Принцип работы варикапа кратко

Обновлено: 30.06.2024

Варикапы уже давно нашли самое широкое применение в радиотехнике, но далеко не все новички в этой области знают, что это за прибор, как работает и для чего служит. В этой статье мы выясним принцип работы варикапа, научимся его проверять и попробуем заменить этот полупроводник обычным диодом.

Конструкция и принцип работы

Варикап – это полупроводниковый прибор, который может изменять свою электрическую емкость под действием приложенного к нему обратного напряжения. То есть по сути, это конденсатор переменной емкости, но регулировать эту емкость можно не механически, а величиной постоянного напряжения. На принципиальных схемах варикап выглядит как некий гибрид полупроводникового диода и конденсатора.

Конденсатор понятно, но при чем тут диод? Да при том, что этот тип приборов, по сути, является диодом, только с небольшими технологическими изменениями. Взглянем на структуру варикапа.

На сильнолегированный слой полупроводника n-типа (на схеме n+) выращивается высокоомная пленка низколегированного проводника n-типа (n-). Это так называемый эпитаксиальный слой. Затем при помощи диффузии акцепторных примесей верхнюю часть эпитаксиального слоя превращают в слой p-типа. При этом между слоями разного типа формируется n-p-переход.

Стеклянное покрытие служит защитой боковой поверхности структуры от внешнего воздействия и увеличивает максимально возможное обратное напряжение полупроводника.

Пока никаких отличий от диода мы не видим. Два слоя разной проводимости, между ними область, бедная носителями заряда – барьер.

При отсутствии напряжения в слоях, расположенных вблизи n-p-перехода располагается обедненный слой определенной толщины

При отсутствии напряжения на электродах в слоях, расположенных вблизи p-n-перехода, располагается обедненный слой определенной толщины

А теперь подадим на полупроводник обратное напряжение – катод подключим к плюсу, а анод к минусу источника питания. За счет обратного напряжения дырки начнут выталкиваться вглубь p-, а электроны вглубь n-области. Обедненный слой становится шире.

Что такое обедненный слой? Это слой, лишенный носителей заряда, по сути, диэлектрик. Если необедненные слои n и p области принять за обкладки, то перед нами окажется самый настоящий плоский конденсатор. Емкость же такого конденсатора согласно известной формуле напрямую зависит от расстояния между обкладками, т.е. от толщины диэлектрика. Чем больше расстояние, тем меньше емкость. Таким образом, управляя толщиной обедненного слоя изменением величины обратного напряжения, мы можем изменять электрическую емкость нашего полупроводникового конденсатора.

Отличие же варикапа от обычного диода состоит лишь в технологии его изготовления. Подбирая соответствующие легирующие присадки, конструкторам удалось добиться от, казалось бы, обычных диодов относительно высоких коэффициента перекрытия по емкости, температурного коэффициента емкости (ТКЕ), хорошей добротности и пр.

Как проверить

Если же мы хотим быть уверенными в исправности варикапа, а также узнать диапазон перекрываемых им емкостей, то придется все же воспользоваться несколькими приборами – вольтметром, измерителем емкости (С-метром) и блоком питания. ННу и еще нам понадобится пара радиодеталей, для сборки небольшого стенда.

Собираем схему, выводим движок переменного резистора R2 в нижнее по схеме положение и подаем питание. Изменяем положение движка резистора и следим за изменением показаний С-метра, которые будут связаны с показаниями вольтметра. Чем напряжение выше, тем меньшее значение покажет С-метр.

Прежде, чем начать проверку, необходимо выяснить, на какое максимальное обратное напряжение рассчитан варикап. Если это напряжение превысить, то полупроводник будет испорчен.

Стоит заметить, что при использовании данной схемы проверки, показания С-метра будут соответствовать общей емкости варикапа и конденсатора С1, соединенных последовательно. Для того, чтобы узнать емкость варикапа, необходимо воспользоваться формулой:

Собщ=C1*C2/C1+C2,

Собщ - показания С-метра;
С1 - емкость конденсатора С1 (100n);
С2 - емкость варикапа.

