دیود خازنی(دیودورکتور ) به زبان ساده - بخش اول

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز، دیود‌های ورکتور قطعات نیمه هادی هستند که به طور وسیعی در صنایع الکترونیک مورد استفاده قرار می‌گیرند، و در کاربرد‌هایی که نیاز داریم ظرفیت خازنی متغیر توسط ولتاژ کنترل شود، کاربرد فراوانی دارند. عبارت‌های دیود واریکاپ (varicap) و دیود ورکتور (varactor) می‌تواند به جای یکدیگر به کار روند، ولی اکثر مواقع معمولا آن را دیود ورکتور می‌نامند.

اگرچه دیود‌های پیوند PN عادی نیز اثر خازنی متغیر از خود نشان می‌دهند، ولی نمی‌توانند در کاربرد‌ها مورد استفاده قرار گیرند، ولی دیود‌های مخصوص جهت ایجاد تغییرات مورد نیاز در ظرفیت خازنی به صورت بهینه ایجاد شده اند. دیود‌های ورکتور یا واریکاپ به دلیل نحوه‌ی ساخت مخصوصشان می‌توانند در محدوده‌ی وسیع تری ظرفیت خازنی را تغییر دهند. انواع مختلفی از دیود‌های ورکتور وجود دارد، از دیود‌های ورکتوری که تغییرات نسبتا استاندارد در ظرفیت خازنی ایجاد می‌کنند تا آن‌هایی که تغییرات شدید و فوق شدید ایجاد می‌نمایند.


کاربرد دیود ورکتور

دیود‌های ورکتور به طور عمده در عرصه‌ی طراحی‌های RF استفاده می‌شوند. آن‌ها روشی برای تغییر ظرفیت خازنی در مدار با استفاده از کنترل ولتاژ، ایجاد نموده اند. این مسئله به آن‌ها قابلیت منحصر به فردی می‌دهد و در نتیجه به طور وسیعی در صنایع RF مورد استفاده قرار می‌گیرند.

اگرچه دیود‌های ورکتور در انواع مختلفی از مدارات استفاده می‌شوند، ولی آن‌ها دو کاربرد اصلی دارند:

اسیلاتور‌های کنترل شده با ولتاژ (VCO)

اسلاتور‌های کنترل شده با ولتاژ کاربرد‌های مختلفی دارند، یکی از کاربرد‌های اصلی در اسیلاتور‌هایی با حلقه‌ی فاز قفل شده می‌باشد که این نوع اسیلاتور تقریبا در تمام رادیو‌ها و رسیور‌های وایرلس و سلولی کاربرد دارند. دیود ورکتور یک قطعه‌ی کلیدی در VCO‌ها هستند.

فیلتر‌های RF

با استفاده از دیود‌های ورکتور می‌توان فیلتر‌های RF را تنظیم نمود. فیلتر‌های ردیاب در مدارات پایانی رسیور‌ها به کار می‌روند و فرکانس سیگنال‌های دریافتی را دنبال می‌کنند. این فیلتر‌ها می‌توانند توسط یک ولتاژ کنترلی کنترل شوند. معمولا این کار از با استفاده از کنترل میکروپروسسور از طریق یک مبدل دیجیتال به آنالوگ انجام می‌شود.

مبانی دیود ورکتور

دیود ورکتور یا دیود واریکاپ از یک پیوند PN استاندارد تشکیل شده است، اگرچه به طور واضح برای کاربرد خاصی که به عنوان خازن متغیر دارد، بهینه شده است. در حقیقت دیود‌های پیوند PN عادی می‌توانند به عنوان دیود‌های ورکتور استفاده شوند، حتی اگر عملکرد آن‌ها مطابق با استاندارد خاص ورکتور‌های ساخته نشده باشد.

مبنای عملکرد دیود ورکتور بسیار ساده است. دیود تحت بایاس معکوس عمل می‌کند. در دو بخش انتهایی دیود که قسمت‌های P و N هستند جریان می‌تواند هدایت شود، ولی در اطراف پیوند که ناحیه‌ی تخلیه وجود دارد هیچ جریانی عبور نمی‌کند. در نتیجه جریان در نواحی P و N هدایت می‌شود، ولی ناحیه‌ی تخلیه ماند یک عایق عمل می‌کند. این شرایط دقیقا مانند عملکرد خازن است که دو صفحه‌ی هادی دارد که توسط یک دی الکتریک عایق از یکدیگر جدا شده اند.

