Diodes Varicap expliquées : guide complet pour professionnels de l'électronique

Les circuits électroniques consistent généralement en résistances, condensateurs, transformateurs, diodes, transistors, etc. Maintenant, nous allons introduire un type de diode spécial. Les diodes varicap présentent des applications utiles dans l'industrie électronique, fournissant une capacitive contrôlée par tension. De plus, elles contrôlent les niveaux de tension dans une boucle à verrouillage de phase (PLL).

Elles peuvent s'intégrer dans tous les types de circuits d'accord et de circuits RF de fréquence. Alors, regardons ! Comprendre son but et le processus opérationnel peut sembler confus. Par conséquent, nous avons mis ensemble ce guide pour vous aider à acquérir plus de connaissances sur ce sujet particulier.

(Image montrant une diode varicap. Source : Wikimedia Commons)

1. Qu'est-ce qu'une diode Varicap ?

Une diode à capacitance variable (varied) est un semi-conducteur unique, aussi connu sous le nom de varacteur ou diode d'accord. Elle fournit des capacités d'exploitation de capacitance dépendante de la tension sur la jonction p-n du dispositif en polarisation inverse.

2. Type et application de la diode Varicap

Ci-dessous, nous discuterons des différents types de diodes varicap. Nous avons également exploré certaines des applications du composant.

Types

Hyper-abrupte (Hyper abrupt)

Les diodes varacteurs hyper-abruptes fournissent une capacitance plus élevée pour la variation de tension. Elles fonctionnent également à basse tension.

Abrupte (Abrupt)

Le type le plus courant, les diodes varacteurs abruptes, consistent en une concentration de dopage constante. Dans ce cas, sa jonction subit un profil de dopage, contrôlé pendant le processus de fabrication. De plus, la capacitance reste inversément proportionnelle à la tension qu'elle reçoit.

Application

Filtres RF :

Les diodes varicap réelles peuvent également fournir des capacités d'accord de filtre. Cela implique en conséquence l'implémentation de récepteurs de suivi dans les circuits d'entrée avant, leur permettant de surveiller les signaux entrants. Ensuite, une tension contrôlée régule cette fonctionnalité via un convertisseur numérique-analogique.

Oscillateurs commandés en tension (VCO) :

Diverses configurations RF incluent des oscillateurs commandés en tension avec la diode varacteur, un composant particulièrement crucial. L'opération primaire des oscillateurs implique notamment les boucles à verrouillage de phase (PLL). Pour cette raison, ceux-ci fournissent des applications pour les synthétiseurs de fréquence ou les démodulateurs FM.

(Les synthétiseurs contiennent un VCO, qui utilise une diode varicap)

Les modulateurs de fréquence et de phase utilisent également des diodes varicap. Les modulateurs de fréquence intègrent généralement ces diodes à travers la résonance électrique dans le générateur, permettant à la diode de recevoir l'audio. En conséquence, la capacitance s'alignera avec l'audio. Cela déclenche le signal de fréquence à monter et descendre, correspondant aux variations de capacitance dans ces circonstances.

Dans les modulateurs de phase, une diode varicap s'intègre dans le réseau de déphasage, dans lequel un signal de fréquence circule. La diode reçoit l'audio, causant la synchronisation de la phase avec les variations audio.

3. Principe de fonctionnement de la diode Varicap

Schéma de circuit de la diode Varicap :

(Image montrant une diode varicap sur un circuit. Source : Wikimedia Commons)

Symbole de circuit de la diode variable :

En regardant le symbole schématique de la diode variable ci-dessous, vous verrez qu'il contient des caractéristiques similaires à une diode jonction PN. C'est parce que la diode varicap comporte une anode et une cathode. Vous trouverez la diode positionnée à une extrémité du symbole. Pendant ce temps, l'extrémité opposée contient deux lignes parallèles pour symboliser les plaques conductrices du condensateur. Enfin, l'espace entre ces deux plaques représente le diélectrique isolant.

