Diodi varicap

[BrunoValente]

Ciao a tutti, ho un dubbio sul funzionamento dei varicap che mi porto dietro da sempre: quando vengono utilizzati nei circuiti risonanti al posto del vecchio condensatore variabile, il segnale ad alta frequenza che si trova ai loro capi ne modula la capacità?

Li ho visti spesso utilizzati nei circuiti risonanti degli oscillatori locali nelle radio FM, nei gruppi di sintonia dei televisori ecc. e in questi casi sono quasi sempre sottoposti a segnali di alta frequenza di notevole ampiezza, anche di qualche volt, quindi comparabile con l'ampiezza della tensione continua di sintonia, però non mi pare si verifichino i casini che si avrebbero se la frequenza di risonanza risultasse modulata dal segnale stesso.

C'è forse una frequenza limite oltre la quale la capacità resta costante e non risente più delle variazioni della tensione del segnale?

[MarcoD]

BrunoValente, hai posto una bella domanda !
Ne so poco, provo a rispondere a sentimento, anticipando gli specialisti, anche per capire poi di quanto ho sbagliato:

Nei circuiti risonanti di ricezione, l'ampiezza del segnale a RF è trascurabile rispetto alla tensione di polarizzazione, il problema non dovrebbe porsi.
Negli oscillatori non è trascurabile, la variazione di capacità provoca una distorsione in una semionda rispetto all'altra, ma questo non influisce sulla frequenza, ma solo sul contenuto delle armoniche. Tuttavia se l'oscillatore locale serve per un mixer, la quantità di armoniche è poco rilevante, tanto all'uscita del mixer viene tutto distorto.

Un utilizzo dei varicap dovrebbe essere negli amplificatori parametrici in cui viene proprio sfruttata la modulazione della capacità. Però è un argomento di cui so proprio quasi nulla.

Attendo di leggere altre spiegazioni da chi è più competente di me.

[PietroBaima]

A senso ti risponderei che la capacità di un varicap è proporzionale alla radice della tensione applicata, per cui se applico una tensione continua ho un determinato effetto costante previsto in fase di progetto che può essere determinato una volta per tutte, mentre se ne applico una alternata ho un effetto molto ridotto dalla presenza della radice, per cui anche se applico un segnale di qualche volt ho un effetto molto ridotto sulla capacità.

Questa però è solo una mia osservazione basata su quello che sono capace di osservare (la formula) quindi prendila per quella che è, cioè una ipotesi.

[BrunoValente]

A senso ti risponderei che la capacità di un varicap è proporzionale alla radice della tensione applicata, per cui se applico una tensione continua ho un determinato effetto costante previsto in fase di progetto che può essere determinato una volta per tutte, mentre se ne applico una alternata ho un effetto molto ridotto dalla presenza della radice, per cui anche se applico un segnale di qualche volt ho un effetto molto ridotto sulla capacità.

Sì, da una parte sarei portato a pensarla come te, però, se effettivamente funzionassero così, credo che gli effetti non potrebbero essere sempre trascurabili, ad esempio nei ricevitori in SSB, dove il rumore di fase dell'oscillatore locale occorre che sia bassissimo, simile a quello di un oscillatore a quarzo, non credo lo sarebbero.

Negli oscillatori non è trascurabile, la variazione di capacità provoca una distorsione in una semionda rispetto all'altra, ma questo non influisce sulla frequenza, ma solo sul contenuto delle armoniche.

non credo introducano solo una semplice distorsione di ampiezza perché la frequenza di risonanza si sposta sopra e sotto con l'andamento del segnale e mi immagino avvenga una sorta di modulazione di frequenza con la produzione di uno spettro di frequenze molto più complicato che non contiene solo armoniche di f0.

[BrunoValente]

Nei circuiti risonanti di ricezione, l'ampiezza del segnale a RF è trascurabile rispetto alla tensione di polarizzazione, il problema non dovrebbe porsi.

anche qui non sarei così sicuro: i segnali in ingresso nei ricevitori per onde corte sono tanti e di ampiezze molto diverse e possono raggiungere livelli tanto alti da produrre intermodulazione nelle non linearità dei semiconduttori, quindi anche nei varicap in qualche misura si dovrebbero osservare effetti simili e invece vengono utilizzati con molta disinvoltura anche e soprattutto in apparati professionali.

