ไดโอด Varicap

ประเภทส่วนประกอบ	พาสซีฟ
ปีแห่งการประดิษฐ์	1961
ผลิตครั้งแรก	พ.ศ. 2510
ผลิตครั้งแรกโดย	บริษัท ทีอาร์ดับบลิว อิงค์
ชื่อพิน	แอโนดและแคโทด
สัญลักษณ์อิเล็กทรอนิกส์

ไดโอดวาริแคปไดโอดวารักเตอร์ไดโอดความจุแปรผันไดโอดรีแอกแทนซ์แปรผันหรือไดโอดปรับจูน เป็น ไดโอดประเภทหนึ่ง ที่ออกแบบมาเพื่อใช้ประโยชน์จาก ความจุที่ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้า ของ รอยต่อ p–nที่มีไบแอสย้อนกลับ^{[ 1 ]}

วารักเตอร์ใช้เป็นตัวเก็บประจุ ที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า โดยทั่วไปจะใช้ในออสซิลเลเตอร์ที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าแอมพลิฟายเออร์พาราเมตริกและตัวคูณความถี่ [ ^{2 ] ออ} สซิลเลเตอร์ที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้ามีการใช้งานมากมาย เช่นการมอดูเลตความถี่สำหรับเครื่องส่งสัญญาณ FM และลูปเฟสล็อกลูปเฟสล็อกใช้สำหรับเครื่องสังเคราะห์ความถี่ ที่ใช้ปรับจูนวิทยุ โทรทัศน์และโทรศัพท์มือถือจำนวน มาก

วาริแคปได้รับการพัฒนาโดยบริษัทในเครือ Pacific Semiconductor ของ Ramo Wooldridge Corporation ซึ่งได้รับสิทธิบัตรสำหรับอุปกรณ์นี้ในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2504 ^{[ 3 ]}ชื่ออุปกรณ์นี้ยังได้รับการจดทะเบียนเครื่องหมายการค้าในชื่อ "Varicap" โดยTRW Semiconductorsซึ่งเป็นผู้สืบทอดของ Pacific Semiconductors ในเดือนตุลาคม พ.ศ. 2510 ซึ่งช่วยอธิบายชื่อที่แตกต่างกันของอุปกรณ์นี้เมื่อมีการนำมาใช้งาน

ตัวเก็บประจุแบบปรับค่าได้ (Varactor) ทำงานใน สภาวะ ไบแอสย้อนกลับดังนั้นจึงไม่มีกระแสตรงไหลผ่านอุปกรณ์ ปริมาณไบแอสย้อนกลับจะควบคุมความหนาของโซนการพร่องประจุและด้วยเหตุนี้จึงควบคุมค่าความจุของรอยต่อของตัวเก็บประจุแบบปรับค่าได้ ลักษณะการเปลี่ยนแปลงของค่าความจุขึ้นอยู่กับโปรไฟล์การเจือสาร โดยทั่วไป สำหรับโปรไฟล์รอยต่อแบบฉับพลัน ความหนาของบริเวณการพร่องประจุจะเป็นสัดส่วนกับรากที่สองของแรงดันไฟฟ้าที่จ่าย และค่าความจุจะเป็นสัดส่วนผกผันกับความหนาของบริเวณการพร่องประจุ ดังนั้น ค่าความจุจึงเป็นสัดส่วนผกผันกับรากที่สองของแรงดันไฟฟ้าที่จ่าย สำหรับโปรไฟล์รอยต่อแบบฉับพลันมาก การเปลี่ยนแปลงของค่าความจุจะไม่เป็นเชิงเส้นมากขึ้น แต่ตัวเก็บประจุแบบปรับค่าได้แบบฉับพลันมากจะมีค่าความจุที่เปลี่ยนแปลงได้มากกว่าและสามารถทำงานได้ที่แรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า

ไดโอดทุกตัวแสดงคุณสมบัติความจุไฟฟ้าที่จุดเชื่อมต่อแบบแปรผันได้ แต่ตัวเก็บประจุแบบแปรผันได้ (varactor) ถูกผลิตขึ้นเพื่อใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์นี้และเพิ่มความแปรผันของความจุไฟฟ้า

ภาพแสดงตัวอย่างภาคตัดขวางของวารักเตอร์ที่มีชั้นพร่องประจุซึ่งเกิดจากรอยต่อ ap–n ชั้นพร่องประจุนี้สามารถทำจากMOSหรือไดโอด Schottky ก็ได้เช่นกัน ซึ่งมีความสำคัญในเทคโนโลยี CMOSและMMIC

