Introduction
Dans les circuits électroniques, nous connaissons tous les condensateurs fixes et les condensateurs variables utilisés pour accorder un circuit sur une fréquence donnée. Mais saviez-vous qu’il existe une diode capable de jouer le rôle d’un condensateur dont la valeur est commandée par une simple tension électrique ?
Cette diode particulière s’appelle la diode Varicap, également désignée sous le nom de Varactor.
Très utilisée dans les équipements radio, les oscillateurs, les récepteurs et les systèmes de télécommunication, elle permet de modifier électroniquement la fréquence d’un circuit sans aucune intervention mécanique.
Nous allons découvrir son principe de fonctionnement, ses caractéristiques et plusieurs exemples d’utilisation, particulièrement intéressants pour les radioamateurs.
1. Qu’est-ce qu’une diode Varicap ?
Une diode Varicap est une diode à semi-conducteur spécialement conçue pour exploiter la capacité électrique de sa jonction PN.
Contrairement à une diode classique, principalement utilisée pour redresser un courant, la Varicap fonctionne normalement en polarisation inverse.
Dans ces conditions, elle se comporte comme un condensateur dont la capacité dépend de la tension appliquée.
Son fonctionnement repose sur une propriété physique des jonctions PN : la présence d’une zone de déplétion, également appelée zone de charge d’espace.
Cette zone joue le rôle du diélectrique d’un condensateur.
Les régions conductrices situées de part et d’autre constituent l’équivalent de ses armatures.
La propriété essentielle est la suivante :
- Lorsque la tension inverse augmente, la capacité diminue.
- Lorsque la tension inverse diminue, la capacité augmente.
Il devient donc possible de modifier la capacité d’un circuit en faisant simplement varier une tension continue.
Évolution de la zone de déplétion d’une jonction PN lorsque la tension inverse augmente. Plus cette zone s’élargit, plus la capacité de jonction diminue.
2. Comment fonctionne une diode Varicap ?
2.1 La jonction PN
Une diode est constituée de deux régions de semi-conducteur :
- Une région P, riche en trous.
- Une région N, riche en électrons.
À leur interface apparaît une zone de déplétion, pratiquement dépourvue de porteurs mobiles.
Cette zone possède des propriétés isolantes.
La jonction PN présente donc naturellement une capacité électrique.
Dans une diode Varicap, la structure et le profil de dopage sont optimisés pour obtenir une variation de capacité exploitable et reproductible.
2.2 Influence de la tension inverse
Lorsqu’une tension inverse est appliquée à la diode, le potentiel positif est raccordé à la cathode et le potentiel négatif à l’anode.
La zone de déplétion s’élargit.
Or, pour un condensateur plan idéal, la capacité est donnée par :
![\[C=\frac{\varepsilon S}{d}\]](https://www.f5kee.fr/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-4dfad758d05ef903d3209d9a3be7dc30_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Avec :
- (C) : capacité en farads ;
- (\varepsilon) : permittivité du diélectrique ;
- (S) : surface équivalente des armatures ;
- (d) : distance entre les armatures.
Cette relation permet de comprendre qualitativement le comportement de la Varicap.
Lorsque la largeur de la zone de déplétion augmente, la capacité diminue.
Attention : une jonction PN ne constitue pas exactement un condensateur plan. Cette analogie sert avant tout à comprendre le phénomène physique.
2.3 La relation capacité-tension
La capacité d’une Varicap peut être approximée par :
![\[\boxed{C(V_R)=\frac{C_{j0}}{(1+V_R/V_J)^m}}\]](https://www.f5kee.fr/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-6296f13a7e5afde146e689ca41871dd5_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Où :
- (C(V_R)) : capacité de jonction à la tension inverse considérée ;
- (C_{j0}) : capacité de jonction à tension inverse nulle ;
- (V_R) : tension inverse appliquée ;
- (V_J) : potentiel caractéristique de la jonction ;
- (m) : coefficient dépendant du profil de dopage.
Pour une jonction abrupte idéale, le coefficient (m) est voisin de 0,5.
D’autres structures, notamment les jonctions hyperabruptes, permettent d’obtenir une variation de capacité plus importante.
Les valeurs exactes dépendent du modèle de diode et doivent être vérifiées dans sa documentation technique.
3. Exemple de variation de capacité
Prenons une Varicap théorique possédant les caractéristiques suivantes :
- Capacité à tension nulle : 100 pF.