Для снятия характеристик с варикапа его необходимо питать только от стабилизированного источника питания с минимумом пульсаций. В противном случае показания С-метра будут необъективными.

Варикап из диода

Итак, мы выяснили, что варикап по своей структуре практически не отличается от обычного диода. Можно ли заменить один полупроводник другим? Вполне. Ведь обычный диод тоже имеет барьер и, что самое главное, ширина этого барьера, а значит, и его емкость тоже зависят от обратного напряжения.

Таким образом, для того, чтобы использовать диод в качестве управляемой напряжением емкости, ничего изобретать не надо. Достаточно подать на прибор обратное напряжение и он будет исполнять роль конденсатора, управляемого напряжением.

Очень многие диоды и даже транзисторы по коэффициенту перекрытия, максимальной и минимальной емкости практически не уступают варикапам. Таким образом, использовать обычный диод вместо варикапа вполне реально, что, впрочем, давно доказано радиолюбителями.

Другое дело, что взяв в руки варикап, можно точно сказать, какими характеристиками, относящимися к конденсаторам, он обладает, поскольку все они нормированы. А вот диоды придется подбирать индивидуально. Характеристики, касающиеся именно свойств конденсатора, у полупроводников даже одной серии могут существенно разниться.

Любопытно, что роль варикапа может исполнять стабилитрон и даже обычный транзистор. Один из вариантов такой замены изображен на схеме ниже. Как и диод, стабилитрон и транзистор придется подбирать индивидуально.

Очень часто в советской радиоприемной и передающей аппаратуре можно было встретить обычный стабилитрон Д814, включенный как варикап. Причем найти его в этом качестве можно было и в военной технике, требования к надежности и качеству работы которой были и остаются весьма жесткими.

Вот мы и узнали, что такое варикап и как он работает. Ну а заодно выяснили, что при необходимости этот прибор можно заменить обычным диодом, стабилитроном или транзистором.

Варикап – полупроводниковый диод, главным параметром которого является изменяемая под напряжением емкость. В устройстве применяется зависимость емкости p-n перехода и приложенного обратного напряжения.

Среди основных характеристик варикапа:

коэффициент перекрытия по емкости;
общая емкость;
постоянный обратный ток;
постоянное обратное напряжение;
рассеиваемая мощность.

Область применения

Работа варикапа актуальна при перестройке частоты узлов в электроаппаратуре. Устройства используются в частотозадающих электронных цепях, поскольку позволяют быстро и просто изменять рабочую частоту. Такое возможно, благодаря изменению емкости системы, которая меняется при изменении управляющего напряжения. Варикапы включены в схемы радиоприемников и беспроводных модулей для передачи данных, используются в устройствах, где задействованы частотозависимые цепи.

Преимуществами использования полупроводниковых диодов с емкостью, зависящей от приложенного напряжения, являются:

возможность увеличения количества одновременно перестраиваемых контуров;
малые габариты узла настройки;
снижение паразитных излучений, передаваемых от гетеродинов;
возможность включения варикапов около контурных катушек;
удобное сочетание фиксированной и плавной настройки, благодаря подаче ранее установленных управляющих напряжений;
хорошее сопротивление механическому воздействию;
согласованность с цепями АПЧ;
надежность и отсутствие микрофонного эффекта;
возможность автоматизированного поиска частоты и дистанционного управления.

Схемы подключения варикапа

В LC-генераторах транзисторного типа это устройство работает в качестве элемента емкостного сопротивления. Подключается к резонансному контуру последовательно или параллельно. Упрощенная схема подразумевает включение вместо конденсатора в параллельно резонансном контуре.

