En electrónica , un diodo varicap , diodo varactor , diodo de capacitancia variable , diodo de reactancia variable o diodo de sintonización es un tipo de diodo diseñado para explotar la capacitancia dependiente del voltaje de una unión p–n con polarización inversa . [1]
Los varactores se utilizan como condensadores controlados por voltaje . Se utilizan 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 de 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 la subsidiaria Pacific Semiconductor de Ramo Wooldridge Corporation, que recibió una patente para el dispositivo en junio de 1961. [3] El nombre del dispositivo también fue registrado como "Varicap" por TRW Semiconductors , el sucesor de Pacific Semiconductors, en octubre de 1967. Esto ayuda a explicar los diferentes nombres del dispositivo a medida que comenzó a usarse. [ aclaración necesaria ]
Los varactores funcionan en un estado de polarización inversa , por lo que no fluye corriente continua a través del dispositivo. La cantidad de polarización inversa controla el grosor de la zona de agotamiento y, por lo tanto, la capacitancia de la unión del varactor. La característica de cambio de capacitancia depende del perfil de dopaje. Generalmente, para el perfil de unión abrupta, el grosor de la región de agotamiento es proporcional a la raíz cuadrada del voltaje aplicado, y la capacitancia es inversamente proporcional al grosor de la región de agotamiento. Por lo tanto, la capacitancia es inversamente proporcional a la raíz cuadrada del voltaje aplicado. Para el perfil de unión hiperabrupto, el cambio de capacitancia es más no lineal, pero los varicaps hiperabruptos tienen una variación de capacitancia mayor y pueden funcionar con voltajes más bajos.
Todos los diodos exhiben esta capacitancia de unión variable, pero los varactores se fabrican para explotar el efecto y aumentar la variación de capacitancia.
La figura muestra un ejemplo de una sección transversal de un varactor con la capa de depleción formada por una unión p-n. Esta capa de depleción también puede estar formada por un diodo MOS o Schottky . Esto es importante en la tecnología CMOS y MMIC .
Generalmente, el uso de un diodo varicap en un circuito requiere conectarlo a un circuito sintonizado , generalmente en paralelo con cualquier capacitancia o inductancia existente. [4] Se aplica un voltaje de CC como polarización inversa a través del varicap para alterar su capacitancia. El voltaje de polarización de CC debe bloquearse para que no entre al circuito sintonizado. Esto se puede lograr colocando un capacitor 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 capacitor de bloqueo como se muestra en el circuito superior izquierdo en el diagrama adjunto.
Dado que no fluye una corriente continua significativa en el varicap, el valor de la resistencia que conecta su cátodo de nuevo a la resistencia de voltaje de control de CC puede estar en algún lugar en el rango de 22 kΩ a 150 kΩ y el capacitor de bloqueo en algún lugar en el rango de 5 a 100 nF. A veces, con circuitos sintonizados con un Q muy alto, se coloca un inductor en serie con la resistencia para aumentar la impedancia de la fuente del voltaje de control de modo de no cargar el circuito sintonizado y disminuir su Q.
Otra configuración común utiliza dos diodos varicap uno detrás del otro (ánodo con ánodo). (Vea el circuito inferior izquierdo en el diagrama). El segundo varicap reemplaza efectivamente al capacitor de bloqueo en el primer circuito. Esto reduce la capacitancia general y el rango de capacitancia a la mitad, pero tiene la ventaja de reducir el componente de CA del voltaje a través de cada dispositivo y tiene una distorsión simétrica si el componente de CA posee suficiente amplitud para polarizar los varicaps en conducción directa.
Al diseñar circuitos de sintonización con varicaps, generalmente es una buena práctica mantener el componente de CA del voltaje a través del varicap en un nivel mínimo, generalmente menos de 100 mV pico a pico, para evitar cambiar demasiado la capacitancia del diodo, lo que distorsionaría la señal y agregaría armónicos.
Un tercer circuito, en la parte superior derecha del diagrama, utiliza dos varicaps conectados en serie y conexiones a tierra de señales de CC y CA independientes. La conexión a tierra de CC se muestra como un símbolo de tierra tradicional y la de CA como un triángulo abierto. La separación de las conexiones a tierra se realiza a menudo para (i) evitar la radiación de alta frecuencia del nodo de tierra de baja frecuencia y (ii) evitar que las corrientes de CC en el nodo de tierra de CA cambien la polarización y los puntos de funcionamiento de dispositivos activos como varicaps y transistores.
Estas configuraciones de circuitos son bastante comunes en los sintonizadores de televisión y en los receptores de radiodifusión AM y FM sintonizados electrónicamente, así como en otros equipos de comunicaciones y equipos industriales. Los primeros diodos varicap normalmente requerían un rango de voltaje inverso de 0 a 33 V para obtener sus rangos de capacitancia completos, que todavía eran bastante pequeños, aproximadamente de 1 a 10 pF. Estos tipos se usaban (y todavía se usan) ampliamente en los sintonizadores de televisión, cuyas altas frecuencias portadoras requieren solo pequeños cambios en la capacitancia.
Con el tiempo, se desarrollaron diodos varicap que exhibían amplios rangos de capacitancia, 100–500 pF, con cambios relativamente pequeños en polarización inversa: 0–5 V o 0–12 V. Estos dispositivos más nuevos permiten realizar receptores de transmisión AM sintonizados electrónicamente, así como una multitud de otras funciones que requieren grandes cambios de capacitancia a frecuencias más bajas, generalmente por debajo de los 10 MHz. Algunos diseños de lectores de etiquetas de seguridad electrónicas utilizados en puntos de venta minorista requieren estos varicaps de alta capacitancia en sus osciladores controlados por voltaje.
Los tres dispositivos con conductores que se muestran en la parte superior de la página son, en general, dos varactores conectados con cátodo común en un único encapsulado. En el sintonizador de AM/FM para consumidores que se muestra a la derecha, un único diodo varicap de encapsulado doble ajusta tanto la banda de paso del circuito de tanque (el selector de estación principal) como el oscilador local con un único varicap para cada uno. Esto se hace para mantener bajos los costos: 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 mostró en los datos de 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, a través de un encapsulado doble para el filtro de paso de banda/tanque y un encapsulado doble para el oscilador local.
En algunas aplicaciones, como la multiplicación de armónicos , se aplica un voltaje alterno de gran amplitud de señal a través de un varicap para variar deliberadamente la capacitancia a la velocidad de la señal y generar armónicos más altos, que se extraen mediante filtrado. Si se aplica una corriente de onda sinusoidal de amplitud suficiente a través de un varicap, el voltaje resultante alcanza un pico en 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, 1-2 GHz a 1-5 vatios, a partir de unos 20 vatios a una frecuencia de 3-400 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 inadecuados.
Todos los dispositivos de unión de semiconductores exhiben este efecto, por lo que pueden usarse como varicaps, pero sus características no estarán controladas y pueden variar ampliamente entre lotes.
Los varicaps improvisados populares incluyen LED, [5] diodos rectificadores de la serie 1N400X, [6] rectificadores Schottky y varios transistores utilizados con sus uniones colector-base polarizadas inversamente, [7] particularmente el 2N2222 y BC547 . [ aclaración necesaria ] La polarización inversa de las uniones emisor-base de los transistores también es bastante efectiva siempre que la amplitud de CA permanezca pequeña. El voltaje máximo de polarización inversa suele estar entre 5 y 7 voltios, antes de que comience a conducir 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 la unión, con la excepción de que el BA 102 posee un conjunto específico de características en relación con la capacitancia de la unión (mientras que el 1N5408 no) y la "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 .