- Potentiel de jonction : 0,7 V.
- Coefficient de jonction : 0,5.
La formule précédente permet de calculer les capacités suivantes :
| Tension inverse | Capacité approximative |
|---|---|
| 0 V | 100 pF |
| 1 V | 64,2 pF |
| 2 V | 50,9 pF |
| 5 V | 35,0 pF |
| 10 V | 25,6 pF |
| 15 V | 21,1 pF |
| 20 V | 18,4 pF |
Ces valeurs sont purement illustratives et ne correspondent pas à un modèle commercial particulier.
Nous constatons que la capacité ne varie pas linéairement avec la tension.
La variation est généralement plus importante aux faibles tensions inverses.
C’est une caractéristique importante à prendre en compte lors de la conception d’un oscillateur commandé en tension.
Exemple de diminution non linéaire de la capacité d’une Varicap lorsque sa tension de polarisation inverse augmente.
4. Comment utiliser une diode Varicap ?
La diode Varicap est principalement utilisée dans des circuits accordés LC.
Un circuit résonant est constitué d’une inductance et d’une capacité.
Sa fréquence de résonance idéale est donnée par :
![\[\boxed{f_0=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}}\]](https://www.f5kee.fr/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-42e4acb705cb96e80f85907124ceec21_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Avec :
- (f_0) : fréquence de résonance en hertz ;
- (L) : inductance en henrys ;
- (C) : capacité en farads.
En remplaçant un condensateur fixe par une Varicap, ou en associant celle-ci à un condensateur fixe, nous obtenons un circuit dont la fréquence peut être commandée par une tension.
4.1 Exemple pratique sur la bande des 7 MHz
Imaginons un circuit accordé comportant :
- Une inductance de 10 µH.
- Une Varicap dont la capacité peut varier entre 30 et 80 pF.
Calculons les fréquences de résonance théoriques.
Avec une capacité de 80 pF :
![\[f_0=\frac{1}{2\pi\sqrt{10\times10^{-6}\times80\times10^{-12}}}\]](https://www.f5kee.fr/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-edb0dc57c848e3c207d452c57ab464cb_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Nous obtenons :
![\[\boxed{f_0\approx5,63\ MHz}\]](https://www.f5kee.fr/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-e1e90823478cd22d79a74d9a40afe9b4_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Avec une capacité de 30 pF :
![\[\boxed{f_0\approx9,19\ MHz}\]](https://www.f5kee.fr/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-fe9dd60e35ea6947748573fe871f01ec_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Notre circuit peut donc théoriquement être accordé entre 5,63 et 9,19 MHz.
Cette plage englobe notamment la bande radioamateur des 40 mètres.
Dans un montage réel, les capacités parasites, les capacités fixes et les caractéristiques de la diode modifient cette plage.
Il faut également tenir compte du facteur de qualité de l’inductance et de la Varicap.
4.2 Le circuit de polarisation
Pour utiliser correctement une Varicap, il faut lui appliquer une tension inverse tout en évitant que le signal radiofréquence ne perturbe la source de commande.
Un montage typique comporte :
- Une diode Varicap.
- Une résistance de polarisation de forte valeur.
- Une alimentation continue réglable.
- Une inductance constituant le circuit accordé.
- Éventuellement un condensateur de liaison ou de blocage.
La résistance de polarisation peut, par exemple, être comprise entre 47 kΩ et 220 kΩ, selon le circuit et les contraintes de fonctionnement.
Elle permet d’appliquer la tension continue tout en limitant le chargement RF du circuit accordé.
Le découplage de la ligne de commande doit être étudié pour éviter d’introduire du bruit ou des perturbations dans l’oscillateur.
Exemple de circuit résonant utilisant une Varicap polarisée en inverse. La tension de commande modifie la capacité de jonction et donc la fréquence d’accord.
5. Les principales applications des diodes Varicap
5.1 Les oscillateurs commandés en tension (VCO)
Le VCO, ou Voltage Controlled Oscillator, est l’une des applications les plus connues.
Dans un oscillateur LC, la fréquence dépend de la capacité du circuit résonant.
En utilisant une Varicap, il devient possible de modifier la fréquence de l’oscillateur à partir d’une tension continue.
Cette technique est employée dans de nombreux équipements radio.
Elle permet notamment de réaliser des oscillateurs locaux dont la fréquence peut être ajustée électroniquement.