ظرفیت خازنی یک خازن بستگی به پارامتر‌های مختلفی دارد از جمله مساحت صفحات، ثابت دی الکتریک عایق بین صفحات و فاصله‌ی بین دو صفحه‌ی خازن. در مورد دیود ورکتور امکان افزایش یا کاهش عرض ناحیه‌ی تخلیه به وسیله‌ی تغییر در ولتاژ بایاس معکوس وجود دارد، که اثر آن مانند تغییر فاصله‌ی بین صفحات خازن است.

نماد دیود ورکتور

از آنجایی که عملکرد اصلی دیود ورکتور به عنوان خازن متغیر است، نماد مداری آن به صورت زیر است. گاهی مواقع به صورت یک دیود عادی نشان داده می‌شود، ولی در اکثر موارد نماد مداری دیود ورکتور شامل خطوطی است که بیانگر نماد خازن می‌باشد.

نماد مداری دیود ورکتور

دیود‌های ورکتور بدون هیچ شرطی باید تحت بایاس معکوس کار کنند. آن‌ها اساسا خازن‌های کنترل شده با ولتاژ هستند، و در واقع گاهی مواقع به عنوان دیود‌های واریکاپ نامیده می‌شوند اگرچه عبارت دیود ورکتور این روز‌ها بیشتر استفاده می‌شود.

دیود‌های ورکتور نوع مفید و به خصوصی از دیود‌های نیمه هادی هستند که در کاربرد‌های زیادی استفاده می‌شوند و در جایی که نیاز باشد مدارات تشدید به صورت الکترونیکی تنظیم شوند؛ مانند فیلتر‌ها و اسیلاتورها. دیود‌های ورکتور قطعات بسیار ضروری در نمونه کار‌های مهندسین طراح الکترونیک می‌باشند. در هر حال برای این که بتوانیم از دیود‌های ورکتور و مزیت‌های آن‌ها به بهترین نحو استفاده کنیم باید جنبه‌های مختلف آن از جمله نسبت ظرفیت خازنی، Q، گاما، ولتاژ معکوس و مانند آن را به خوبی بشناسیم. اگر از دیود‌های ورکتور به طور صحیح استفاده شود، سرویس‌های قابل اعتمادی را ارائه می‌دهند مخصوصا که آن‌ها قطعات نیمه هادی جامدی هستند که المان‌های حرکتی و مکانیکی مانند آن چه در خازن‌های متغیر همتای مکانیکی آن‌ها وجود دارد، ندارند.

دیود‌های ورکتور سریع و فوق سریع

بعضی از دیود‌های ورکتور از نوع سریع و فوق سریع هستند. عبارت دیود ورکتور سریع (abrupt varactor diode) یا فوق سریع (hyperabrupt) به خواص پیوند دیود اشاره می‌کند.

دیود‌های ورکتور سریع و فوق سریع در نحوه‌ی ساخت پیوندهایشان متفاوت هستند. این مسئله تفاوت‌های قابل توجهی در عملکرد این دو نوع دیود ایجاد می‌کند.

مبانی دیود‌های ورکتور سریع و فوق سریع

معمولا مداراتی که کاربرد‌های خاص دارند از دیود‌های ورکتور استفاده می‌کنند. به طور خاص منحنی ظرفیت خازنی بر حسب ولتاژ (C-V) باید دارای شکل خاصی باشد یا باید دارای روابط خاص باشد.

به وسیله‌ی کنترل غلظت در فرایند ساخت این امکان وجود دارد که به مشخصات مورد نیاز پیوند PN دست یافته و از این طریق مشخصات منحنی C-V را برای دیود ورکتور تنظیم کنیم.

همان گونه که انتظار می‌رود، نام دیود‌های ورکتور مختلف به مشخصات پیوند PN آن‌ها اشاره می‌کند که در برگیرنده‌ی مقادیر و مشخصات مختلفی از پارامتر‌ها می‌شود.

ورکتور‌های سریع و ورکتور‌های فوق سریع ویژگی‌های مختلفی دارند که در ادامه توضیح داده می‌شود.

دیود‌های ورکتور سریع

دیود‌های ورکتور سریع از نوع دیود‌های پرکاربرد هستند که سرعت و مشخصات پیوند آن‌ها تابع غلظت بخشی به آن‌ها است، که این مسئله در طول فرایند ساخت کنترل می‌شود. در یک دیود ورکتور فرایند تغلیظ ثابت نگه داشته می‌شود به این معنی که سطح غلظت بخشی به آن تا جایی که ممکن است منطقی باشد.

