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
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.
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.
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 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:
, (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 большими 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.
Рисунок 4. Схема настройки частоты контура сдвоенным варикапом
При подаче управляющего напряжения на варикапы от резистора R1, их ёмкость изменяется 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
