バリキャップ ダイオード:電子機器愛好家のための究極のガイド

電子回路は通常、抵抗、コンデンサ、トランス、ダイオード、トランジスタなどで構成されています。ここでは、特殊なダイオード タイプを紹介します。バリキャップ ダイオードは、電圧制御されたキャパシタンスを提供し、エレクトロニクス業界で有用なアプリケーションを提供します。さらに、フェーズロック ループで電圧レベルを制御します。

これらは、すべてのタイプの同調回路と周波数 RF 回路に統合できます。それでは見てみましょう！その目的と運用プロセスを理解することは、混乱を招くように思えるかもしれません。したがって、この特定の主題についてより多くの知識を得るのに役立つように、このガイドをまとめました。

(バリキャップ ダイオードを示す画像。出典:ウィキメディア コモンズ)

1.バリキャップ ダイオードとは

可変 (可変キャパシタンス) ダイオードは、バラクターまたはチューニング ダイオードとしても知られる独自の半導体です。逆バイアス時のデバイスの p-n ジャンクションで、電圧依存の静電容量を活用する機能を提供します。

2.バリキャップダイオードの種類と用途

以下では、さまざまなバリキャップ ダイオード タイプについて説明します。また、コンポーネントのアプリケーションのいくつかを調べました。

タイプ

超突然

超急激なバラクタ ダイオードは、電圧変動に対してより高い静電容量を提供します。低電圧でも動作します。

突然

最も一般的なタイプの急激なバラクター ダイオードは、一定のドーピング濃度で構成されています。この場合、その接合部は、製造プロセス中に制御されたドーピングプロファイルを受けます。さらに、静電容量は受け取る電圧に反比例します。

アプリケーション

RF フィルター:

実際のバリキャップ ダイオードは、フィルター調整機能も提供できます。したがって、これには、フロントエンド回路に追跡受信機を実装して、受信信号を監視できるようにすることが含まれます。次に、制御された電圧が、デジタルからアナログへのコンバーターを介してこの機能を調整します。

電圧制御発振器 (VCO):

さまざまな RF 構成には、特に重要なコンポーネントであるバラクタ ダイオードを備えた電圧制御発振器が含まれます。オシレータの主な動作には、特にフェーズド ロック ループが含まれます。このため、これらは周波数シンセサイザーまたは FM 復調器のアプリケーションを提供します。

(シンセサイザーには、バリキャップ ダイオードを使用する VCO が含まれています)

周波数および位相変調器もバリキャップ ダイオードを利用します。周波数変調器は通常、これらを発電機の電気的共振に統合し、ダイオードがオーディオを受信できるようにします。その結果、静電容量はオーディオと同じレベルになります。これにより、周波数信号が上下に移動し、そのような状況下で静電容量の変化が一致します。

位相変調器では、周波数信号が流れる位相シフト ネットワークにバリキャップ ダイオードが組み込まれています。ダイオードはオーディオを受信し、フェーズをオーディオのバリエーションと同期させます。

3.バリキャップ ダイオードの動作原理

バリキャップ ダイオード回路図:

(回路上のバリキャップ ダイオードを示す画像。出典:ウィキメディア コモンズ)

可変ダイオード回路記号:

以下の可変ダイオードの回路図記号を見ると、PN接合ダイオードと同様の特性が含まれていることがわかります。これは、バリキャップ ダイオードがアノード端子とカソード端子を備えているためです。シンボルの一端にダイオードが配置されています。一方、反対側の端には、コンデンサの導電板を象徴する 2 つの平行線が含まれています。最後に、これらの 2 つのプレートの間のスペースは、絶縁誘電体を表します。

(可変ダイオード回路記号。出典:ウィキメディア・コモンズ)

式:

3 つのパラメータがバリキャップ ダイオードの静電容量に影響します。それらには、PN接合の断面積（A）、半導体の断面積（Ɛ）、および空乏領域の幅（d）が含まれます。たとえば、これは次の式で表されます:

動作原理:

バリキャップ ダイオードの動作原理を理解するには、コンデンサを調べる必要があります。コンデンサは通常、2 枚の導電性金属板を含み、2 枚の間に絶縁誘電体が配置されています。バリキャップ ダイオードの P 型および N 型領域は導電性プレートとして機能し、空乏領域は誘電体を表します。コンデンサと同様の構造と設計により、ダイオードは静電容量を生成します。

(バリキャップ ダイオードには、コンデンサと同様の機能が含まれています)

誘電率が上昇するか、両方のプレート間の距離が短くなると、静電容量が増加します。ただし、2 つの間の距離が大きくなったり、誘電率が低下したりすると、静電容量が減少します。同時に、バラクタ ダイオードの静電容量は接合部の断面積に比例します。また、空乏領域の幅に反比例します。したがって、空乏領域の幅の調整により静電容量の変化が発生します。

したがって、逆バイアスのバリキャップ ダイオードは、結果として空乏領域の変化を引き起こします。まず、逆バイアスが増加すると、領域が広がります。実際には、N 型と P 型の間のスペースが大きくなり、静電容量が減少します。逆バイアスを減らすと、空乏領域が狭くなります。その結果、N 型領域と P 型領域の両方の間の距離が短くなり、静電容量が増加します。したがって、バリキャップ ダイオードに異なる逆バイアス電圧を適用すると、静電容量が変化します。

(静電容量の増減の効果を示す画像。出典:ウィキメディア・コモンズ)

基本操作:

バリキャップダイオードは本質的に電荷を蓄えます。その場合、これらのコンポーネントは一般に逆バイアスで機能します。逆バイアス電圧を印加すると、n 領域の電子と p 領域の正孔がデバイスの接合部から分離します。

4.バリキャップダイオードの等価回路

通常、バリキャップ ダイオードにはいくつかの主要なコンポーネントが含まれており、ダイオードの等価回路を設計する際に役立ちます。

さまざまな浮遊要素には以下が含まれます:

• Rs (V):ダイオードの直列抵抗として機能します。受信電圧によって異なります。
• CJ (V):ここで使用される側面は、可変接合容量を示します。また、ダイオードの主要な要素としても機能します。
• LP:バリキャップ ダイオードのワイヤをバインドすると、直列容量が増加します。
• CP:寄生容量を表します。ダイオードにワイヤを接続すると、接合部周辺の寄生容量が増加します。

5.コンデンサの温度係数

バリキャップ ダイオードの静電容量係数温度は、次の式で計算できます。

ΔC 値は、逆バイアス時の温度変化 (T1 – T0) によるデバイスの静電容量の変化を表します。たとえば、C₀ の値を見てみましょう。 3V の VR と T₀ で 29 pF に相当 次に、バリキャップ ダイオードの静電容量の変化を計算します。 VR 値を使用すると、TC_C 変化します。その結果、最大周波数は 600MHz に設定されます。次に、式でバリキャップ ダイオードのリアクタンスを計算できます。

結論

すでにご存じのとおり、バリキャップ ダイオードは、電子回路および RF 回路の有用なコンポーネントとして機能します。さらに、このデバイスにはコンデンサと同様の機能が含まれており、逆バイアス電圧の変化によって静電容量がどのように増減するかを示しています。また、RF フィルター、VCO、周波数および位相変調器など、そのアプリケーションのいくつかを調べました。一般に、現在、2 種類のバラクタ ダイオード、アブラプトとハイパー アブラプトが存在します。それぞれが静電容量の独自の目的を果たします。

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