دیود ورکتور
دیودهای ورکتور قطعات نیمه هادی هستند که به طور وسیعی در صنایع الکترونیک مورد استفاده قرار می گیرند، و در کاربردهایی که نیاز داریم ظرفیت خازنی متغیر توسط ولتاژ کنترل شود، کاربرد فراوانی دارند. عبارت های دیود واریکاپ (varicap) و دیود ورکتور (varactor) می تواند به جای یکدیگر به کار روند، ولی اکثر مواقع معمولا آن را دیود ورکتور می نامند.
اگرچه دیودهای پیوند PN عادی نیز اثر خازنی متغیر از خود نشان می دهند ولی نمی توانند 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 نحوه ی ساخت مخصوصشان می توانند در محدوده ی 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 می کنند تا آن هایی که تغییرات شدید و فوق شدید ایجاد می نمایند.
کاربرد دیود ورکتور
دیودهای ورکتور به طور عمده در عرصه ی طراحی های RF استفاده می شوند. آن ها روشی برای تغییر ظرفیت خازنی در مدار با استفاده از کنترل ولتاژ، ایجاد نموده اند. این مسئله به آن ها قابلیت منحصر به فردی می دهد و در نتیجه به طور وسیعی در صنایع RF مورد استفاده قرار می گیرند.
اگرچه دیودهای ورکتور در انواع مختلفی از مدارات استفاده می شوند ولی آن ها 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 حلقه ی فاز قفل شده می باشد که این نوع اسیلاتور تقریبا در تمام رادیوها و رسیورهای وایرلس و سلولی کاربرد دارند. دیود ورکتور یک قطعه ی کلیدی در VCO ها هستند.
فیلترهای RF
با استفاده از دیودهای ورکتور می توان فیلترهای RF را تنظیم نمود. فیلترهای ردیاب در مدارات پایانی رسیورها به کار می روند و فرکانس سیگنال های دریافتی را دنبال می کنند. این فیلترها می توانند توسط یک ولتاژ کنترلی کنترل شوند. معمولا این کار از با استفاده از کنترل میکروپروسسور از طریق یک مبدل دیجیتال به آنالوگ انجام می شود.
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 می توانند به عنوان دیودهای ورکتور استفاده شوند، حتی اگر عملکرد آن ها مطابق با استاندارد خاص ورکتورهای ساخته نشده باشد.
مبنای عملکرد دیود ورکتور بسیار ساده است. دیود تحت بایاس معکوس عمل می کند. در دو بخش انتهایی دیود که قسمت های P و N هستند جریان می تواند هدایت شود، ولی در اطراف پیوند که ناحیه ی تخلیه وجود دارد هیچ جریانی عبور نمی کند. در نتیجه جریان در نواحی P و N هدایت می شود ولی ناحیه ی تخلیه ماند یک عایق عمل می کند. این شرایط دقیقا مانند عملکرد خازن است که دو صفحه ی 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 فاصله ی بین دو صفحه ی خازن. در مورد دیود ورکتور امکان افزایش یا کاهش عرض ناحیه ی تخلیه به وسیله ی تغییر در ولتاژ بایاس معکوس وجود دارد، که اثر آن مانند تغییر فاصله ی 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 می شود ولی در اکثر موارد نماد مداری دیود ورکتور شامل خطوطی است که بیانگر نماد خازن می باشد.
نماد مداری دیود ورکتور
دیودهای ورکتور بدون هیچ شرطی باید تحت بایاس معکوس کار کنند. آن ها اساسا خازن های کنترل شده با ولتاژ هستند، و در واقع گاهی مواقع به عنوان دیودهای واریکاپ نامیده می شوند اگرچه عبارت دیود ورکتور این روزها بیشتر استفاده می شود.
دیودهای ورکتور نوع مفید و به خصوصی از دیودهای نیمه هادی هستند که در کاربردهای زیادی استفاده می شوند 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 می باشند. در هر حال برای این که بتوانیم از دیودهای ورکتور و مزیت های آن ها به بهترین نحو استفاده کنیم باید جنبه های 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، سرویس های قابل اعتمادی را ارائه می دهند مخصوصا که آن ها قطعات نیمه هادی جامدی هستند که المان های حرکتی و مکانیکی مانند آن چه در خازن های متغیر همتای مکانیکی آن ها 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 می کند.
دیودهای ورکتور سریع و فوق سریع در نحوه ی ساخت پیوندهایشان متفاوت هستند. این مسئله تفاوت های قابل توجهی در عملکرد این دو نوع دیود ایجاد می کند.