5.2 Les synthétiseurs de fréquence PLL
Une PLL (Phase Locked Loop) est une boucle à verrouillage de phase.
Dans une architecture classique, elle compare la phase d’un signal de référence à celle d’un signal dérivé de l’oscillateur.
La boucle produit une tension de correction qui commande le VCO.
Lorsque ce VCO utilise une Varicap, la tension de correction agit directement sur sa fréquence.
Ce principe a longtemps été très utilisé dans les synthétiseurs de fréquence des émetteurs-récepteurs.
Il reste présent dans de nombreuses architectures, même si certains circuits modernes utilisent d’autres techniques d’accord.
5.3 La modulation de fréquence
Une Varicap peut également servir à produire une modulation de fréquence.
Le principe consiste à appliquer une petite tension variable autour d’une tension de polarisation continue.
La capacité varie alors légèrement, ce qui provoque une variation de la fréquence de l’oscillateur.
Le signal modulant peut ainsi commander directement la fréquence instantanée.
Cette méthode peut être utilisée pour réaliser des oscillateurs modulés en fréquence.
Il faut toutefois veiller à la linéarité de la modulation.
En effet, la relation entre tension et capacité n’est pas linéaire.
5.4 L’accord électronique des filtres
Une autre application concerne les filtres accordables.
En remplaçant certains condensateurs par des Varicap, il devient possible de déplacer électroniquement la fréquence centrale d’un filtre.
Cette technique peut être employée dans les circuits d’entrée de récepteurs, les présélecteurs et certains filtres RF.
Elle évite l’utilisation de condensateurs variables mécaniques ou de commutateurs pour certaines fonctions d’accord.
5.5 Les circuits de correction automatique
Dans certains systèmes, une Varicap permet de corriger une dérive de fréquence.
Une tension de commande issue d’un circuit de régulation agit sur la capacité de la diode.
La fréquence de résonance peut ainsi être légèrement corrigée.
Cette technique est notamment intéressante dans les oscillateurs nécessitant un ajustement électronique fin.
6. Comment choisir une diode Varicap ?
Toutes les Varicap ne possèdent pas les mêmes caractéristiques.
Le choix dépend principalement de l’application envisagée.
La plage de capacité
Certaines diodes possèdent des capacités de quelques picofarads, tandis que d’autres peuvent atteindre plusieurs centaines de picofarads.
Une capacité importante peut être intéressante pour les circuits accordés sur des fréquences relativement basses.
À l’inverse, les applications VHF et UHF utilisent souvent des modèles présentant de faibles capacités et de bonnes performances RF.
Le rapport de variation
Le rapport entre la capacité maximale et la capacité minimale détermine en partie l’étendue de la plage d’accord.
Plus ce rapport est important, plus la plage de fréquence accessible peut être étendue.
Le facteur de qualité
Le facteur de qualité, généralement noté Q, est particulièrement important dans les circuits radiofréquences.
Il dépend notamment des pertes de la diode et de sa résistance série.
Un facteur Q élevé permet de limiter les pertes et de préserver les performances du circuit résonant.
La tension inverse maximale
La tension de polarisation doit rester dans les limites autorisées par le fabricant.
Il faut également tenir compte de la tension RF présente aux bornes de la diode.
La tension instantanée ne doit pas entraîner une conduction directe indésirable ou dépasser la tension inverse admissible.
Quelques références connues
Parmi les familles de Varicap rencontrées dans les montages électroniques et radioamateurs, nous pouvons citer :
- BB109 : diode Varicap historiquement utilisée dans des circuits d’accord.
- BB112 : référence classique pour certaines applications d’accord électronique.
- MV2109 : diode de capacité variable utilisée dans des applications RF.
- SMV1231 : famille de Varicap destinée notamment aux circuits d’accord RF.
Ces références sont données à titre d’exemple. Leurs caractéristiques, boîtiers et disponibilités diffèrent.
Il convient de consulter la fiche technique du modèle précis avant de l’intégrer dans un montage.
7. Les précautions d’utilisation
La Varicap est un composant simple à utiliser, mais quelques précautions sont indispensables.
Respecter la polarité : elle doit normalement fonctionner en polarisation inverse.
Limiter l’amplitude RF : un signal trop important peut provoquer une conduction directe pendant une partie du cycle ou une variation excessive de capacité.
Stabiliser la tension de commande : toute variation indésirable de cette tension peut se traduire par une variation de fréquence.