โดยทั่วไป การใช้ไดโอดวาริแคปในวงจรจำเป็นต้องเชื่อมต่อเข้ากับวงจรปรับจูนซึ่งมักจะต่อขนานกับตัวเก็บประจุหรือตัวเหนี่ยวนำที่มีอยู่^{[ 4 ]}แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงจะถูกใช้เป็นไบแอสย้อนกลับคร่อมวาริแคปเพื่อเปลี่ยนค่าความจุ แรงดันไฟฟ้าไบแอสกระแสตรงจะต้องถูกบล็อกไม่ให้เข้าสู่วงจรปรับจูน ซึ่งสามารถทำได้โดยการวางตัวเก็บประจุบล็อกกระแสตรงที่มีค่าความจุประมาณ 100 เท่าของค่าความจุสูงสุดของไดโอดวาริแคปแบบอนุกรม และโดยการจ่ายกระแสตรงจากแหล่งที่มีความต้านทานสูงไปยังจุดเชื่อมต่อระหว่างแคโทดของวาริแคปและตัวเก็บประจุบล็อก ดังแสดงในวงจรด้านบนซ้ายในแผนภาพที่แนบมาด้วย

เนื่องจากไม่มีกระแสไฟฟ้ากระแสตรงไหลผ่านตัวเก็บประจุปรับค่าได้ (varicap) อย่างมีนัยสำคัญ ค่าของตัวต้านทานที่เชื่อมต่อแคโทดของตัวเก็บประจุเข้ากับตัวต้านทานแรงดันควบคุมกระแสตรงจึงอาจอยู่ในช่วง 22 kΩ ถึง 150 kΩ และตัวเก็บประจุแบบบล็อกอาจอยู่ในช่วง 5–100 nF บางครั้ง ในวงจรปรับค่าได้ที่มีค่า Q สูงมาก จะมีการวางตัวเหนี่ยวนำอนุกรมกับตัวต้านทานเพื่อเพิ่มอิมพีแดนซ์ของแหล่งจ่ายแรงดันควบคุม เพื่อไม่ให้โหลดวงจรปรับค่าได้และลดค่า Q ลง

อีกรูปแบบหนึ่งที่นิยมใช้คือการใช้ไดโอดวาริแคปสองตัวต่อกันแบบกลับขั้ว (ดูวงจรด้านล่างซ้ายในแผนภาพ) วาริแคปตัวที่สองจะทำหน้าที่แทนตัวเก็บประจุแบบบล็อกในวงจรแรก ซึ่งจะลดค่าความจุโดยรวมและช่วงความจุลงครึ่งหนึ่ง แต่มีข้อดีคือช่วยลดส่วนประกอบกระแสสลับของแรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมอุปกรณ์แต่ละตัว และมีการบิดเบือนแบบสมมาตรหากส่วนประกอบกระแสสลับมีแอมพลิจูดมากพอที่จะทำให้วาริแคปทำงานโดยการนำกระแสไปข้างหน้า

ในการออกแบบวงจรปรับจูนด้วยวาริแคปนั้น โดยทั่วไปแล้วควรควบคุมส่วนประกอบกระแสสลับของแรงดันไฟฟ้าคร่อมวาริแคปให้อยู่ในระดับต่ำสุด ซึ่งโดยปกติแล้วจะต่ำกว่า 100 มิลลิโวลต์แบบพีคต่อพีค เพื่อป้องกันการเปลี่ยนแปลงค่าความจุของไดโอดมากเกินไป ซึ่งจะทำให้สัญญาณผิดเพี้ยนและเพิ่มฮาร์โมนิกส์

วงจรที่สาม ซึ่งอยู่ด้านบนขวาในแผนภาพ ใช้ตัวเก็บประจุปรับค่าได้สองตัวต่ออนุกรมกัน และแยกการต่อสายดินสัญญาณ DC และ AC ออกจากกัน สายดิน DC แสดงด้วยสัญลักษณ์สายดินแบบดั้งเดิม และสายดิน AC แสดงด้วยรูปสามเหลี่ยมเปิด การแยกสายดินมักทำเพื่อ (i) ป้องกันการแผ่รังสีความถี่สูงจากจุดต่อสายดินความถี่ต่ำ และ (ii) ป้องกันกระแส DC ในจุดต่อสายดิน AC ไม่ให้เปลี่ยนแปลงค่าไบแอสและจุดทำงานของอุปกรณ์แอคทีฟ เช่น ตัวเก็บประจุปรับค่าได้และทรานซิสเตอร์