مبانی دیودهای ورکتور سریع و فوق سریع
معمولا مداراتی که کاربردهای خاص دارند از دیودهای ورکتور استفاده می کنند. به طور خاص منحنی ظرفیت خازنی بر حسب ولتاژ (C-V) باید دارای شکل خاصی باشد یا باید دارای روابط خاص باشد.
به وسیله ی 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 می رود، نام دیودهای ورکتور مختلف به مشخصات پیوند PN آن ها اشاره می کند که در برگیرنده ی مقادیر و مشخصات مختلفی از پارامترها می شود.
ورکتورهای سریع و ورکتورهای فوق سریع ویژگی های مختلفی دارند که در ادامه توضیح داده می شود.
دیودهای ورکتور سریع
دیودهای ورکتور سریع از نوع دیودهای پرکاربرد هستند که سرعت و مشخصات پیوند آن ها تابع غلظت بخشی به آن ها است، که این مسئله در طول فرایند ساخت کنترل می شود. در یک دیود ورکتور فرایند تغلیظ ثابت نگه داشته می شود 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 مرتبه ی چهارم فرکانس نیز صدق می کند. در کاربردهایی که یک وابستگی خطی مورد نیاز است، باید از یک مدار خطی ساز استفاده شود. این مسئله به مدارات اضافه ای نیاز دارد که می تواند 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 می کنند.
دیودهای ورکتور فوق سریع
در پیوندهای فوق سریع منحنی مشخصه ی C-V دارای نسبت معکوس مربع در مورد حداقل چندین پارامترش می باشد. این مسئله باعث ایجاد تغییرات فرکانسی خطی باند باریک می شود.
علاوه بر آن در پیوندهای فوق سریع به ازای یک تغییر ولتاژ ثابت، تغییر بیشتری در ظرفیت خازنی ایجاد می شود.
مزیت های ورکتورفوق سریع از لحاظ قیمت آن ها است، زیرا در مقایسه با ورکتورهای سریع به طور قابل ملاحظه ای Q پایین تری دارند. در نتیجه این نوع از دیود عموما در فرکانس های پایین تر میکروویو (حداکثر تا چند گیگا هرتز) استفاده می شوند.
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 ویژگی های دیگری نیز در ورکتور به عنوان خازن متغیر وجود دارد که جهت عملکرد ورکتور حیاتی می باشند.
بسیاری از پارامترهای مختلف ورکتور در دیتا شیت های مربوط به سازندگان آن ها قابل دست یابی هستند.
رنج ظرفیت خازنی و نسبت ظرفیت خازنی
رنج واقعی ظرفیت خازنی قابل دسترس به چندین فاکتور بستگی دارد. یکی از آن ها ناحیه ی پیوند است، دیگری عرض ناحیه ی تخلیه ی به ازای یک ولتاژ مشخص است.
ثابت شده است که ضخامت ناحیه ی تخلیه در دیود با ریشه ی دوم ولتاژ دو سر آن متناسب است. علاوه بر آن ظرفیت خازنی دیود ورکتور با ضخامت ناحیه ی تخلیه نسبت معکوس دارد. پس می توان فهمید که ظرفیت خازنی دیود ورکتور با ریشه ی دوم ولتاژ دو سر آن نسبت معکوس دارد.
دیودها معمولا با بایاس معکوس عمل می کنند که این مقدار از 2 ولت تا 20 ولت و یا بیشتر می تواند متغیر باشد. بعضی ازآن ها می تواند تا 60 ولت نیز باشد، گرچه تغییرات ظرقیت خازنی در ولتاژهای بالای نزدیک به انتهای رنج بسیار کم می باشد.
یکی از پارامترهای کلیدی در دیودهای ورکتور نسبت ظرفیت خازنی است که عموما به صورت Cx/Cy بیان می شود. X و y ولتاژهای انتهایی محدوده ای هستند که تغییرات ظرفیت خازنی در آن محدوده قابل اندازه گیری هستند.
برای تغییرات ولتاژ بین 2 تا 20 ولت، یک دیود سریع نسبت تغییر ظرفیت خازنی بین 2.5 تا 3 از خود نشان می دهد که این مقدار در دیودهای فوق سریع دو برابر است یعنی تا 6 می رسد.
به هر حال لازم است که منحنی های دیودهای مخصوص بررسی شوند تا مطمئن شویم که تغییرات ظرفیت خازنی مورد نیاز با استفاده از ولتاژهای به کار رفته ایجاد می شوند. باید بدانیم که در مقادیر ظرفیت خازنی که بدست می آوریم پراکندگی و گستردگی وجود دارد که حتما برای محاسبات مدار باید در نظرگرفته شود.
