バリキャップ

バリキャップダイオード
	バリキャップの内部構造
タイプ	受け身
発明家	1961
ピン名	陽極と陰極
電子シンボル

電子工学において、バリキャップダイオード、バラクタダイオード、可変容量ダイオード、可変リアクタンスダイオード、またはチューニングダイオードは、逆バイアスされたp-n接合の電圧依存容量を利用するように設計されたダイオードの一種です。^[1]

アプリケーション

バラクタは電圧制御コンデンサとして使用されます。これらは、電圧制御発振器、パラメトリック増幅器、周波数逓倍器でよく使用されます。^[2]電圧制御発振器は、 FM送信機の周波数変調や位相同期回路など、多くの用途があります。位相同期回路は、多くのラジオ、テレビ、携帯電話を調整する周波数シンセサイザに使用されます。

バリキャップは、1961年6月に特許を取得したラモ・ウールドリッジ社の子会社パシフィック・セミコンダクター社によって開発されました。 ^{[3]このデバイス名は、パシフィック・セミコンダクター社の後継企業である}TRWセミコンダクター社によって1967年10月に「バリキャップ」として商標登録されました。これは、このデバイスが使用されるようになったときにさまざまな名前が付けられた理由を説明しています。^{[説明が必要]}

手術

バラクタは逆バイアス状態で動作するため、デバイスには DC 電流が流れません。逆バイアスの量によって空乏層の厚さが制御され、バラクタの接合容量が制御されます。容量の変化特性はドーピングプロファイルによって異なります。一般に、急峻な接合プロファイルの場合、空乏層の厚さは印加電圧の平方根に比例し、容量は空乏層の厚さに反比例します。したがって、容量は印加電圧の平方根に反比例します。超急峻な接合プロファイルの場合、容量の変化はより非線形ですが、超急峻なバリキャップは容量の変化が大きく、より低い電圧で動作できます。

すべてのダイオードはこの可変接合容量を示しますが、バラクタはこの効果を利用して容量の変化を増やすように製造されています。

この図は、p-n接合で形成された空乏層を持つバラクタの断面の例を示しています。この空乏層は、MOSまたはショットキーダイオードで作ることもできます。これは、 CMOSおよびMMICテクノロジーで重要です。

回路での使用

チューニング回路

一般的に、回路内でバリキャップダイオードを使用するには、それを同調回路に接続する必要があります。通常は、既存の静電容量またはインダクタンスと並列に接続します。^[4]バリキャップの静電容量を変更するには、バリキャップ全体に逆バイアスとして DC 電圧を印加します。DC バイアス電圧が同調回路に入らないようにする必要があります。これは、バリキャップダイオードの最大静電容量の約 100 倍の静電容量を持つ DC ブロッキングコンデンサをバリキャップダイオードと直列に配置し、添付の図の左上の回路に示すように、バリキャップカソードとブロッキングコンデンサ間のノードに高インピーダンスソースから DC を印加することで実現できます。

バリキャップには大きな DC 電流は流れないので、そのカソードを DC 制御電圧抵抗器に接続する抵抗器の値は 22 kΩ ～ 150 kΩ の範囲、ブロッキングコンデンサの値は 5 ～ 100 nF の範囲になります。非常に高い Q の同調回路では、同調回路に負荷がかかって Q が低下しないように、抵抗器と直列にインダクタを配置して制御電圧のソースインピーダンスを増やすことがあります。

もう 1 つの一般的な構成では、2 つのバックツーバック (アノード対アノード) バリキャップダイオードを使用します (図の左下の回路を参照)。2 番目のバリキャップは、実質的に最初の回路のブロッキングコンデンサーを置き換えます。これにより、全体の静電容量と静電容量範囲が半分に減りますが、各デバイス間の電圧の AC 成分が減るという利点があり、AC 成分の振幅がバリキャップを順方向導通にバイアスするのに十分な場合は対称的な歪みが生じます。

バリキャップを使用してチューニング回路を設計する場合、ダイオードの静電容量が過度に変化して信号が歪んだり高調波が追加されたりするのを防ぐために、バリキャップ全体の電圧の AC 成分を最小レベル (通常はピークツーピークで 100 mV 未満) に維持することが通常良い方法です。

図の右上にある 3 番目の回路では、直列接続された 2 つのバリキャップと、個別の DC および AC 信号グランド接続を使用しています。DC グランドは従来のグランドシンボルで示され、AC グランドは開いた三角形で示されます。グランドの分離は、(i) 低周波グランドノードからの高周波放射を防ぐため、および (ii) AC グランドノードの DC 電流によってバリキャップやトランジスタなどのアクティブデバイスのバイアスと動作ポイントが変化するのを防ぐため、よく行われます。

これらの回路構成は、テレビチューナーや電子同調放送 AM および FM 受信機、その他の通信機器や産業機器では非常に一般的です。初期のバリキャップダイオードでは、フルキャパシタンス範囲を得るために通常 0 ～ 33 V の逆電圧範囲が必要でしたが、それでも約 1 ～ 10 pF と非常に小さかったです。これらのタイプは、高搬送周波数でもキャパシタンスのわずかな変化しか必要としないテレビチューナーで広く使用されていました (現在も使用されています)。

やがて、100～500 pF という大きな静電容量範囲と、比較的小さな逆バイアスの変化 (0～5 V または 0～12 V) を示すバリキャップダイオードが開発されました。これらの新しいデバイスにより、電子的に同調された AM 放送受信機の実現が可能になり、一般に 10 MHz 未満の低周波数で大きな静電容量変化を必要とする他のさまざまな機能も実現できます。小売店で使用される電子セキュリティタグリーダーの一部の設計では、電圧制御発振器にこれらの高静電容量バリキャップが必要です。

ページ上部に描かれている 3 つのリード付きデバイスは、通常、1 つのパッケージに収められた共通カソード接続されたバリキャップ 2 つです。右側に描かれている民生用 AM/FM チューナーでは、1 つのデュアルパッケージバリキャップダイオードが、タンク回路 (メインステーションセレクター) のパスバンドとローカルオシレーターの両方を、それぞれ 1 つのバリキャップで調整します。これはコストを抑えるために行われます。2 つのデュアルパッケージ (タンク用とオシレーター用に 1 つずつ) を使用することもでき、合計 4 つのダイオードになります。これは、LA1851N AM ラジオチップのアプリケーションデータに描かれているものです。FM セクション (約 100 倍の周波数で動作) で使用される 2 つの低容量デュアルバラクターは、赤い矢印で強調表示されています。この場合、タンク/バンドパスフィルター用のデュアルパッケージとローカルオシレーター用のデュアルパッケージを介して、4 つのダイオードが使用されています。

調和乗算

高調波乗算などの一部のアプリケーションでは、信号レートで意図的に静電容量を変化させ、フィルタリングによって抽出される高調波を生成するために、大きな信号振幅の交流電圧がバリキャップ全体に印加されます。十分な振幅の正弦波電流がバリキャップを通じて印加されると、結果として生じる電圧はより三角形に「ピーク」し、奇数次高調波が生成されます。

これは、この高周波数で動作できる適切なトランジスタが開発される前に、約 20 ワット、3～400 MHz の周波数から、1～5 ワットで 1～2 GHz の中程度の電力のマイクロ波周波数を生成するために使用された初期の方法の 1 つでした。この技術は、最高速の GaAs トランジスタでもまだ不十分な、100 GHz ～ 1 THz の範囲のはるかに高い周波数を生成するために今でも使用されています。