Đo đặc tính varactor: tỉ số điều chỉnh điện dung và hệ số phẩm chất

Varactor là linh kiện nhỏ nhưng quyết định dải điều chỉnh của VCO, bộ lọc điều chỉnh được và mạch dịch pha. Hai mẫu cùng mã có thể cho dải tần VCO lệch nhau đáng kể chỉ vì điện dung ở điện áp thấp khác vài phần trăm, hoặc vì Q thấp hơn làm nhiễu pha tăng. Đo đặc tính varactor vì thế không dừng ở một giá trị điện dung: kỹ sư cần đường cong C-V, tỉ số điều chỉnh điện dung giữa hai điện áp, hệ số phẩm chất Q hoặc điện trở nối tiếp ở tần số RF, và dòng rò ngược. Mỗi đại lượng được đo ở một tần số và một điều kiện khác nhau. Bài viết này đi từ những gì datasheet thực sự cam kết tới cách đo lại từng thông số bằng thiết bị Keysight.

Đo đặc tính varactor: datasheet cam kết những gì

Đọc datasheet của vài hãng sẽ thấy một mẫu lặp lại: điện dung và tỉ số điện dung đo ở 1 MHz, Q đo ở 50 MHz, điện trở nối tiếp R_S đo ở 470 hoặc 500 MHz, điện áp đánh thủng định nghĩa tại dòng ngược 10 µA. Vài ví dụ lấy nguyên điều kiện từ datasheet:

• Infineon BB833 (Si, SOD323): C_T 9,3 pF điển hình tại V_R = 1 V và 0,75 pF tại 28 V, cùng f = 1 MHz; tỉ số C_T1/C_T28 tối thiểu 11, điển hình 12,4; r_S 1,8 Ω tại 1 V, 470 MHz; I_R tối đa 20 nA tại 30 V.
• Skyworks SMV1405 (dạng chip, tiếp giáp đột ngột): C_T 1,08–1,32 pF tại 4 V; C_T0V/C_T30V tối thiểu 4,1; R_S tối đa 0,80 Ω tại 4 V, 500 MHz; Q điển hình 3200 tại 4 V, 50 MHz.
• Skyworks SMV2026 (siêu đột ngột): C_T 14,0–16,0 pF tại 2 V và 5,5–6,5 pF tại 10 V; tỉ số C_T2V/C_T10V tối thiểu 2,0, điển hình 2,5; R_S 0,5 Ω tại 5 V, 470 MHz.
• MACOM MA46485 (GaAs siêu đột ngột): C_T 10 pF ±10 % tại 4 V, 1 MHz; tỉ số C(2 V)/C(20 V) từ 8 tới 12; Q tối thiểu 1500 tại 4 V, 50 MHz.

Điều đáng chú ý: tỉ số điều chỉnh điện dung không có một định nghĩa chung. Mỗi hãng chọn cặp điện áp riêng (1/28 V, 0/30 V, 2/10 V, 2/20 V). So sánh hai linh kiện phải quy về cùng cặp điện áp, lý tưởng là đo lại cả đường cong.

Đường cong C-V và hệ số gamma

Điện dung tiếp giáp của varactor phân cực ngược giảm theo điện áp. Ghi chú ứng dụng “Varactor Diodes” của Skyworks dùng dạng C = C₀/(V/φ + 1)^γ, với thế tiếp xúc φ = 0,7 V cho silicon và 1,3 V cho GaAs. Varactor đột ngột (abrupt) lý tưởng có γ = 0,5, nhưng Skyworks nhận xét 0,47 đại diện hơn cho linh kiện thực; tiếp giáp phân bố tuyến tính có hệ số m = 1/3. Varactor siêu đột ngột (hyperabrupt) có γ lớn hơn 0,5 và thay đổi theo điện áp, nên một giá trị γ duy nhất chỉ là gần đúng. MA46485 là ví dụ: γ từ 1,13 tới 1,38 trong dải 2–20 V.

Hệ quả thực tế là đường cong C-V của varactor siêu đột ngột phải được đo dày điểm rồi khớp đường cong, không suy ra từ hai điểm. Mô hình SPICE của Skyworks (APN1004) dùng C_J = C_JO/(1 + V_R/V_J)^M cộng điện dung vỏ C_P; ghi chú nói rõ mô hình này chính xác cho dòng abrupt SMV1400 và kém chính xác hơn với hyperabrupt, nơi V_J, M chỉ là tham số khớp. γ càng lớn thì điện dung càng nhạy nhiệt: Skyworks cho hệ số nhiệt TCC = K·γ/(V + φ), với K khoảng 2 300 cho abrupt và 1 700 cho hyperabrupt, tính bằng ppm/°C.

