Варикапы

Варикапом называется специальный полупроводни­ковый диод, у которого в качестве основного параметра используется барьерная емкость. Величина емкости варьируется практически без инерции при изменении обратного напряжения. Следовательно, варикап применя­ется как конденсатор переменной емкости, управляемый напряжением, причем он не просто заменяет дорогой и ненадежный конденсатор переменной емкости, но и поз­воляет в радиоприемных устройствах значительно рас­ширить коэффициент перекрытия по емкости. Например, при использовании некоторых варикапов не требуется разбитие диапазона коротких волн на поддиапазоны, чем обеспечивается качественное улучшение техничес­ких параметров радиоприемной аппаратуры. В качестве варикапа в принципе можно использовать любой диод с p-n переходом, однако, стараясь получить высокие экс­плуатационные качества, применяют только специально предназначенные для работы в роли варикапов диоды.

Если к p-n переходу приложить обратное напряжение, запирающее переход, ширина потенциального барьера увеличится (рис. 6.14).

Рис. 6.14. Потенциальный барьер варикапа

Барьерную емкость варикапа Сб можно найти по формуле:

 

где ε - диэлектрическая проницаемость материала; ε0 — диэлектрическая проницаемость вакуума; Зpn - площадь p-n перехода варикапа; ΔХ - толщина перехода. При подключении обратного напряжения ширина перехода ΔХ увеличивается, следовательно, барьерная емкость будет уменьшаться. Основной характеристикой варикапов является вольтфарадная характеристика С = f (Uобр) (рис. 6.15).

 

Рис. 6.15. Вольтфарадная характеристика варикапа

 

Эквивалентная схема варикапа представляет собой последовательное соединение паразитной индуктивности, барьерной емкости и сопротивления потерь варикапа. Параллельно этим компонентам включена линейная ем­кость варикапа, а параллельно конденсатору барьерной емкости - сопротивление утечки p-n перехода в запертом состоянии, исчисляемое десятками мегом. Чем длиннее выводы варикапа, тем больше их паразитная индуктив­ность, достигающая единиц наногенри. Сопротивление потерь варикапа исчисляется единицами ом. На не очень высоких частотах паразитные индуктивность выводов и емкость корпуса варикапа допустимо не учитывать.

Основные параметры варикапов:

  1. максимальное, минимальное и номинальное значе­ние емкости варикапа.
  2. коэффициент перекрытия k = Cmax/Cmin – отношение максимальной емкости к минимальной;
  3. максимальное рабочее напряжение варикапа;
  4. сопротивление потерь - активное омическое сопротив­ление кристалла и элементов крепления варикапа;
  5. температурный коэффициент емкости (ТКЕ) — ве­личина, отражающая изменение барьерной емкости при изменении температуры кристалла варикапа;
  6. добротность варикапа, под который понимают отно­шение реактивного сопротивления к паразитному на рабочей частоте и при фиксированном напряжении.

Если бы для варикапов использовали диффузионную емкость, работая на прямой ветви вольтамперной харак­теристики, получили бы прибор с резкой зависимостью емкости от напряжения, сильными шумами и низкой добротностью. Из-за указанных недостатков диффузи­онную емкость стараются не применять, а выбирают работу с барьерной емкостью. Граница разделения барьерной и диффузионной емкостей на вольтамперной характеристике около 0.

Минимальное напряжение на варикапе ограничено по­вышением ТКЕ, а максимальное ограничено пробоем.

В умножителях частоты, генераторах и смесителях используют особые варикапы, называемые варакторами. В варакторах используется свойство нелинейности вольт-фарадной характеристики, в результате чего при пропус­кании через варактор гармонического сигнала получим обогащение спектра высшими гармониками.

Варикапы применяют в органах настройки коле­бательных контуров и фильтров радиовещательных и телевизионных приемников, преобразователях частоты, различных параметрических усилителях, а некоторые еще и для генерации, усиления сигналов на СВЧ. Чаще всего можно встретить не дискретные варикапы, а наборы варикапов, которые называют варикапными матрицами. Они удобны в использовании при одновременной регули­ровке нескольких разных контуров, так как входящие в состав матриц варикапы идентичны по параметрам.