Loading article…
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 ]
バラクタは電圧制御コンデンサとして使用されます。これらは一般的に電圧制御発振器、パラメトリック増幅器、周波数逓倍器で使用されます。[ 2 ]電圧制御発振器には、 FM送信機の周波数変調や位相同期ループ など、多くの用途があります。位相同期ループは、多くのラジオ、テレビ、携帯電話の周波数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、ラモ・ウールドリッジ社の子会社であるパシフィック・セミコンダクター社によって開発され、同社は1961年6月にこのデバイスの特許を取得しました。[ 3 ]また、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会社であるTRWセミコンダクター社によって1967年10月に「Varicap」として商標登録されました。これが、このデバイスが使用されるようになった際に異なる名前が付けられた理由を説明するのに役立ちます。
バラクタは逆バイアス状態で動作するため、デバイスには直流電流は流れません。逆バイアスの量は空乏層の厚さを制御し、それによってバラクタの接合容量が決まります。容量変化特性はドーピングプロファイルに依存します。一般的に、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、容量変化はより非線形になりますが、超急峻なバラクタは容量変化が大きく、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ような可変接合容量を示すが、バラクタダイオードは、この効果を利用して容量変化を増大させるために製造される。
図は、ap-n接合で形成された空乏層を持つバラクタの断面図の一例を示しています。この空乏層は、MOSまたはショットキーダイオードで構成することもできます。これは、 CMOSおよびMMIC技術において重要です。
一般的に、回路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、既存の容量またはインダクタンスと並列に接続します。[ 4 ]バリキャップの容量を変化させるために、逆バイアスとして直流電圧がバリキャップに印加されます。直流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容量の約100倍の容量を持つ直流阻止コンデンサを直列に配置し、付属の図の左上の回路に示すように、バリキャップのカソードと阻止コンデンサの間のノードに高インピーダンス源から直流を印加することによって実現できます。
バリキャップには大きな直流電流が流れないため、そのカソードを直流制御電圧抵抗に接続する抵抗の値は22kΩ ～150kΩの範囲、ブロッキングコンデンサの値は5 ～ 100nF の範囲になります。非常に高いQ値の同調回路の場合、同調回路に負荷がかかってQ値が低下しないように、制御電圧のソースインピーダンスを上げるために、抵抗と直列にインダクタが配置されることがあります。
もう1つの一般的な構成では、2つのバリキャップダイオードを背中合わせ（アノード同士を接続）して使用します。（図の左下の回路を参照。）2つ目のバリキャップは、最初の回路のブロッキングコンデンサを実質的に置き換えます。これにより、全体の静電容量と静電容量範囲は半分になりますが、各デバイスにかかる電圧の交流成分を低減できるという利点があり、交流成分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振幅を持つ場合は、対称的な歪みが発生します。
バリキャップを用いた同調回路を設計する場合、ダイオードの静電容量が大きく変化して信号が歪んだり高調波が発生したりするのを防ぐため、バリキャップにかかる電圧の交流成分を最小限のレベル（通常は ピークツーピークで100mV未満）に維持するのが一般的です。
図の右上にある3番目の回路は、直列接続された2つのバリキャップと、DC信号とAC信号の独立した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記号で、ACグランドは開いた三角形で示されています。グランドを分離する主な理由は、(i)低周波グランドノードからの高周波放射を防ぐため、(ii)ACグランドノードのDC電流がバリキャップやトランジスタなどの能動素子のバイアスや動作点を変化させるのを防ぐためです。
これらの回路構成は、テレビチューナーや電子チューニング式のAM/FMラジオ受信機、その他の通信機器や産業機器で広く用いられています。初期のバリキャップダイオードは、容量範囲全体を得るために0 ～ 33Vの逆電圧範囲を必要としましたが、その容量範囲は依然として小さく、約1 ～ 10pFでした。これらのタイプは、搬送周波数が高いため容量の変化が小さいテレビチューナーで広く使用されていました（そして現在も使用されています）。
やがて、逆バイアス電圧の変化が比較的小さく（0 ～ 5Vまたは0 ～ 12V ）、容量範囲が100 ～ 500pFと広い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、電子的に同調するAM放送受信機をはじめ、一般的に10MHz以下の低周波数で大きな容量変化を必要とする様々な機能が実現可能になりました。小売店で使用される電子セキュリティタグリーダーの中には、電圧制御発振器にこのような高容量バリキャップを必要とするものもあります。
ページ上部に示されている3つのリード付きデバイスは、一般的に、1つのパッケージに収められた2つの共通カソード接続バリキャップです。右側に示されている民生用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）の通過帯域と局部発振器の両方を、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です。タンク用と発振器用にそれぞれ1つずつ、合計4つのダイオードで2つのデュアルパッケージを使用することも可能で、LA1851N AMラジオチップのアプリケーションデータにはそのように記載されていました。FMセクション（約100倍の周波数で動作）で使用されている2つの低容量デュアルバラクタは、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用のデュアルパッケージと局部発振器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。
高調波乗算などの一部のアプリケーションでは、大きな信号振幅の交流電圧をバリキャップに印加し、信号レートで意図的に静電容量を変化させて高調波を生成し、それをフィルタリングによって抽出します。十分な振幅の正弦波電流をバリキャップに流すと、結果として得られる電圧はより三角波状に「ピーク」が立ち上がり、奇数次高調波が生成されます。
これは、適切なトランジスタが開発される以前の時代に、3 ～ 400MHzの周波数で約20ワットの出力から、 1 ～ 2GHz で1 ～ 5ワットという中程度の出力のマイクロ波周波数を生成するために用いられた初期の方法の一つでした。この技術は現在でも、 100GHz ～ 1THzのさらに高い周波数を生成するために用いられており、この周波数帯では最速のGaAsトランジスタでさえまだ不十分です。
すべての半導体接合デバイスはこの効果を示すため、バリキャップとして使用できますが、その特性は制御できず、ロット間で大きくばらつく可能性があります。
一般的な簡易バリキャップには、LED [ 5 ]、 1N400X シリーズの整流ダイオード[ 6 ] 、ショットキー整流器、コレクタ-ベース接合を逆バイアスして使用するさまざまなトランジスタ[ 7 ] 、特に2N2222とBC547があります。交流振幅が小さい限り、トランジスタのエミッタ-ベース接合を逆バイアスすることも非常に効果的です。最大逆バイアス電圧は通常 5 ～ 7 ボルトで、アバランシェプロセスが導通を開始する前です。接合面積が大きい高電流デバイスは、容量が高くなる傾向があります。Philips BA 102 バリキャップと一般的なツェナーダイオード1N5408は、接合容量の変化が似ていますが、BA 102 は接合容量に関して特定の特性セットを持っている (1N5408 にはない) ことと、1N5408 の「Q」が低いことが異なります。
バリキャップが開発される以前は、モーター駆動の可変コンデンサや飽和コアリアクトルが 、第二次世界大戦時のドイツ製スペクトラムアナライザなどの機器のVCOやフィルタにおいて、電気的に制御可能なリアクタンスとして使用されていた。