دیود واراکتور (Varactor Diode) / دیود خازنی (Varicap Diode)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
دیود واراکتور (Varactor Diode) / دیود خازنی (Varicap Diode) :
دیود واراکتور (Varactor Diode) که با نام های دیود خازنی (Varicap Diode)، دیود تیونینگ (Tuning Diode) یا دیود واریکپ (Varicap) نیز شناخته می شود، نوعی دیود نیمه هادی است که به عنوان یک خازن متغیر با ولتاژ (Voltage-Controlled Capacitor) عمل می کند. این دیود بر اساس این اصل کار می کند که ظرفیت خازنی پیوند (Junction Capacitance) یک دیود بایاس معکوس (Reverse Biased) با تغییر ولتاژ معکوس تغییر می کند.
در یک دیود معمولی با بایاس معکوس، یک ناحیه تهی (Depletion Region) بین نواحی P و N تشکیل می شود که عملا مانند یک عایق عمل می کند. این ناحیه تهی همراه با نیمه هادی های رسانای دو طرف آن، یک ساختار خازنی (Capacitor) ایجاد می کند. ظرفیت خازنی این خازن با رابطه
\[ C_j = \frac{\epsilon A}{W} \]به دست می آید، که در آن
\[ \epsilon \]ثابت دی الکتریک نیمه هادی، A مساحت پیوند، و W عرض ناحیه تهی است. با افزایش ولتاژ معکوس، عرض ناحیه تهی افزایش یافته و ظرفیت خازنی کاهش می یابد.
دیود واراکتور به طور خاص برای بهینه سازی این اثر طراحی شده است. با تغییر غلظت ناخالصی (Doping Profile) در ناحیه پیوند، می توان رابطه بین ولتاژ و ظرفیت خازنی (C-V Characteristic) را کنترل کرد. دیودهای واراکتور معمولا دارای یک پیوند ناگهانی (Abrupt Junction) یا ابر-ناگهانی (Hyperabrupt Junction) هستند تا تغییرات ظرفیت خازنی با ولتاژ بیشتر و خطی تر باشد.
پارامترهای مهم یک دیود واراکتور عبارتند از: محدوده ظرفیت خازنی (Capacitance Range) که معمولا از چند پیکوفاراد تا چند صد پیکوفاراد متغیر است، نسبت ظرفیت (Capacitance Ratio) که نسبت حداکثر ظرفیت به حداقل ظرفیت است (معمولا بین ۲ تا ۱۵)، ضریب کیفیت (Quality Factor - Q) که نشان دهنده تلفات دیود است، و فرکانس قطع (Cutoff Frequency).
کاربرد اصلی دیود واراکتور در مدارات تنظیم (Tuning Circuits) است. رایج ترین کاربرد آن در نوسان سازهای کنترل شونده با ولتاژ (Voltage-Controlled Oscillators - VCOs) است. با تغییر ولتاژ اعمالی به واراکتور، ظرفیت خازنی آن تغییر کرده و در نتیجه فرکانس تشدید (Resonant Frequency) یک مدار LC تغییر می کند. این اصل در سنتزکننده های فرکانس (Frequency Synthesizers)، فاز لاک لوپ ها (PLLs)، و گیرنده های رادیویی استفاده می شود.
در گیرنده های رادیویی، از دیود واراکتور برای تنظیم الکترونیکی ایستگاه ها (Electronic Tuning) استفاده می شود. به جای استفاده از خازن متغیر مکانیکی (Variable Capacitor)، با تغییر یک ولتاژ DC می توان فرکانس مدار تنظیم (Tuned Circuit) را تغییر داد. این روش در رادیوهای FM و تلویزیون های قدیمی و همچنین در گیرنده های مدرن استفاده می شود.
کاربرد دیگر در مدولاتورهای فرکانس (Frequency Modulators) است. با اعمال سیگنال مدوله کننده (Modulating Signal) به واراکتور، می توان فرکانس یک نوسان ساز را مدوله کرد و سیگنال FM تولید کرد. همچنین در مدارات تطبیق امپدانس متغیر (Variable Impedance Matching) و فیلترهای قابل تنظیم (Tunable Filters) در فرکانس های بالا استفاده می شود.
دیودهای واراکتور در ضرب کننده های فرکانس (Frequency Multipliers) نیز کاربرد دارند. خاصیت غیرخطی C-V آنها می تواند برای تولید هارمونیک های یک سیگنال استفاده شود. همچنین در پارامتریک آمپلی فایرها (Parametric Amplifiers) که از تغییر ظرفیت خازنی برای تقویت سیگنال استفاده می کنند، کاربرد دارند.
مواد سازنده دیود واراکتور معمولا سیلیکون (Silicon) برای فرکانس های تا چند گیگاهرتز و گالیوم آرسناید (Gallium Arsenide - GaAs) برای فرکانس های بالاتر (تا چند ده گیگاهرتز) است. دیودهای واراکتور سیلیکونی ارزان تر و با ظرفیت خازنی بالاتر هستند. دیودهای واراکتور GaAs دارای ضریب کیفیت (Q) بالاتر و فرکانس قطع بالاتری هستند.
در طراحی مدار با واراکتور، باید به نکاتی مانند محدوده ولتاژ معکوس مجاز (Reverse Breakdown Voltage)، خطی بودن تغییرات ظرفیت (برای کاربردهای خاص)، و تأثیر دما بر ظرفیت خازنی توجه کرد. همچنین باید از بایاس معکوس بودن دیود اطمینان حاصل کرد تا جریان DC قابل توجهی از آن عبور نکند.
دیودهای واراکتور مدرن می توانند به صورت مجزا (Discrete) یا به صورت یکپارچه در مدارات مجتمع (Integrated Circuits) ساخته شوند. در مدارات مجتمع RF (RFICs)، از واراکتورهای مبتنی بر ساختارهای MOS (MOS Varactors) نیز استفاده می شود که مشابه دیود واراکتور عمل می کنند.
در نهایت، دیود واراکتور یک قطعه کلیدی در الکترونیک RF و مخابرات است. با ارائه یک راه حل ساده و مؤثر برای کنترل الکترونیکی فرکانس و امپدانس، این دیودها در طیف وسیعی از دستگاه ها از تلفن های همراه و گیرنده های GPS تا تجهیزات مخابراتی پیشرفته و رادارها استفاده می شوند.