Tỉ số điều chỉnh điện dung: đo ở 1 MHz với tín hiệu nhỏ

Skyworks ghi nhận qua nhiều thí nghiệm rằng điện dung tiếp giáp gần như không đổi theo tần số, nên đo C ở 1 MHz là hợp lý. Điều kiện quan trọng hơn là mức tín hiệu thử. Varactor là linh kiện phi tuyến; tín hiệu AC lớn sẽ tự điều chế điện dung và làm sai giá trị đọc. Skyworks khuyến nghị khoảng 15 mV RMS ở 1 MHz; Sổ tay đo trở kháng của Keysight (5950-3000) khuyến nghị mức thấp, điển hình 20 mV rms, để vẽ đúng C-V. Máy đo LCR thường mặc định 1 V; quên giảm mức là lỗi phổ biến nhất khi đo lại datasheet.

Các bẫy khác khi đo tỉ số:

• Điện dung ký sinh cộng song song làm giảm tỉ số đo được. Điện dung vỏ và điện dung viền của đồ gá không đổi theo điện áp, nên ảnh hưởng mạnh nhất ở điện áp cao, nơi C_J nhỏ. Skyworks nêu đây là điểm tranh chấp thường gặp giữa khách hàng và nhà sản xuất, nhất là varactor điện dung nhỏ.
• Bù đồ gá. Máy chỉ được hiệu chuẩn tới cổng UNKNOWN; phải bù hở mạch/ngắn mạch (và hiệu chỉnh chiều dài cáp) tại mặt phẳng đồ gá trước khi đo.
• Cực tính bias. Varactor phải được phân cực ngược bằng nguồn bias của máy; kiểm tra chiều đặt linh kiện trên đồ gá.
• Sụt áp bias. Nguồn bias giả định DUT gần như không lấy dòng DC; linh kiện rò lớn làm điện áp thực trên DUT thấp hơn giá trị đặt.

Bài đo C-V MOS capacitor tần số cao trình bày thêm các bẫy chung của phép đo C-V như chọn tần số và mức tín hiệu.

Hệ số phẩm chất varactor và điện trở nối tiếp: phải đo ở RF

Với varactor Q cao, mô hình nối tiếp là mô hình vật lý đúng hơn: Q = 1/(2π f R_S C). Khi tăng điện áp ngược, vùng nghèo mở rộng, C giảm và phần điện trở lớp epi chưa nghèo cũng giảm, nên Q tăng. Suy ra Q thấp nhất nằm ở vùng điện áp thấp, đúng là vùng mà BB833 đặc tả r_S (tại 1 V). Q tỉ lệ nghịch với tần số: Q(f₁) = Q(f₂)·f₂/f₁.

Ngành varactor có thói quen đặc tả hệ số phẩm chất varactor ở 50 MHz, nhưng Skyworks thừa nhận Q của diode vi sóng quá cao để đo chính xác ở tần số đó. Q = 3200 nghĩa là phần điện trở chỉ bằng khoảng 1/3200 phần điện kháng, nên một sai số pha rất nhỏ của máy đo cũng làm lệch Q nhiều. Riêng máy đo LCR dải 20 Hz – 2 MHz thì không đạt tới điều kiện 50 MHz. Sổ tay Keysight vì vậy khuyến nghị varactor dùng ở tần số cao phải đo Q hoặc ESR cùng với điện dung ở tần số trên 100 MHz, bằng thiết bị RF I-V. Cách làm thực tế: đo R_S ở vài trăm MHz, nơi phần điện trở chiếm tỉ lệ lớn hơn trong trở kháng, rồi quy đổi về Q ở tần số ứng dụng.

Skyworks đưa ra quy tắc kinh nghiệm hữu ích khi chọn linh kiện: trong VCO, tần số dùng được tối đa gần bằng nơi Q varactor giảm còn 10 (f_max ≈ Q_ref·f_ref/10); với bộ lọc điều chỉnh được, là nơi Q còn 100. Ở tần số RF, điện cảm vỏ cũng bắt đầu cộng hưởng với điện dung: BB833 có L_S 1,8 nH, SMV1405 dạng 0402 chỉ 0,45 nH.

