Варикапы

Варикап — это полупроводниковый диод, используемый в качестве переменной емкости с достаточно высокой добротностью. Его название так и переводится на русский язык — изменяемая ёмкость. В варикапе используется свойство p-n перехода изменять барьерную ёмкость под действием внешнего напряжения. Зависимость ёмкости варикапа от запирающего напряжения (Вольтфарадная характеристика) приведена на рисунке 1.

Вольтфарадная характеристика варикапа
Рисунок 1. Зависимость емкости варикапа от напряжения

Основными параметрами, характеризующими варикап, являются:

  • номинальная электрическая ёмкость Cн;
  • диапазон перестройки по ёмкости Cmax/Cmin;
  • Температурный коэффициент изменения ёмкости
  • максимально допустимое напряжение Umax;
  • добротность на заданной частоте Q;
  • диапазон рабочих частот;
  • рабочий диапазон температур.

Варикапы обладают одновременно свойствами и полупроводникового диода и электрического конденсатора, поэтому в их условно-графическом обозначении объединяются изображения диода и конденсатора. Условно-графическое обозначение варикапа приведено на рисунке 2.

УГО варикапа
Рисунок 2. Условно-графическое обозначение варикапа

Вольтамперная характеристика варикапа не отличается от ВАХ обычного диода. Значение номинальной ёмкости варикапа зависит от технологии его производства и составляет обычно десятки пикофарад. Коэффициент перестройки по ёмкости обычно составляет значения от 3 до 6.

Для уменьшения потерь, вносимых варикапом в электрические цепи, на него подается запирающее напряжение. Его полярность показана на рисунке 2. В этом случае сопротивление варикапа будет очень велико, а, значит, ёмкость будет обладать высокой добротностью. Для определения добротности варикапов служит ГОСТ 18986.19-73. При подаче отпирающего напряжения варикап, как и любой другой диод, будет обладать малым сопротивлением, которое зашунтирует его ёмкость. В этом случае варикап будет вести себя как низкоомный проводник.

Основное применение варикапов — перестройка частоты колебательных контуров при помощи управляющего напряжения. Типовая схема включения варикапа в параллельный электрический LC контур полосового фильтра или генератора высокочастотного колебания приведена на рисунке 3.

Схема включения варикапа
Рисунок 3. Схема настройки частоты контура варикапом

В этой схеме на варикап VD1 подается запирающее напряжение, которое может изменяться потенциометром R1. Это напряжение изменяет ёмкость варикапа VD1, а так как он подключен последовательно с конденсатором C1, то то одновременно меняется общая ёмкость контура L1С1VD1. Это приводит к изменению его резонансной частоты. Сопротивление резистора R2 не позволяет уменьшать добротность контура L1С1VD1 нижней частью сопротивления резистора R1.

Конденсатор C1 потребовался для того, чтобы омическое сопротивление индуктивности L1 не закоротило напряжение, приложенное к варикапу, на общий провод прибора. В результате общая ёмкость контура определяется последовательным соединением конденсатора C1 и варикапа VD1. Она определяется следующим выражением:

Формула последовательного соединения конденсатора и варикапа,        (1)

Такое соединение ёмкостей приводит к уменьшению диапазона перестройки LC контура по частоте. В ряде случаев это полезно с точки зрения реализуемого устройства. Если же уменьшение диапазона перестройки по частоте недопустимо, то приходится увеличивать значение ёмкости конденсатора C1. Тогда её влияние на параметры схемы будет уменьшаться. Проблема заключается в том, что конденсаторы большой ёмкости обычно обладают большимми потерями (низким значением добротности Q).

Для увеличения добротности варикапа используют диоды Шоттки. Эти варикапы имеют малое сопротивление потерь, так как в качестве одного из слоев диода используется металл. Сопротивление полупроводника в варикапе тоже уменьшают для уменьшения потерь. Это достигается увеличением степенью его легирования примесями.

В настоящее время существует несколько разновидностей варикапов, применяемых в различных радиоэлектронных устройствах. Это параметрические диоды, предназначенные для усиления и генерации СВЧ-сигналов (варакторы). Умножительные диоды, предназначенные для умножения и преобразования частоты в широком диапазоне частот. Иногда в схемах умножителей частоты используется и диффузионная емкость варикапов.

Следует заметить, что полезный сигнал точно так же воздействует на ёмкость варикапа, как и управляющее напряжение. Это приводит к нелинейности радиоэлектронного узла, использующего варикап, и ухудшению его характеристик. Поэтому широкое распространение получили сборки из двух варикапов, включенных встречно-параллельно. Схема настройки частоты контура сдвоенным варикапом приведена на рисунке 4.

Схема включения варикапа с компенсацией изменения емкости
Рисунок 4. Схема настройки частоты контура сдвоенным варикапом

При подаче управляющего напряжения на варикапы от резистора R1, их ёмкость именяется одновременно. В результате контур перенастраивается на другую частоту. Переменное напряжение, поступающее со входа схемы через конденсатор C1, прикладывается к варикапам VD1 и VD2 в противоположных направлениях, поэтому приводит к одновременному увеличению ёмкости одного варикапа и уменьшению ёмкости другого. Общая ёмкость контура остаётся неизменной, поэтому нелинейных эффектов не наблюдается.

Следует заметить, что параметры варикапов должны быть как можно более близкими, поэтому они обычно изготавливаются в одном технологическом процессе и выпускаются в виде сборки. В качестве примера можно указать такие отечественные сборки варикапов, как КВС111, 2ВС118 или иностранные, например HVM15TR.

Дата последнего обновления файла 16.02.2022


Понравился материал? Поделись с друзьями!


Литература:

  1. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. Под редакцией Федорова Н. Д. - М.: Радио и связь, 1998. -560 с.
  2. Электронные приборы. Под редакцией Шишкина Г.Г. -М.: Энергоатомиздат, 1989.-496 с.
  3. Батушев В. А. Электронные приборы. -М.: Высшая школа, 1980. -383 с.
  4. Савиных В. Л. Физические основы электроники. Учебное пособие. — Новосибирск.: СибГУТИ, 2003. — 77 с.
  5. ГОСТ 18986.19-73 ВАРИКАПЫ Метод измерения добротности Variable capacitance diodes. Method for measuring the quality factor

Вместе со статьей "Варикапы" читают:

p-n переход
https://digteh.ru/foe/pn_perehod/

Выпрямительные диоды
https://digteh.ru/foe/diod/vypryam/

Стабилитроны и стабисторы
https://digteh.ru/foe/diod/stabilitron/

Обращённые диоды
https://digteh.ru/foe/diod/obr/

Диоды Шоттки
https://digteh.ru/foe/diod/schottky/


Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 ... 2021

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/~mavr
http://digital.sibsutis.ru/

Поиск по сайту сервисом Яндекс
Поиск по сайту сервисом ГУГЛ
Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре "Сигнал", Научно производственной фирме "Булат". В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи "Сигнал-201", авиационной системы передачи данных "Орлан-СТД", отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

А.В.Микушин является автором более 100 научных и научно-методических работ, в том числе 20 книг.

Top.Mail.Ru


Яндекс.Метрика