tanque/filtro de paso de banda y un encapsulado doble para el oscilador local.
Multiplicación armónica
En algunas aplicaciones, como la multiplicación de armónicos , se aplica una tensión alterna de gran amplitud a través de un varicap para variar deliberadamente la capacitancia a la frecuencia de la señal y generar armónicos superiores, que se extraen mediante filtrado. Si se aplica una corriente sinusoidal de amplitud suficiente a través de un varicap, la tensión resultante adquiere una forma más triangular y se generan armónicos impares.
Este fue uno de los primeros métodos utilizados para generar frecuencias de microondas de potencia moderada, de 1 a 2 GHz con una potencia de 1 a 5 vatios, a partir de unos 20 vatios a una frecuencia de 3 a 400 MHz, antes de que se desarrollaran transistores adecuados para operar a esta frecuencia más alta. Esta técnica todavía se utiliza para generar frecuencias mucho más altas, en el rango de 100 GHz a 1 THz, donde incluso los transistores de GaAs más rápidos siguen siendo insuficientes.
Sustitutos de los diodos varicap
Todos los dispositivos de unión semiconductores presentan este efecto, por lo que pueden utilizarse como varicaps, pero sus características no estarán controladas y pueden variar ampliamente entre lotes.
Entre los varicaps improvisados más populares se incluyen los LEDs, [ 5 ] los diodos rectificadores de la serie 1N400X, [ 6 ] los rectificadores Schottky y varios transistores utilizados con sus uniones colector-base polarizadas inversamente, [ 7 ] en particular el 2N2222 y el BC547 . La polarización inversa de las uniones emisor-base de los transistores también es bastante efectiva siempre que la amplitud de CA se mantenga pequeña. El voltaje máximo de polarización inversa suele estar entre 5 y 7 voltios, antes de que comience el proceso de avalancha. Los dispositivos de mayor corriente con mayor área de unión tienden a poseer mayor capacitancia. El varicap Philips BA 102 y un diodo zener común, el 1N5408 , exhiben cambios similares en la capacitancia de unión, con la excepción de que el BA 102 posee un conjunto específico de características en relación con la capacitancia de unión (mientras que el 1N5408 no) y el "Q" del 1N5408 es menor.
Antes del desarrollo del varicap, se utilizaban condensadores variables accionados por motor o reactores de núcleo saturable como reactancias controlables eléctricamente en los VCO y filtros de equipos como los analizadores de espectro alemanes de la Segunda Guerra Mundial .
Véase también
- Los varactores de barrera de heteroestructura son dispositivos semiconductores simétricos con capacitancia variable.
- Los condensadores ferroeléctricos tienen una capacitancia variable debido a los efectos de histéresis.
- Capacitancia de difusión
Referencias
- ↑ Sedra, Adel ; Smith, Kenneth (2010). Circuitos microelectrónicos (6.ª ed.). Nueva York: Oxford University Press . pág. 214. ISBN 9780195323030.
- ↑ Calvert, James (15 de febrero de 2002). "Varactores" . Página principal del Dr. Tuttle . Consultado el 23 de enero de 2017 .
- ↑ US 2989671 , Barnes, Sanford H. y Mann, John E., "Condensador semiconductor sensible al voltaje", publicado el 23 de mayo de 1958, emitido el 20 de junio de 1961, asignado a Pacific Semiconductors, Inc.
- ↑ Circuitos varactores http://www.radio-electronics.com/info/data/semicond/varactor-varicap-diodes/circuits.php
- ↑ LED como Varicaps http://www.hanssummers.com/varicap/varicapled.html
- ↑ Diodos rectificadores como varicaps http://www.hanssummers.com/varicap/varicapdiode.html
- ↑ John Linsley Hood (1993). El arte de la electrónica lineal . Elsevier. pág. 210. ISBN 978-1-4831-0516-1.
Lecturas adicionales
- Mortenson, Kenneth E. (1974). Diodos de capacitancia variable: funcionamiento y caracterización de diodos varactores, de almacenamiento de carga y PIN para aplicaciones de RF y microondas . Dedham, Mass.: Artech House.
- Penfield, Paul y Rafuse, Robert P. (1962). Aplicaciones de los varactores. Cambridge, MIT Press.
Enlaces externos
- Aprendizaje mediante simulaciones: Cálculo de las características de un diodo varactor para diferentes perfiles de dopaje.
- VCO de FI sin ajuste: Parte 1: Consideraciones de diseño de Maxim.
- Conceptos básicos del diodo varactor con consejos de diseño.
- condensadores
- Diodos