Dòng rò ngược và điện áp đánh thủng

Dòng rò I_R của varactor tốt nằm từ dưới 1 nA tới vài trăm nA, và theo Skyworks tăng khoảng 50 lần khi nhiệt độ lên từ 25 °C tới 125 °C, tức gần gấp đôi mỗi 10 °C. Điện áp đánh thủng V_B thường đo tại I_R = 10 µA; Skyworks khuyên chọn V_B cao hơn điện áp làm việc tối đa ít nhất 5 V, và coi thay đổi I_R sau burn-in là chỉ thị nhạy nhất về độ bền. Phép đo này cần nguồn-đo SMU có độ phân giải femtoampe, không phải máy đo LCR.

Chọn thiết bị Keysight theo từng thông số

• Máy đo LCR Keysight E4980A: 20 Hz – 2 MHz, độ chính xác cơ bản 0,05 %. Bản chuẩn chỉ có bias 0 / 1,5 / 2 V; muốn quét C-V varactor tới 30 V phải có Option 001 (bias −40 tới +40 V, kèm nguồn DC thứ hai ±10 V). Phù hợp đo điện dung và tỉ số tại 1 MHz theo đúng điều kiện datasheet, kết hợp đồ gá 16034E (DC–40 MHz, bias tới ±40 V đỉnh).
• Máy phân tích trở kháng Keysight E4990A: 20 Hz tới 120 MHz, độ chính xác cơ bản ±0,08 %, bias 0 tới ±40 V / ±100 mA tích hợp sẵn, mức tín hiệu từ 5 mV rms. Datasheet nêu đích danh ứng dụng phân tích C-V varactor. Dải tới 120 MHz bao được tần số 50 MHz của điều kiện Q, dù với varactor Q hàng nghìn, đo R_S ở tần số cao hơn vẫn cho kết quả chắc hơn. Lưu ý Option 001 của E4990A là tuỳ chọn tăng tốc độ đo, không phải bias.
• Máy phân tích trở kháng RF Keysight E4991B: 1 MHz tới 500 MHz, 1 GHz hoặc 3 GHz; Option 001 thêm bias 0 tới ±40 V, 0–100 mA. Đây là thiết bị RF I-V phù hợp để đo R_S ở 470–500 MHz như datasheet varactor đặc tả, dùng đồ gá 16092A (tới 500 MHz) hoặc 16197A (SMD, tới 3 GHz).
• Máy phân tích linh kiện bán dẫn Keysight B1500A: mô-đun B1520A đo C-V từ 1 kHz tới 5 MHz, tín hiệu 10–250 mV rms, bias ±25 V nội hoặc ±100 V qua bộ SCUU ghép với SMU; SMU B1517A phân giải 1 fA đo dòng rò trên cùng một lần cắm. Phù hợp phòng R&D cần cả C-V, I-V và C-V gần tĩnh.
• SMU Keysight B2912C: hai kênh, ±210 V, phân giải 10 fA / 100 nV; đủ để đo I_R ở mức nA và V_B tại 10 µA cho varactor tới 30 V trong kiểm tra đầu vào.

Kết luận

Đo đặc tính varactor đúng cách là đo mỗi thông số ở đúng điều kiện của nó: điện dung và tỉ số điều chỉnh điện dung ở 1 MHz với tín hiệu khoảng 15–20 mV, đường cong C-V đủ dày điểm để khớp γ, hệ số phẩm chất varactor hoặc R_S ở tần số RF, và dòng rò bằng SMU. Phần lớn chênh lệch với datasheet đến từ mức tín hiệu quá lớn, bù đồ gá thiếu và điện dung ký sinh, không phải từ linh kiện.

Số đo chỉ so được với datasheet khi máy đo nằm trong độ chính xác công bố; Sổ tay Keysight khuyến nghị hiệu chuẩn định kỳ, điển hình mỗi năm một lần. Techmaster Electronics cung cấp dịch vụ hiệu chuẩn máy đo LCR, máy phân tích trở kháng và SMU theo ISO/IEC 17025. Liên hệ hotline 0908 173 345 để được tư vấn cấu hình đo varactor và lịch hiệu chuẩn.

Biên soạn bởi Khanh Nguyen — Marketing Manager, Techmaster Electronics JSC.