شکست معکوس
ولتاژ شکست معکوس در دیود ورکتور بسیار مهم است. ظرفیت خازنی با افزایش بایاس معکوس کاهش می یابد، گرچه هر چقدر ولتاژ بیشتر شود میزان کاهش در ظرفیت خازنی کوچک تر می شود. در هر حال کمترین مقدار ظرفیت خازنی با حداکثر ولتاژی که قطعه می تواند تحمل نماید، تعیین می شود. عاقلانه تر این است که دیودی را انتخاب کنیم که بین حداکثر ولتاژی که انتظار می رود داشته باشد یعنی حداکثر ولتاژی که مدار راه انداز برای آن تامین می کند و ولتاژ شکست معکوسش فاصله ای وجود داشته باشد. با اطمینان از این که بین این دو سطح ولتاژ فاصله ی مطمئن وجود دارد، احتمال خرابی مدار بسیار کمتر می شود.
همچنین لازم است مطمئن شویم که حداقل ظرفیت خازنی مورد نیاز بوسیله ی ولتاژ مدار راه انداز تامین می شود؛ و مجددا باید متذکر شد که با فاصله ی مطمئن باشد، زیرا همیشه تغییراتی در قطعه وجود دارد.
دیودها معمولا با بایاس معکوس عمل می کنند که این مقدار از 2 ولت تا 20 ولت و یا بیشتر می تواند متغیر باشد. بعضی ازآن ها می تواند تا 60 ولت نیز باشد، گرچه تغییرات ظرقیت خازنی در ولتاژهای بالای نزدیک به انتهای رنج بسیار کم می باشد. همچنین با افزایش ولتاژ دو سر دیود، احتمالا ولتاژ تغذیه کننده ی مداری که دیود ورکتور را راه اندازی می کند نیز باید به نحو مناسب باید افزایش یافته و تامین شود.
حداکثر فرکانس عملکرد
موارد مختلفی وجود دارد که فرکانس عملکرد دیودهای ورکتور را محدود می کند. واضح است که حداقل ظرفیت خازنی دیود یکی از موارد محدود کننده است. اگر مقادیر بالایی از ظرفیت خازنی در مدار تشدید کننده به کار رود این مسئله Q را کاهش خواهد داد. مورد دیگر پاسخ های پارازیتی است، به طوری که ممکن است ظرفیت های خازنی و سلفی ناخواسته ای به وسیله ی قطعه نشان داده شود. این بدین معناست که قطعاتی با ظرفیت خازنی پائین تر جهت استفاده در فرکانس های بالایی که در کاربردهای میکروویو استفاده می شود، مناسب تر هستند. این موارد و سایر محدودیت های موجود هنگام انتخاب یک دیود ورکتور برای طراحی جدید، باید در نظر گرفته شوند.
در بین انواع دیودهای ورکتور موجود، باید نوعی را انتخاب کنیم که برای کاربرد مورد نظرمان از هر نظر مناسب باشد.
ضریب کیفیت Q
یکی از ویژگی های مهم هر دیود ورکتور ضریب کیفیت آن است، مخصوصا در مورد بعضی از کاربردها این پارامتر اهمیت بیشتری دارد. در اسیلاتورهایی که در ترکیب کنده های فرکانسی استفاده می شود، این پارامتر بر عملکرد نویز بسیار تاثیر گذار است. دیودهایی با Q بالاتر مدارات تنظیم کننده ای با Q بالاتر ایجاد می کنند که باعث کاهش نویز توبید شده در مدار می شوند. در فیلترها نیز Q پارامتر بسیار مهمی است زیرا استفاده از دیودهایی با Q بیشتر منجر به تولید فیلترهایی با پاسخ سریع تر می شود در حالی که Q پائین تر باعث ایجاد تلفات در مدار می شود.
مدار معادل دیود ورکتور
ضریب کیفیت Q به مقاومت سری که دیود از خود نشان می دهد بستگی دارد. این مقاومت در اثر موارد زیر افزایش می یابد:
– مقاومت نیمه هادی در مناطق خارج از ناحیه ی تخلیه، یعنی در ناحیه ای که میدان به صفحات خازن منتقل می شود.
– افزایش مقاومت در پایه و بسته بندی قطعه
– تلفات کلی موجود در همه ی لایه های قطعه
Q یا ضریب کیفیت می تواند از فرمول زیر محاسبه شود
Q=1 / 2 pi Cv R
که در فرمول فوق:
Cv : ظرفیت خازنی در ولتاژ اندازه گیری شده
R : میزان مقاومت سری
از این معادله می توان فهمید برای افزایش ضریب کیفیت باید مقاومت سری را تا حد ممکن کاهش داد. دیودهای ورکتوری که در کارخانه ها تولید می شوند از الگوی خاصی برای کاهش این مقاومت استفاده می کند.