[Etemenanki]

La butto li al volo, potrebbe dipendere dal rapporto fra tensione e variazione ? ... ricordo che anni fa ne usai alcuni che andavano da 1 a 12 pF con un'escursione di tensione 0.5V / 28V, vorrebbe dire che per cambiare di un solo pF servirebbero circa 2.5V.

Certo se la sintonia e' molto critica potrebbe anche influire, pero' considera che in genere sugli oscillatori, tipo VCO e simili, li si usa in antiserie (di solito due diodi in antiserie con i catodi in comune, in parallelo all'induttanza, che danno una capacita' dimezzata rispetto ad uno solo, come per le serie di due condensatori uguali) e dato che e' la polarizzazione inversa a provocare la variazione, essendo in antiserie (con i catodi polarizzati attraverso una resistenza) le variazioni di tensione introdotte dalla frequenza di oscillazione nell'anello del circuito dovrebbero tendere ad annullarsi, dato che se per uno dei diodi la tensione inversa aumenta, contemporaneamente per l'altro diminuisce, e viceversa.

O intendevi qualcos'altro ed ho capito male io ?

[PietroBaima]

vorrebbe dire che per cambiare di un solo pF servirebbero circa 2.5V.

no, la scala non è lineare.

[banjoman]

Confermo e concordo sia con PietroBaima che con Etemenanki.
Dato che incidentalmente sto realizzando un generatore rf che copre da 500 kHz a 150 MHz usando due varicap in antiserie col catodo in comune, succede proprio quanto detto da Etemenanki

PietroBaima parla correttamente di una formula (ora non ce l'ho sottomano) in cui compaiono sia la tensione continua inversa applicata (a denominatore) sia la tensione alternata dell'oscillatore (a numeratore, nella forma ) piu' altri termini che non sto a citare.

La cosa fondamentale e' che i due termini sopracitati compiaiono sotto radice.
Radice quadrata se sono diodi del tipo abrupt o hyperabrupt. Radice cubica se sono del tipo a giunzione graduale (standard).

Quello che puo' manifestarsi, durante la "modulazione" della capacita' da parte del segnale sinusoidale e' la comparsa di una "fluttuazione" della capacita': essendo generalmente la caratteristica V-C (nell'intorno del punto di lavoro) non perfettamente lineare, capita che a una semionda corrisponda una variazione di capacita' diversa rispetto alla semionda successiva. Il risultato netto e' una fluttuazione della capacita' che puo variare tra lo 0,5% e il 3%, a seconda del tipo di diodo. Se poi i diodi sono a loro volta lievemente differenti, ecco che sorgono problemi.

Ma qui parliamo di oscillatori ben progettati e realizzati, di elevata stabilita', non di sicuro gli oscillatori di NE...
Di fatto io utilizzo dei varicap integrati, due diodi su un unico chip, cosicche' le caratteristiche sono pressoche' identiche dato che il processo di diffusione avviene su un unico wafer. Usando due diodi separati le cose sarebbero differenti ma, ripeto, parliamo di cercare il pelo nell'uovo.

Nel mio caso punto ad avere un generatore con un drift compreso tra 50 e 100 ppm/ora dopo un adeguato preriscaldamento (circa 20 minuti). Ma e' un generatore da laboratorio, non una radio!


Max

[boiler]

PietroBaima parla correttamente di una formula (ora non ce l'ho sottomano)

(Neamen, Semiconductor Physics and Devices, capitolo 7.3.2 Junction Capacitance)

Boiler

[banjoman]

La mia formula e' un po' diversa ma il concetto resta quello.
Le mie le ho prese da datasheet e application notes varie, Toshiba, Siemens, Mororola e Philips/NXP.
Ho raccattato in rete tutto quello che c'era sui diodi varicap. Un po' come feci a suo tempo coi famosi diodi tunnel...