(Symbole de circuit de diode variable. Source : Wikimedia Commons)

Formule :

Trois paramètres affectent la capacitance de la diode varicap. Ils incluent la section transversale de la jonction PN (A), le diélectrique du semi-conducteur (Ɛ) et la largeur de la région d'appauvrissement (d). Par exemple, vous trouverez cela représenté dans la formule ci-dessous :

Principe de fonctionnement :

Nous devrons examiner un condensateur pour comprendre le principe de fonctionnement de la diode varicap. Les condensateurs contiennent généralement deux plaques métalliques conductrices avec un diélectrique isolant placé entre les deux. Les régions de type P et de type N d'une diode varicap servent de plaques conductrices, tandis que la région d'appauvrissement représente le diélectrique. En raison de sa construction et conception similaires à un condensateur, la diode produit de la capacitance.

(Une diode varicap contient des caractéristiques similaires à un condensateur)

La capacitance augmente si la constante diélectrique augmente ou si les deux plaques ont une distance plus courte entre elles. Cependant, une plus grande distance entre les deux ou une constante diélectrique en déclin entraîne une diminution de la capacitance. En même temps, la capacitance d'une diode varacteur est proportionnelle à la région transversale de la jonction. Et elle est inversément proportionnelle à la largeur de la région d'appauvrissement. Ainsi, les changements de capacitance se produisent en raison de l'ajustement de la largeur de la région d'appauvrissement.

Par conséquent, une diode varicap en polarisation inverse causera par conséquent des changements dans la région d'appauvrissement. Pour commencer, la région s'élargira une fois que la polarisation inverse augmentera. En effet, l'espace entre le type N et le type P grandit, ce qui réduit la capacitance. Diminuer la polarisation inverse fera resserrer la région d'appauvrissement. En conséquence, la distance entre les régions de type N et de type P se raccourcira, augmentant la capacitance. Par conséquent, l'application de différentes tensions de polarisation inverse sur la diode varicap change la capacitance.

(Image démontrant les effets de l'augmentation et de la diminution de la capacitance. Source : Wikimedia Commons)

Opération de base :

La diode varicap stocke essentiellement la charge électrique. Dans ce cas, ces composants fonctionnent généralement en polarisation inverse. L'application d'une tension de polarisation inverse fera séparer les électrons de la région n et les trous de la région p de la jonction du dispositif.

4. Circuit équivalent de la diode Varicap

Une diode varicap contient généralement plusieurs composants principaux, qui peuvent aider lors de la conception d'un circuit équivalent de diode.

Les différents éléments parasites incluent :

• Rs (V) : Ceci sert de résistance série pour la diode. Elle diffère en fonction de la tension reçue.
• CJ (V) : L'aspect utilisé ici présente la capacitance de jonction variable. Il sert également d'élément principal de la diode.
• LP : Les fils de liaison dans la diode varicap causent l'augmentation de la capacitance série.
• CP : Ceci représente la capacitance parasite. La connexion des fils dans la diode fera augmenter la capacitance parasite autour de sa jonction.

5. Coefficient de température du condensateur

Vous pouvez calculer le coefficient de température de la capacitance de la diode varicap avec la formule ci-dessous :

La valeur ΔC représente les changements de capacitance du dispositif dus aux variations de température (T1 – T0) pendant la polarisation inverse. Par exemple, nous regarderons une valeur où C₀ équivaut à 29 pF avec un VR de 3V et T₀ à 25. Ensuite, nous calculons les changements de capacitance de la diode varicap. Avec la valeur VR, le TCc variera. En conséquence, la fréquence maximale se fixe à 600 MHz. Vous pouvez ensuite calculer la réactance de la diode varicap avec la formule :

Conclusion

Comme nous le savons déjà, les diodes varicap servent de composant utile sur les circuits électroniques et RF. De plus, ce dispositif contient des caractéristiques similaires à un condensateur, démontrant comment il augmente ou diminue la capacitance par une variance de tension de polarisation inverse. Nous avons également examiné certaines de ses applications, y compris les filtres RF, les VCO et les modulateurs de fréquence et de phase. Généralement, deux types de diodes varacteurs existent aujourd'hui, abruptes et hyper-abruptes. Chacun sert son but unique pour la capacitance.

Avez-vous des questions concernant une diode varicap ? N'hésitez pas à nous contacter !