วงจรประเภทนี้พบได้ทั่วไปในจูนเนอร์โทรทัศน์และเครื่องรับวิทยุ AM และ FM ที่ปรับจูนด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์ รวมถึงอุปกรณ์สื่อสารและอุปกรณ์อุตสาหกรรมอื่นๆ ไดโอดวาริแคปในยุคแรกๆ มักต้องการช่วงแรงดันย้อนกลับ 0–33 V เพื่อให้ได้ค่าความจุเต็มที่ ซึ่งยังมีค่าค่อนข้างน้อย ประมาณ 1–10 pF ไดโอดประเภทนี้ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในจูนเนอร์โทรทัศน์ ซึ่งความถี่พาหะสูงต้องการการเปลี่ยนแปลงค่าความจุเพียงเล็กน้อยเท่านั้น

เมื่อเวลาผ่านไป ไดโอดวาริแคปถูกพัฒนาขึ้นมา ซึ่งแสดงค่าความจุในช่วงกว้าง 100–500 pF โดยมีการเปลี่ยนแปลงแรงดันไบแอสย้อนกลับค่อนข้างน้อย คือ 0–5 V หรือ 0–12 V อุปกรณ์รุ่นใหม่เหล่านี้ทำให้สามารถสร้างเครื่องรับสัญญาณวิทยุ AM ที่ปรับจูนด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์ได้ รวมถึงฟังก์ชันอื่นๆ อีกมากมายที่ต้องการการเปลี่ยนแปลงค่าความจุสูงที่ความถี่ต่ำ โดยทั่วไปต่ำกว่า 10 MHz เครื่องอ่าน แท็กความปลอดภัยอิเล็กทรอนิกส์ บางแบบ ที่ใช้ในร้านค้าปลีกจำเป็นต้องใช้วาริแคปที่มีค่าความจุสูงเหล่านี้ในวงจร oscillators ที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า

อุปกรณ์ที่มีขา 3 ตัวที่แสดงอยู่ด้านบนของหน้าโดยทั่วไปแล้วคือตัวเก็บประจุปรับค่าได้ (varicap) สองตัวที่ต่อแบบแคโทดร่วมกันในแพ็คเกจเดียว ในเครื่องรับสัญญาณวิทยุ AM/FM สำหรับผู้บริโภคที่แสดงอยู่ทางด้านขวา ไดโอดปรับค่าได้แบบแพ็คเกจคู่ตัวเดียวจะปรับทั้งแถบความถี่ของวงจรแท็งก์ (ตัวเลือกสถานีหลัก) และออสซิลเลเตอร์ภายในโดยใช้ตัวเก็บประจุปรับค่าได้เพียงตัวเดียวสำหรับแต่ละส่วน วิธีนี้ทำขึ้นเพื่อลดต้นทุน – สามารถใช้แพ็คเกจคู่สองชุดได้ ชุดหนึ่งสำหรับแท็งก์และอีกชุดสำหรับออสซิลเลเตอร์ รวมแล้วใช้ไดโอด 4 ตัว ซึ่งเป็นสิ่งที่แสดงไว้ในข้อมูลการใช้งานสำหรับชิปวิทยุ AM รุ่น LA1851N ตัวเก็บประจุปรับค่าได้แบบแพ็คเกจคู่ที่มีความจุต่ำกว่าสองตัวที่ใช้ในส่วน FM (ซึ่งทำงานที่ความถี่สูงกว่าประมาณหนึ่งร้อยเท่า) ถูกเน้นด้วยลูกศรสีแดง ในกรณีนี้ใช้ไดโอด 4 ตัว โดยใช้แพ็คเกจคู่สำหรับแท็งก์/ตัวกรองแถบความถี่ และแพ็คเกจคู่สำหรับออสซิลเลเตอร์ภายใน

ในบางแอปพลิเคชัน เช่นการคูณฮาร์มอนิก แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับที่มีแอมพลิจูดสัญญาณสูงจะถูกจ่ายผ่านตัวแปรความจุเพื่อเปลี่ยนแปลงค่าความจุในอัตราความเร็วสัญญาณโดยเจตนา เพื่อสร้างฮาร์มอนิกที่สูงขึ้น ซึ่งจะถูกแยกออกผ่านการกรอง หากกระแสไฟฟ้าแบบคลื่นไซน์ที่มีแอมพลิจูดเพียงพอถูกจ่ายผ่านตัวแปรความจุ แรงดันไฟฟ้าที่ได้จะ "แหลม" ขึ้นเป็นรูปสามเหลี่ยมมากขึ้น และจะสร้างฮาร์มอนิกคี่ขึ้น

