الصمام الثنائي المتغير ، الذي يُطلق عليه أيضًا varicap ، VVC (السعة المتغيرة للجهد ، أو الصمام الثنائي الضبط ، هو نوع من الصمام الثنائي أشباه الموصلات الذي يتميز بسعة متغيرة تعتمد على الجهد على تقاطع p-n عندما يكون الجهاز منحازًا.

“مخطط الأسلاك استشعار تأثير القاعة ”

يعني التحيز العكسي أساسًا عندما يتعرض الصمام الثنائي لجهد معاكس ، مما يعني جهدًا إيجابيًا عند الكاثود وسالب عند الأنود.

تعتمد الطريقة التي يعمل بها الصمام الثنائي المتغير على السعة الحالية على تقاطع p-n في الصمام الثنائي أثناء وجوده في وضع منحاز معكوس.

في هذه الحالة ، نجد منطقة من الشحنات غير المكشوفة يتم إنشاؤها عبر جوانب p-n من التقاطع ، والتي تؤدي معًا إلى منطقة استنفاد عبر التقاطع.

منطقة النضوب هذه تؤسس عرض النضوب في الجهاز ، يرمز له بـ Wd.

يمكن تحديد الانتقال في السعة بسبب الشحنات غير المغطاة الموضحة أعلاه ، عبر تقاطع pn باستخدام الصيغة:

CT = البريد A / Wd

أين ه هي سماحية مواد أشباه الموصلات ، إلى هل ص ن منطقة التقاطع ، و W د هو عرض النضوب.

كيف تعمل

يمكن فهم العمل الأساسي لـ varicap أو الصمام الثنائي varactor من خلال التفسير التالي:

عندما يتم تطبيق الصمام الثنائي varactor أو varicap مع ارتفاع إمكانية التحيز العكسي ، ينتج عن ذلك زيادة في عرض نضوب الجهاز ، مما يؤدي بدوره إلى انخفاض سعة الانتقال الخاصة به.

تُظهر الصورة التالية استجابة الخصائص النموذجية للديود المتغير.

يمكننا أن نرى الانخفاض الأولي الحاد في CT استجابةً لزيادة إمكانية التحيز العكسي. عادةً ، يقتصر نطاق جهد التحيز العكسي المطبق على الصمام الثنائي ذو السعة المتغيرة على 20 فولت.

فيما يتعلق بجهد التحيز العكسي المطبق ، يمكن تقريب سعة الانتقال باستخدام الصيغة:

CT = K / (VT + VR) ^ن

في هذه الصيغة ، يعد K ثابتًا كما هو محدد بواسطة نوع مادة أشباه الموصلات المستخدمة وتخطيطها الإنشائي.

VT هو الركبة المحتملة ، كما هو موضح أدناه:

VR هو مقدار التحيز العكسي المحتمل المطبق على الجهاز.

ن يمكن أن يكون لها القيمة 1/2 للثنائيات varicap باستخدام تقاطع سبيكة ، و 1/3 للديودات التي تستخدم الوصلات المنتشرة.

في حالة عدم وجود جهد متحيز أو انحياز للجهد الصفري ، يمكن التعبير عن السعة C (0) كدالة للواقع الافتراضي من خلال الصيغة التالية.

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

الدائرة المكافئة لـ Varicap

يتم تمثيل الرموز القياسية (ب) والدائرة التقريبية المكافئة (أ) للديود varicap في الصورة التالية:

يوفر الشكل الجانبي الأيمن دائرة محاكاة تقريبية للديود varicap.

نظرًا لكونه الصمام الثنائي وفي المنطقة المنحازة العكسية ، تظهر المقاومة في الدائرة المكافئة RR كبيرة بشكل ملحوظ (حوالي 1M أوم) ، في حين أن قيمة المقاومة الهندسية Rs صغيرة جدًا. قد تختلف قيمة CT بين 2 و 100 pF اعتمادًا على نوع varicap المستخدم.

من أجل التأكد من أن قيمة RR كبيرة بما فيه الكفاية ، بحيث يمكن أن يكون تيار التسرب في حده الأدنى ، عادة ما يتم اختيار مادة السيليكون للديود varicap.

