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Diode à capacité variable, Varactor ou varicap

Varactor diode.

Figure 1 : Diode à capacité variable.

Dans la diode à capacité variable, aussi nommé varicap (de l'anglais variable capacity) ou varactor (acronyme de variable reactor), la zone désertée de la jonction pn agit comme le matériau diélectrique entre les plaques d’un condensateur. La variation de largeur de la zone désertée avec la polarisation donne à ce type de diode le comportement d’un condensateur variable en changeant sa capacité. Elles sont utilisées dans les circuits d'accord des récepteurs et des amplificateurs hyperfréquences car elles permettent de faire varier la fréquence de résonance d’un circuit en changeant la tension appliquée sur la diode. La figure 1 montre le symbole des varactors dans un circuit électronique.

zone
désertée
barrière
originale
courant

Figure 2 : Jonction pn polarisée directement.

Durchlasspolung
zone
désertée
barrière
originale
courant

Figure 2 : Jonction pn polarisée directement.

La largeur la zone désertée est directement proportionnelle à la polarisation dans un varicap. Dans le cas de polarisation directe, la zone s’amincit à mesure que la tension augmente en repoussant les porteurs de courant vers la jonction. Lorsque la tension atteint un seuil (par ex. 0,7 volt pour les semi-conducteurs au silicium), les électrons traversent la barrière et se joignent aux « trous » comme dans la figure 2. Cette polarisation directe produit donc une faible résistance et un courant passe dans la diode.

D’un autre côté, si la polarisation est inverse, la zone désertée augmente parce que les porteurs sont repoussés par le champ électrostatique créé à la jonction pn. Cette situation est démontrée dans la figure 3. Elle produit une forte résistance et donc un courant négligeable de quelques micro-ampères.

zone désertée
barrière
originale
(Aucun courant ne circule)

Figure 3 : Jonction pn avec polarisation inverse.

Jonction pn en polarisation inverse
zone désertée
barrière
originale
(Aucun courant ne circule)

Figure 3 : Jonction pn avec polarisation inverse.

Comme la figure 3 le montre, la largeur de la zone désertée varie avec la tension de polarisation inverse et peut donc être considérée comme l’espace entre les plaques d’un condensateur. La diode à capacité variable est une variante d’une diode ordinaire optimisée de manière à obtenir la capacité désirée et une bonne variabilité de celle-ci.

La formule de la capacité s’applique autant à un condensateur qu’à un varactor :

C = k · A Où: A = surface de la plaque
k = constante
d = distance entre les plaques
(1)

d

C’est la largeur de la zone désertée qui sert de distance équivalente entre les plaques. Elle varie proportionnellement avec la tension de polarisation inverse ce qui diminue sa capacité (C). Donc C est inversement proportionnel à la polarisation inverse.

Diélectrique
Diélectrique
Plaque de
condensateur
Plaque de
condensateur
Zone désertée
Zone désertée

Figure 4 : Capacité du varactor versus la polarisation.

Diélectrique
Diélectrique
Plaque de
condensateur
Plaque de
condensateur
Zone désertée
Zone désertée

Figure 4 : Capacité du varactor versus la polarisation.

La variation de capacité versus la tension de polarisation inverse peut être aussi élevée que 10 pour 1. La figure 4 montre un tel exemple. Dans la partie du haut, la polarisation inverse est de 3 volts et elle donne une capacité de 20 picofarads. En augmentant la tension à 6 volts, vue du bas, la capacité diminue à 5 picofarads. Chaque volt d’augmentation de la polarisation donne ainsi une diminution de 5 picofarads pour un rapport de 5 pour 1. Une diminution de la tension donnera inversement une augmentation de la capacité dans le même rapport. Il est à noter que la capacité est très faible, de l’ordre du picofarad. En général, les diodes à capacité variable remplacent donc les condensateurs variables mécaniquement, en particulier dans les circuits électroniques de télécommunication, car :

Un de leur avantage est qu’elles peuvent utiliser un courant continu pour ajuster à distance un circuit par commande manuelle ou bien par rétroaction. La figure 5 montre une telle utilisation comme ajustement de fréquence dans le circuit résonnant final d’un récepteur ou d’un transmetteur (Circuit oscillant accordé sur la fréquence de l'oscillation porteuse d'un émetteur radioélectrique, inséré dans le circuit anodique du dernier étage et alimentant l'antenne.)

Figure 5 : Un circuit de résonance accordé varactor.

Varactor tuned resonant circuit.

Figure 5 : Un circuit de résonance accordé varactor.

Dans ce diagramme, la tension en courant continu est ajustable grâce à un potentiomètre entre +V et –V. Le signal passe par une faible résistance de bobines d’arrêt des radiofréquences Dr1 et Dr2 (impédances arrêtant la composante haute fréquence et laissant passer la composante basse fréquence) qui agissent comme polarisation inverse sur la diode CR. Les condensateurs C1 et C3 sont en série avec la fonction de condensateur de la diode. Toute variation de tension à R changera la capacité C2 et la fréquence de résonnance du circuit.

Les bobines donnent une grande réactance à la fréquence de résonance du circuit afin de ne pas surcharger R. Les condensateurs C1 et C3 coupent la partie de courant continu et fixent la gamme dynamique des fréquences de syntonisation de C2.