هنگام طراحی مدار، می توان ظریب کیفیت را با کاهش ظرفیت خازنی افزایش داد.
مدارات ورکتور
جنبه های مختلفی از استفاده ی دیودهای ورکتور در مدارات RF الکترونیکی وجود دارد. تنظیمات مدارات ورکتور بر کاربرد آن ها تاثیر می گذارد.
با توجه به این که همیشه بهینه کردن مدارات RF به سادگی امکان پذیر نیست، لازم است که مطمئن شویم که مدارات ورکتور جهت راه اندازی دیودهای ورکتور از بهترین روش ها استفاده می کنند.
راه اندازی دیودهای ورکتور
دیودهای ورکتور به بایاس معکوس نیاز دارند تا به عنوان دیود در مدارات تنظیم کننده استفاده شوند بدون این که بر عملکرد آن ها تاثیر منفی بگذارند. مراقبت های لازم برای ایزوله کردن ولتاژ بایاس از مدار تنظیم کننده باید به عمل آید، به نحوی که عملکرد RF تحت تاثیر قرار نگیرد.
مدار نمونه ای که از دیود ورکتور برای تنظیم ولتاژ استفاده نموده است
به طور معمول سر کاتد به زمین متصل می شود یا در یک پتانسیل مشترک DC راه اندازی می شود، سر دیگر قطعه به پتانسیل بایاس به کار رفته اتصال می یابد. باید مدار بایاس از سیگنال های RF مربوط به مدار تنظیم کننده ایزوله باشد تا از هر گونه افت عملکرد جلوگیری به عمل آید. هنمچنین یک مقاومت یا سلف به این منظور می تواند استفاده شود به طوری که دیود تحت بایاس معکوس عمل نموده و مقاومت DC بالایی از خود نشان دهد.
استفاده از ورکتور جهت تنظیم ولتاژ از طریق مقاومت و سلف
سلف ها در بعضی از موقعیت ها با ایجاد یک مسیر کم مقاومت در مدار بایاس، می توانند به خوبی عمل کنند. در هر حال سلف ها می تواند یک اندوکتانس نادرست نشان داده و در بعضی از مدارها هنگامی که در اسیلاتورها استفاده می شوند، می توانند باعث ایجاد نوسانات نادرست شوند. از مقاومت ها نیز می توان استفاده نمود. مقدار باید به اندازه ی کافی زیاد باشد تا مدار بایاس از مدار تنظیم کننده ایزوله شود بدون آن که مقدار ضریب کیفیت پائین بیاید. همچنین مقدر مقاومت باید به اندازه ای کم باشد که بتواند بایاس دیود را در مقابل سیگنال های RF که از آن عبور می کند کنترل نماید. مقدار 10 کیلو اهم معمولا برای شروع طراحی مقدر مناسبی است.
دیودهای ورکتور هم به صورت انفرادی و هم به صورت پشت به پشت (back to back) راه اندازی می شوند. راه اندازی دیود به صورت انفرادی بسیار ساده است. استفاده از فرم پشت به پشت بر مشکل مدولاسیون RF روی ولتاژ تنظیم شده هنگام افزایش ولتاژ RF ، غلبه می کند به طوری که ظرفیت خازنی یکی از دیودها کاهش یافته و دیگری افزایش می یابد. همچنین فرم پشت به پشت ظرفیت خازنی یک دیود را هنگامی که ظرفیت های خازنی دو دیود به صورت سری با یکدیگر قرار می گیرند، نصف می کند. باید به خاطر داشته باشیم که مقاومت های سری دو برابر می شوند و این مسئله بر مقدار Q تاثیر می گذارد.
راه اندازی ورکتور به صورت پشت به پشت (back to back)
هنگام طراحی یک مدار با استفاده از دیود ورکتور، مراقبت های لازم باید به عمل آید تا از قرار گرفتن دیود در بایاس مستقیم جلوگیری شود. مخصوصا هنگامی که میزان ولتاژ بایاس معکوس پائین است، سیگنال های موجود در قسمت RF مدار در بعضی از قسمت های سیکل خود به اندازه ی کافی بزرگ می شوند به طوری که می توانند بر ولتاژ بایاس غلبه نموده و دیود را در بایاس مستقیم قرار دهند، این مسئله منجر به تولید سیگنال های ناخواسته و به دنبال آن تاثیرات منفی دیگری در مدار می شود