نظرًا لأنه من المفترض أن يتم استخدام الصمام الثنائي varicap بشكل خاص في التطبيقات عالية التردد للغاية ، فلا يمكن تجاهل المحاثة LS على الرغم من أنها قد تبدو صغيرة ، في nanohenries.

يمكن أن يكون تأثير هذا الحث ذو المظهر الصغير مهمًا جدًا ، ويمكن إثباته من خلال ما يلي حساب الممانعة .

XL = 2πfL ، دعنا نتخيل أن التردد سيكون عند 10 جيجاهرتز ، و LS = 1 nH ، سينتج في XLS = 2πfL = (6.28) (10¹⁰هرتز) (10^-9F) = 62.8 أوم. يبدو هذا كبيرًا جدًا ، ولا شك في أن هذا هو السبب في تحديد ثنائيات varicap بحد تردد صارم.

إذا افترضنا أن نطاق التردد مناسب ، وأن قيم RS و XLS منخفضة مقارنة بعناصر السلسلة الأخرى ، فيمكن ببساطة استبدال الدائرة المكافئة المشار إليها أعلاه بمكثف متغير.

فهم ورقة البيانات الخاصة بـ Varicap أو Varactor Diode

يمكن دراسة ورقة البيانات الكاملة للديود varicap النموذجي من الشكل التالي:

توضح نسبة C3 / C25 في الشكل أعلاه نسبة مستوى السعة عند تطبيق الصمام الثنائي مع إمكانية انحياز عكسي بين 3 إلى 25 فولت. وتساعدنا النسبة في الحصول على مرجع سريع فيما يتعلق بمستوى التغيير في السعة فيما يتعلق بإمكانية التحيز العكسي المطبقة.

ال رقم الجدارة يوفر Q نطاق الاعتبارات لتنفيذ الجهاز لتطبيق ما ، وهو أيضًا معدل نسبة الطاقة المخزنة بواسطة الجهاز السعوي لكل دورة إلى الطاقة المفقودة أو المتشتتة في كل دورة.

نظرًا لأن فقدان الطاقة يعتبر في الغالب سمة سلبية ، كلما زادت القيمة النسبية للنسبة ، كان ذلك أفضل.

جانب آخر في ورقة البيانات هو التردد الرنان للديود varicap. وهذا ما تحدده الصيغة:

fo = 1/2 درجة مئوية

يقرر هذا العامل نطاق تطبيق الصمام الثنائي varicap.

معامل درجة حرارة السعة

بالإشارة إلى الرسم البياني أعلاه ، فإن معامل درجة حرارة السعة من الصمام الثنائي varicap يمكن تقييمها باستخدام الصيغة التالية:

حيث تشير ΔC إلى الاختلافات في سعة الجهاز بسبب التغير في درجة الحرارة التي يمثلها (T1 - T0) ، لإمكانية انحياز عكسي محدد.

في ورقة البيانات أعلاه على سبيل المثال ، تظهر C0 = 29 pF مع VR = 3 V و T0 = 25 درجة مئوية.

باستخدام البيانات أعلاه ، يمكننا تقييم التغيير في سعة الصمام الثنائي varicap ، ببساطة عن طريق استبدال درجات الحرارة الجديدة T1 و TCC من الرسم البياني (0.013). بوجود VR الجديد ، يمكن توقع أن تتغير قيمة TCC وفقًا لذلك. بالرجوع إلى ورقة البيانات ، نجد أن الحد الأقصى للتردد الذي تم بلوغه سيكون 600 ميجاهرتز.

باستخدام قيمة التردد هذه ، يمكن حساب مفاعلة XL من varicap على النحو التالي:

XL = 2πfL = (6.28) (600 × 10¹⁰هرتز) (2.5 × 10^-9F) = 9.42 أوم

والنتيجة هي مقدار صغير نسبيًا ومن المقبول تجاهله.

تطبيق ديود Varicap

قليل من مجالات التطبيق عالية التردد للديود varactor أو varicap diode التي تحددها مواصفات السعة المنخفضة هي مرشحات تمرير النطاق القابلة للتعديل ، وأجهزة التحكم التلقائي في التردد ، ومكبرات الصوت ، ومعدلات FM.

يوضح المثال أدناه الصمام الثنائي varicap المطبق في دائرة الضبط.