ورکتور‌های سریع دارای نسبت معکوس مربع در تابع C-V خود هستند، این مسئله در وابستگی به معکوس مرتبه‌ی چهارم فرکانس نیز صدق می‌کند. در کاربرد‌هایی که یک وابستگی خطی مورد نیاز است، باید از یک مدار خطی ساز استفاده شود. این مسئله به مدارات اضافه‌ای نیاز دارد که می‌تواند یک بار اضافی در حین کار محسوب شود که این مدارات خطی ساز نه تنها از نظر مداری تاثیر گذار هستند بلکه سرعت پاسخ آهسته تری نیز ایجاد می‌کنند.

دیود‌های ورکتور فوق سریع

در پیوند‌های فوق سریع منحنی مشخصه‌ی C-V دارای نسبت معکوس مربع در مورد حداقل چندین پارامترش می‌باشد. این مسئله باعث ایجاد تغییرات فرکانسی خطی باند باریک می‌شود.

علاوه بر آن در پیوند‌های فوق سریع به ازای یک تغییر ولتاژ ثابت، تغییر بیشتری در ظرفیت خازنی ایجاد می‌شود.

مزیت‌های ورکتورفوق سریع از لحاظ قیمت آن‌ها است، زیرا در مقایسه با ورکتور‌های سریع به طور قابل ملاحظه‌ای Q پایین تری دارند. در نتیجه این نوع از دیود عموما در فرکانس‌های پایین‌تر میکروویو (حداکثر تا چند گیگا هرتز) استفاده می‌شوند.


مشخصات دیود ورکتور

هنگام انتخاب یک دیود ورکتور مشخصات آن باید به طور دقیق تعیین شده تا نیاز‌های مدار را به نحو مناسب ارزیابی و برطرف نمود.

مشخصات زیادی برای دیود‌های ورکتور وجود دارد که مشابه آن چیزی است که در مورد سایر دیود‌های کاربردی است. ولی ویژگی‌های دیگری نیز در ورکتور به عنوان خازن متغیر وجود دارد که جهت عملکرد ورکتور حیاتی می‌باشند.

بسیاری از پارامتر‌های مختلف ورکتور در دیتا شیت‌های مربوط به سازندگان آن‌ها قابل دست یابی هستند.

رنج ظرفیت خازنی و نسبت ظرفیت خازنی

رنج واقعی ظرفیت خازنی قابل دسترس به چندین فاکتور بستگی دارد. یکی از آن‌ها ناحیه‌ی پیوند است، دیگری عرض ناحیه‌ی تخلیه‌ی به ازای یک ولتاژ مشخص است.

ثابت شده است که ضخامت ناحیه‌ی تخلیه در دیود با ریشه‌ی دوم ولتاژ دو سر آن متناسب است. علاوه بر آن ظرفیت خازنی دیود ورکتور با ضخامت ناحیه‌ی تخلیه نسبت معکوس دارد. پس می‌توان فهمید که ظرفیت خازنی دیود ورکتور با ریشه‌ی دوم ولتاژ دو سر آن نسبت معکوس دارد.

دیود‌ها معمولا با بایاس معکوس عمل می‌کنند که این مقدار از ۲ ولت تا ۲۰ ولت و یا بیشتر می‌تواند متغیر باشد. بعضی ازآن‌ها می‌تواند تا ۶۰ ولت نیز باشد، گرچه تغییرات ظرقیت خازنی در ولتاژ‌های بالای نزدیک به انتهای رنج بسیار کم می‌باشد.

یکی از پارامتر‌های کلیدی در دیود‌های ورکتور نسبت ظرفیت خازنی است که عموما به صورت Cx/Cy بیان می‌شود. X و y ولتاژ‌های انتهایی محدوده‌ای هستند که تغییرات ظرفیت خازنی در آن محدوده قابل اندازه گیری هستند.

برای تغییرات ولتاژ بین ۲ تا ۲۰ ولت، یک دیود سریع نسبت تغییر ظرفیت خازنی بین ۲.۵ تا ۳ از خود نشان می‌دهد که این مقدار در دیود‌های فوق سریع دو برابر است یعنی تا ۶ می‌رسد.

به هر حال لازم است که منحنی‌های دیود‌های مخصوص بررسی شوند تا مطمئن شویم که تغییرات ظرفیت خازنی مورد نیاز با استفاده از ولتاژ‌های به کار رفته ایجاد می‌شوند. باید بدانیم که در مقادیر ظرفیت خازنی که بدست می‌آوریم پراکندگی و گستردگی وجود دارد که حتما برای محاسبات مدار باید در نظرگرفته شود.

 

منبع: بازار برق