バラクター(バリキャップ)ダイオードのしくみ

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バリキャップとも呼ばれるバラクターダイオード、VVC(電圧可変容量、またはチューニングダイオード)は、デバイスが逆バイアスされたときに、p-n接合に可変の電圧依存容量を備えた半導体ダイオードの一種です。

逆バイアスとは、基本的に、ダイオードが反対の電圧にさらされることを意味します。つまり、カソードで正の電圧、アノードで負の電圧を意味します。



バリキャップまたはバラクターダイオード バリキャップバラクターダイオードのシンボル

バラクタダイオードの動作方法は、逆バイアスモードのダイオードのp-n接合の既存の静電容量によって異なります。

この状態では、接合部のp-n側にカバーされていない電荷の領域が確立されており、接合部全体に空乏領域が生じています。



この空乏領域は、 空乏幅 デバイスでは、Wdとして表されます。

p-n接合を横切る、上記で説明した孤立したカバーされていない電荷による静電容量の遷移は、次の式を使用して決定できます。

CT =e。A/ Wd

どこ e は半導体材料の誘電率です。 それは p-n ジャンクションエリア、およびW d 空乏幅です。

使い方

バリキャップまたはバラクターダイオードの基本的な動作は、次の説明で理解できます。

バラクタまたはバリキャップダイオードが逆バイアス電位の上昇とともに印加されると、デバイスの空乏幅が増加し、その結果、遷移容量が減少します。

次の画像は、バラクタダイオードの典型的な特性応答を示しています。

バリキャップダイオードの特性

逆バイアス電位の増加に応じて、CTの初期の急激な低下が見られます。通常、可変電圧容量ダイオードに印加される逆バイアス電圧VRの範囲は20Vに制限されています。

印加される逆バイアス電圧に関して、遷移容量は次の式を使用して概算できます。

CT = K /(VT + VR) n

この式では、Kは、使用される半導体材料のタイプとその構造レイアウトによって決定される定数です。

VTは 膝の可能性 、以下に説明するように:

VRは、デバイスに適用される逆バイアス電位の量です。

n 合金接合を使用するバリキャップダイオードの場合は1/2、拡散接合を使用するダイオードの場合は1/3の値をとることができます。

バイアス電圧がない場合、またはゼロ電圧バイアスの場合、VRの関数としての静電容量C(0)は次の式で表すことができます。

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

バリキャップ等価回路

バリキャップダイオードの標準記号(b)と同等の近似回路(a)を次の画像に示します。

右側の図は、バリキャップダイオードのおおよそのシミュレーション回路を示しています。

ダイオードであり、逆バイアス領域にあるため、等価回路RRの抵抗は非常に大きく(約1Mオーム)示されますが、幾何学的抵抗値Rsは非常に小さくなります。 CTの値は、使用するバリキャップのタイプに応じて2〜100pFの間で変化する可能性があります。

RRの値が十分に大きく、リーク電流を最小限に抑えるために、 バリキャップダイオードには通常、シリコン材料が選択されます。

バリキャップダイオードは特に超高周波アプリケーションで使用されることになっているため、ナノヘンリーでは、インダクタンスLSは小さく見えても無視できません。

この小さく見えるインダクタンスの影響は非常に重要である可能性があり、次の方法で証明できます。 リアクタンス計算 。

XL =2πfL、想像してみましょう。周波数が10 GHzで、LS = 1 nHの場合、XLS =2πfL=(6.28)(1010Hz)(10-9F)= 62.8オーム。これは大きすぎるように見えます。これが、バリキャップダイオードが厳密な周波数制限で指定されている理由であることは間違いありません。

周波数範囲が適切であり、RS、XLSの値が他の直列要素と比較して低いと仮定すると、上記の等価回路は単純に可変コンデンサに置き換えることができます。

バリキャップまたはバラクターダイオードのデータシートを理解する

典型的なバリキャップダイオードの完全なデータシートは、次の図から調べることができます。

上の図のC3 / C25の比率は、ダイオードに3〜25 Vの逆バイアス電位を印加したときの静電容量レベルの比率を示しています。この比率は、変化のレベルに関するクイックリファレンスを取得するのに役立ちます。印加された逆バイアス電位に対する静電容量。

ザ・ 性能指数 Qは、アプリケーションにデバイスを実装するための考慮範囲を提供します。また、サイクルごとに損失または消費されるエネルギーに対する、サイクルごとに容量デバイスによって蓄積されるエネルギーの比率でもあります。

エネルギーの損失は主に負の属性と見なされるため、比率の相対値が高いほど良いです。

データシートのもう1つの側面は、バリキャップダイオードの共振周波数です。そして、これは次の式によって決定されます。

fo = 1 /2π√LC

この係数により、バリキャップダイオードの適用範囲が決まります。

静電容量温度係数

上のグラフを参照すると、 静電容量温度係数 バリキャップダイオードの特性は、次の式を使用して評価できます。

ここで、ΔCは、特定の逆バイアス電位に対する、(T1-T0)で表される温度変化によるデバイスの静電容量の変動を示します。

たとえば、上記のデータシートでは、C0 = 29 pF、VR = 3 V、T0 = 25℃と示されています。

上記のデータを使用して、グラフ(0.013)の新しい温度T1値とTCCを代入するだけで、バリキャップダイオードの静電容量の変化を評価できます。新しいVRを使用すると、TCC値はそれに応じて変化することが予想されます。データシートに戻ると、達成される最大周波数は600MHzであることがわかります。

この周波数値を使用して、バリキャップのリアクタンスXLは次のように計算できます。

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

結果は比較的小さい大きさであり、それを無視することは許容されます。

バリキャップダイオードの応用

低静電容量仕様によって決定されるバラクターまたはバリキャップダイオードの高周波アプリケーション領域のいくつかは、調整可能なバンドパスフィルター、自動周波数制御デバイス、パラメトリック増幅器、およびFM変調器です。

以下の例は、チューニング回路に実装されたバリキャップダイオードを示しています。

この回路は、共振周波数が次の要素によって決定されるL-Cタンク回路の組み合わせで構成されています。

fp = 1 /2π√LC'T (高Qシステム)C'Tレベル= CT + Ccを持ち、適用された逆バイアス電位VDDによって確立されます。

カップリングコンデンサCCは、印加されたバイアス電圧L2の短絡傾向に対して必要な保護を保証します。

その後、同調回路の意図された周波数は、さらなる増幅のために高入力インピーダンス増幅器に移動することが許可されます。




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