Diodos Varicap Explicados: Guía Completa para Profesionales de Electrónica

Los circuitos electrónicos típicamente consisten en resistores, capacitores, transformadores, diodos, transistores, etc. Ahora, presentaremos un tipo especial de diodo. Los diodos varicap presentan aplicaciones útiles en la industria electrónica, proporcionando capacitancia controlada por voltaje. Además, controlan niveles de voltaje en un bucle de enganche de fase (phase-locked loop).

Estos pueden integrarse en todo tipo de circuitos de sintonía y circuitos RF de frecuencia. Así que echemos un vistazo. Entender su propósito y el proceso operacional puede parecer confuso. Por tanto, reunimos esta guía para ayudarte a ganar más conocimiento sobre este tema en particular.

1. ¿Qué es un Diodo Varicap?

Un diodo variado (capacitancia variable) es un semiconductor único, también conocido como varactor o diodo de sintonía. Proporciona capacidades de explotación de capacitancia dependiente de voltaje en la unión p-n del dispositivo en polarización inversa.

2. Tipo y Aplicación del Diodo Varicap

A continuación, discutiremos los diferentes tipos de diodos varicap. También exploramos algunas de las aplicaciones del componente.

Tipos

Hiperabrupto (Hyper abrupt)

Los diodos varactores hiperabruptos proporcionan mayor capacitancia para la variación de voltaje. También operan con bajo voltaje.

Abrupto (Abrupt)

El tipo más común, los diodos varactores abruptos, consisten en una concentración de dopaje constante. En este caso, su unión sufre un perfil de dopaje, controlado durante el proceso de fabricación. Además, la capacitancia se mantiene inversamente proporcional al voltaje que recibe.

Aplicación

Filtros RF:

Los diodos varicap reales también pueden proporcionar capacidades de sintonía de filtros. Esto implica implementar receptores de seguimiento en circuitos de front-end, permitiéndoles monitorear señales entrantes. Luego, un voltaje controlado regula esta funcionalidad a través de un conversor digital-analógico.

Osciladores Controlados por Voltaje (VCO):

Varias configuraciones RF incluyen osciladores controlados por voltaje con el diodo varactor, un componente particularmente crucial. La operación principal de los osciladores notablemente involucra bucles de fase enganchada. Por esta razón, estos proporcionan aplicaciones para sintetizadores de frecuencia o demoduladores FM.

Moduladores de frecuencia y fase también utilizan diodos varicap. Los moduladores de frecuencia usualmente integran estos a través de la resonancia eléctrica en el generador, permitiendo que el diodo reciba audio. Como resultado, la capacitancia nivelará con el audio. Esto dispara la señal de frecuencia para moverse arriba y abajo, coincidiendo con las variaciones de capacitancia bajo esas circunstancias.

En moduladores de fase, un diodo varicap se incorpora en la red de desfase de fase, en la que fluye una señal de frecuencia. El diodo recibe audio, causando que la fase se sincronice con las variaciones de audio.

3. Principio de Funcionamiento del Diodo Varicap

Diagrama de Circuito del Diodo Varicap:

Símbolo de Circuito del Diodo Variable:

Mirando el símbolo esquemático del diodo variable a continuación, verás que contiene características similares a un diodo de unión PN. Eso es porque el diodo varicap presenta un terminal de ánodo y uno de cátodo. Encontrarás el diodo posicionado en un extremo del símbolo. Mientras tanto, el extremo opuesto contiene dos líneas paralelas para simbolizar las placas conductoras del capacitor. Finalmente, el espacio entre esas dos placas representa el dieléctrico aislante.

Fórmula:

Tres parámetros afectan la capacitancia del diodo varicap. Incluyen la sección transversal de la unión PN (A), la permitividad del semiconductor (Ɛ), y el ancho de la región de agotamiento (d). Por ejemplo, encontrarás esto representado en la siguiente fórmula:

Principio de Funcionamiento:

Necesitaremos mirar un capacitor para entender el principio de funcionamiento del diodo varicap. Los capacitores generalmente contienen dos placas conductoras metálicas con un dieléctrico aislante colocado entre las dos. Las regiones tipo P y tipo N de un diodo varicap sirven como las placas conductoras, mientras que la región de agotamiento representa el dieléctrico. Debido a su construcción y diseño similar a un capacitor, el diodo produce capacitancia.

La capacitancia aumenta si la constante dieléctrica aumenta o ambas placas tienen una distancia más corta entre ellas. Sin embargo, una mayor distancia entre las dos o una constante dieléctrica decreciente resulta en capacitancia disminuida. Al mismo tiempo, la capacitancia de un diodo varactor es proporcional a la región transversal de la unión. E inversamente proporcional al ancho de la región de agotamiento. Así, los cambios de capacitancia ocurren debido al ajuste del ancho de la región de agotamiento.

Por tanto, un diodo varicap en polarización inversa causará consecuentemente cambios en la región de agotamiento. Para empezar, la región se ensanchará una vez que aumente la polarización inversa. En efecto, el espacio entre la región tipo N y tipo P crece, lo que reduce la capacitancia. Disminuir la polarización inversa causará que la región de agotamiento se estreche. Como resultado, la distancia entre ambas regiones tipo N y tipo P se acortará, aumentando la capacitancia. Por tanto, aplicar diferentes voltajes de polarización inversa en el diodo varicap cambia la capacitancia.

Operación Básica:

El diodo varicap esencialmente almacena carga eléctrica. En ese caso, estos componentes generalmente funcionan en polarización inversa. Aplicar voltaje de polarización inversa causará que los electrones de la región n y los huecos de la región p se separen de la unión del dispositivo.

4. Circuito Equivalente del Diodo Varicap

Un diodo varicap usualmente contiene varios componentes principales, que pueden ayudar al diseñar un circuito equivalente de diodo.

Los diferentes elementos parásitos incluyen:

• Rs (V): Sirve como resistencia en serie para el diodo. Difiere basado en el voltaje recibido.
• CJ (V): El aspecto utilizado aquí exhibe la capacitancia de unión variable. También sirve como elemento principal del diodo.
• LP: Los alambres de unión en el diodo varicap causan que la capacitancia en serie aumente.
• CP: Esto representa la capacitancia parásita. Conectar alambres en el diodo causará que la capacitancia parásita aumente alrededor de su unión.

5. Coeficiente de Temperatura del Capacitor

Puedes calcular el coeficiente de temperatura de la capacitancia del diodo varicap con la siguiente fórmula:

El valor ΔC representa los cambios de capacitancia del dispositivo debido a variaciones de temperatura (T1 – T0) durante polarización inversa. Por ejemplo, miraremos un valor donde C₀ equivale a 29 pF con VR de 3V y T₀ a 25. Luego, calculamos los cambios de capacitancia del diodo varicap. Con el valor VR, el TCc variará. Como resultado, la frecuencia máxima se establece a 600MHz. Luego puedes calcular la reactancia del diodo varicap con la fórmula:

Conclusión

Como ya sabemos, los diodos varicap sirven como componente útil en circuitos electrónicos y RF. Además, este dispositivo contiene características similares a un capacitor, demostrando cómo aumenta o disminuye la capacitancia a través de una variación de voltaje de polarización inversa. También echamos un vistazo a algunas de sus aplicaciones, incluyendo filtros RF, VCOs y moduladores de frecuencia y fase. Generalmente, existen dos tipos de diodos varactores hoy en día: abrupto e hiperabrupto. Cada uno sirve su propósito único para la capacitancia.

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