นี่เป็นวิธีการแรกๆ ที่ใช้ในการสร้างคลื่นไมโครเวฟที่มีกำลังปานกลาง 1–2 GHz ที่ 1–5 วัตต์ จากกำลังประมาณ 20 วัตต์ ที่ความถี่ 3–400 MHz ก่อนที่จะมีการพัฒนาทรานซิสเตอร์ที่เหมาะสมเพื่อทำงานที่ความถี่สูงกว่านี้ เทคนิคนี้ยังคงใช้ในการสร้างความถี่ที่สูงกว่ามาก ในช่วง 100 GHz – 1 THz ซึ่งแม้แต่ทรานซิสเตอร์ GaAs ที่เร็วที่สุดก็ยังไม่เพียงพอ

อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์แบบรอยต่อทั้งหมดแสดงปรากฏการณ์นี้ ดังนั้นจึงสามารถใช้เป็นตัวเก็บประจุแบบปรับค่าได้ (varicap) แต่คุณลักษณะของมันจะไม่สามารถควบคุมได้และอาจแตกต่างกันอย่างมากในแต่ละล็อต

วาริแคปแบบชั่วคราวที่นิยมใช้ ได้แก่ LED ^{[ 5 ]}ไดโอดเรียงกระแสซีรีส์ 1N400X ^{[ 6 ]}ตัวเรียงกระแส Schottky และทรานซิสเตอร์ต่างๆ ที่ใช้โดยมีการไบแอสย้อนกลับที่จุดเชื่อมต่อคอลเลคเตอร์-เบส^{[ 7 ]}โดยเฉพาะอย่างยิ่ง2N2222และBC547การไบแอสย้อนกลับที่จุดเชื่อมต่ออีมิเตอร์-เบสของทรานซิสเตอร์ก็มีประสิทธิภาพเช่นกัน ตราบใดที่แอมพลิจูดของกระแสสลับยังคงมีขนาดเล็ก แรงดันไบแอสย้อนกลับสูงสุดมักจะอยู่ระหว่าง 5 ถึง 7 โวลต์ ก่อนที่กระบวนการอะวาแลนซ์จะเริ่มนำกระแส อุปกรณ์ที่มีกระแสสูงกว่าและมีพื้นที่จุดเชื่อมต่อมากกว่ามักจะมีค่าความจุสูงกว่า ตัวเก็บประจุปรับค่าได้ Philips BA 102 และไดโอดซีเนอร์ทั่วไป1N5408แสดงการเปลี่ยนแปลงของค่าความจุที่จุดเชื่อมต่อที่คล้ายคลึงกัน ยกเว้นว่า BA 102 มี ลักษณะ เฉพาะบางอย่างที่เกี่ยวข้องกับค่าความจุที่จุดเชื่อมต่อ (ในขณะที่ 1N5408 ไม่มี) และค่า"Q"ของ 1N5408 น้อยกว่า

ก่อนการพัฒนาวาริแคปตัวเก็บประจุแบบปรับค่าได้ ที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ หรือตัวเหนี่ยวนำแบบแกนอิ่มตัว ถูกนำมาใช้เป็นค่าเหนี่ยวนำที่ควบคุมได้ด้วยไฟฟ้าในวงจร VCO และตัวกรองของอุปกรณ์ต่างๆ เช่น เครื่องวิเคราะห์สเปกตรัม ของเยอรมัน ใน ช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง

• วาแร็กเตอร์แบบเฮเทอโรสตรักเจอร์เป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์แบบสมมาตร ที่มีความจุแปรผันได้
• ตัวเก็บประจุแบบเฟอร์โรอิเล็กทริกมีค่าความจุแปรผันได้เนื่องจากปรากฏการณ์ฮิสเทรีซิส
• ความจุการแพร่กระจาย

• Mortenson, Kenneth E. (1974). ไดโอดความจุแปรผัน: การทำงานและลักษณะเฉพาะของไดโอดวารักเตอร์ ไดโอดเก็บประจุ และไดโอด PIN สำหรับการใช้งาน RF และไมโครเวฟเดดแฮม แมสซาชูเซตส์: Artech House.
• Penfield, Paul และ Rafuse, Robert P. (1962). การประยุกต์ใช้งานของตัวแปรความจุ.เคมบริดจ์, สำนักพิมพ์ MIT.

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อเกี่ยวกับวาริแคป

• การเรียนรู้ผ่านการจำลอง:การคำนวณคุณลักษณะของไดโอดวารักเตอร์สำหรับโปรไฟล์การเจือสารแบบต่างๆ
• [1] Trimless IF VCO: ตอนที่ 1: ข้อควรพิจารณาในการออกแบบจาก Maxim
• หลักการพื้นฐานของไดโอดวารักเตอร์ พร้อมเคล็ดลับการออกแบบ