Éviter les capacités parasites : les pistes, les connexions et les autres composants influencent la capacité totale du circuit.
Prendre en compte la température : les caractéristiques de la diode peuvent évoluer avec la température et provoquer une dérive de fréquence.
Soigner le découplage : la ligne de polarisation ne doit pas introduire de bruit dans le circuit accordé.
Dans un oscillateur destiné à produire un signal stable, ces précautions sont particulièrement importantes.
8. Peut-on remplacer une Varicap par une diode ordinaire ?
En théorie, toute jonction PN polarisée en inverse possède une capacité variable avec la tension.
Il est donc possible d’observer un effet Varicap avec certaines diodes ordinaires.
Cependant, une diode classique n’est pas optimisée pour cette utilisation.
Sa plage de capacité, ses pertes et sa stabilité peuvent être peu adaptées.
Pour une expérience pédagogique, cette propriété peut être intéressante à mettre en évidence.
En revanche, pour un montage RF nécessitant des performances reproductibles, il est préférable d’utiliser une véritable diode Varicap.
9. Une expérience simple à réaliser
Pour mettre en évidence le fonctionnement d’une Varicap, nous pouvons réaliser un petit circuit résonant.
Le principe consiste à associer une inductance à une diode Varicap, puis à modifier progressivement sa tension de polarisation inverse.
La fréquence de résonance peut être observée à l’aide d’un générateur RF et d’un oscilloscope, ou plus simplement avec un NanoVNA.
Le NanoVNA permet notamment de visualiser le déplacement de la fréquence de résonance.
En augmentant la tension inverse, nous devons normalement observer une diminution de la capacité et donc une augmentation de la fréquence de résonance.
Cette expérience constitue une excellente démonstration du principe de l’accord électronique.
Il faut veiller à injecter la tension continue par un circuit de polarisation adapté et à protéger les instruments de mesure contre toute tension continue indésirable.
10. Un simulateur interactif pour comprendre la Varicap
Pour compléter cette présentation, nous proposons un simulateur interactif permettant d’étudier le comportement d’une diode Varicap.
Le simulateur permettra de modifier plusieurs paramètres :
- La tension inverse appliquée à la diode.
- La capacité nominale de la Varicap.
- Le coefficient caractéristique de la jonction.
- La valeur de l’inductance du circuit résonant.
Les résultats seront immédiatement visibles :
- Capacité de la diode en picofarads.
- Fréquence de résonance du circuit LC.
- Courbe de variation de la capacité en fonction de la tension.
- Évolution de la fréquence de résonance.
Une représentation du circuit permettra également de visualiser la polarité de la tension de commande et le rôle de chaque composant.
Ce simulateur offrira la possibilité de réaliser virtuellement différentes expériences sans disposer immédiatement des composants nécessaires.
Conclusion
La diode Varicap est un composant particulièrement intéressant puisqu’elle transforme une tension électrique en une variation de capacité.
Son fonctionnement repose sur une propriété fondamentale de la jonction PN : la largeur de la zone de déplétion varie avec la tension inverse appliquée.
Cette caractéristique permet de réaliser des circuits accordables électroniquement, des oscillateurs commandés en tension, des modulateurs de fréquence et de nombreux dispositifs radiofréquences.
Pour les radioamateurs, la Varicap constitue un excellent sujet d’expérimentation.
Associée à une simple inductance, elle permet de découvrir les principes de l’accord électronique et de mieux comprendre le fonctionnement de nombreux équipements de radiocommunication.
Avec quelques composants, un générateur et un NanoVNA, il devient possible de vérifier expérimentalement les phénomènes décrits dans cet article.
Et grâce au simulateur interactif, chacun pourra explorer le comportement de la Varicap et observer l’influence de la tension sur la fréquence d’un circuit résonant.
Sources et liens utiles pour l’article
Voici quatre références techniques pour approfondir le sujet :
- Skyworks – Application Note: Varactor Diodes — Fonctionnement, caractéristiques électriques, pertes et facteur de qualité.
- Skyworks – Tuning Varactor Diodes — Applications dans les VCO, filtres accordables et déphaseurs RF.
- Microchip – Optimizing Performance in RF Tuning Circuits — Conseils pratiques pour la polarisation et l’utilisation des Varicap.
- Analog Devices – Varactor Temperature Compensation — Influence de la température sur la capacité et la stabilité des circuits.
