Podręcznik: Diody pojemnościowe

4. Wybrane rodzaje diod

4.2. Diody pojemnościowe

Diody pojemnościowe znajdują zastosowanie jako zmienne pojemności. Wykorzystuje się w tym celu możliwość regulowania napięciowego pojemności złączowej.

Przebieg charakterystyki pojemnościowo-napięciowej (rys. Rct) opisuje podstawowe właściwości diod pojemnościowych, stąd do parametrów charakterystycznych tych przyrządów należą:

pojemność maksymalna C_j0 dla U_R=0 Wctu,
stosunek pojemności w wybranych punktach charakterystyki – zwykle pojemności maksymalnej do minimalnej:

$\frac{C_{jmax}}{C_{jmin}}=\frac{C_{j0}}{C_{j}(U_{Rmax})},$

(4.2)

a ponadto na pracę tych diod w układzie wpływają:

rezystancja szeregowa R_s, indukcyjność wyprowadzeń L₀, pojemność pasożytnicza obudowy C₀ (rys. 2.1),

Istotnym parametrem roboczym diody pojemnościowej jest dobroć, którą definiuje się jako stosunek energii magazynowanej w pojemności do energii rozpraszanej w rezystancjach dla określonej częstotliwości sygnału:

$Q=\frac{\omega C_{j}R_{u}}{1+\frac{R_{s}}{R_{u}}+\omega ^{2}C_{j}^{2}R_{s}R_{u}}$

dla R_s << Ru $Q\approx \frac{1}{\frac{1}{\omega C_{j}R_{u}}+\omega C_{j}R_{s}},$

(4.2)

gdzie rezystancja upływu R_u odpowiada małej konduktancji złącza z rys. 2.1 dla polaryzacji zaporowej.

Na podstawie wzoru (3.14) można wyznaczyć pulsację optymalną i pulsacje graniczne:

$\frac{\mathrm{d} Q}{\mathrm{d} \omega }=0\Rightarrow Q_{max}=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{R_{u}}{R_{s}}},\: \: \omega _{opt}=\frac{1}{C_{j}\sqrt{R_{s}R_{u}}}$

(4.3)

$Q\mid _{m.cz.}=1\Rightarrow \omega _{min}=\frac{1}{C_{j}R_{u}},$

(4.4)

$Q\mid _{m.cz.}=1\Rightarrow \omega _{max}=\frac{1}{C_{j}R_{s}}.$

(4.5)

Dużą pulsację maksymalną można osiągnąć konstruując diodę o bardzo małej rezystancji szeregowej przez zastosowanie wysoko domieszkowanego podłoża w technologii epitaksjalno -planarnej. W takim przypadku ograniczeniem pulsacji maksymalnej jest pulsacja rezonansowa:

$\omega _{max}=\frac{1}{\sqrt{C_{j}L_{0}}}.$

(4.6)

Możliwy jest taki dobór rozkładu koncentracji domieszek w bazie diody, dla którego pojemność złączowa jest w przybliżeniu kwadratową funkcją napięcia polaryzacji zaporowej i pulsacja rezonansowa liniowo zależy od tego napięcia.

Z punktu widzenia zastosowań (a w konsekwencji wymagań konstrukcyjnych) wyróżnia się dwa rodzaje diod pojemnościowych:

warikapy (Variable Capacitance) stosowane w zakresie mniejszych częstotliwości (do kilkuset MHz) jako zmienne pojemności np. w układach przestrajania obwodów rezonansowych,
waraktory (Variable Reaktor) stosowane w paśmie mikrofalowym jako zmienne reaktancje (pomijalna konduktancja złącza), np. we wzmacniaczach parametrycznych:

Uzupelnij opis obrazka

Rys. 4.2 Zasada działania wzmacniacza parametrycznego z waraktorem

Waraktor w obwodzie rezonansowym LC wzmacniacza parametrycznego jest sterowany tzw. napięciem pompującym o dwukrotnie większej częstotliwości od częstotliwości wzmacnianego sygnału w taki sposób, aby pojemność złączowa nagle zmniejszała się, gdy chwilowy ładunek zgromadzony w diodzie jest maksymalny. Powoduje to równoczesny wzrost napięcia sygnału wzmacnianego i energii obwodu. Zwiększanie pojemności, gdy napięcie sygnału jest równe zeru, nie powoduje zmian tej energii.