Если разрабатывается модулятор, нужно предусмотреть подачу напряжения смещения величины на его выводы. В состав каскада включают цепь формирования напряжения смещения. Данный вид цепи в мини-передатчиках зачастую выполняется на резисторах.

Схема параллельного колебательного контура образуется катушкой и емкостью полупроводника. Также в цепь включают разделительный конденсатор.

Последовательное подключение подразумевает включение полупроводника последовательно с конденсатором контура или катушкой индуктивности. Применяются схемы, в которых варикап подключается комбинированно, с частичным включением.

Маркировка отечественных варикапов

За что отвечает вариакап

Электронно-дырочный, или p-n переход, если к нему приложено обратное сопротивление, имеет свойства конденсатора. При изменении напряжения, изменяется и толщина p-n перехода, а значит емкость между слоями полупроводника. Сам переход выступает диэлектриком. Данное явление описывает принцип работы варикапа (varicap). Устройство используется в качестве конденсатора переменной емкости, которая зависит от напряжения на переходе. При изменении напряжения можно изменить и емкость.

В современной электронике появляется всё больше электронных компонентов управляемых напряжением. Это связано с активным развитием цифровой техники. Ранее электронная аппаратура управлялась всевозможными ручками регулировки, кнопками, многопозиционными переключателями, т.е. руками.

Цифровая техника избавила нас от этого, а взамен дала возможность управлять и настраивать устройства посредством кнопок и экранного меню. Всё это было бы невозможно без электронных компонентов, управляемых напряжением. К одному из таких электронных компонентов можно отнести варикап.

Варикап – это полупроводниковый диод, который изменяет свою ёмкость пропорционально величине приложенного обратного напряжения от единиц до сотен пикофарад. Так изображается варикап на принципиальной схеме.

Как видим, его изображение очень напоминает условное изображение полупроводникового диода. И это не случайно. Дело в том, что p-n переход любого диода обладает так называемой барьерной ёмкостью. Сама по себе барьерная ёмкость перехода для диода нежелательна. Но и этот недостаток смогли использовать. В результате был разработан варикап – некий гибрид диода и переменного конденсатора, ёмкость которого можно менять с помощью напряжения.

Как известно, при подаче обратного напряжения на диод, он закрыт и не пропускает электрический ток. В таком случае p-n переход выполняет роль своеобразного изолятора, толщина которого зависит от величины обратного напряжения (U_обр). Меняя величину обратного напряжения (U_обр), мы меняем толщину перехода – этого самого изолятора. А поскольку электрическая ёмкость C зависит от площади обкладок, в данном случае площади p-n перехода, и расстояния между обкладками – толщины перехода, то появляется возможность менять ёмкость p-n перехода с помощью напряжения. Это ещё называют электронной настройкой.

На варикап прикладывают обратное напряжение, что изменяет величину ёмкости барьера p-n перехода.

Отметим, что барьерная ёмкость есть у всех полупроводниковых диодов, и она уменьшается по мере увеличения обратного напряжения на диоде. Но вот у варикапов эта ёмкость может меняться в достаточно широких пределах, в 3 – 5 раз и более.

Положительные качества варикапа.

Как работает варикап?

На рисунке показана типовая схема управления варикапом.

R2 - переменный резистор. С помощью винта по рабочей поверхности этого резистора перемещается ползунок, который плавно изменяет сопротивление, а, соответственно, и величину обратного напряжения (Uобр), подаваемого на варикап. Конденсатор С1 препятствует попаданию на индуктивность L1 постоянного напряжения. Постоянный резистор R1 уменьшает шунтирующее действие резистора R2 на контур, что позволяет сохранить резонансные свойства контура. Как видим, ёмкость варикапа входит в состав колебательного контура. Меняя ёмкость варикапа, мы изменяем параметры колебательного контура и, следовательно, частоту его настройки. Так реализуется электронная настройка.

В современных цветных телевизорах есть такая функция – автонастройка (автопоиск) телеканалов. Нажимаем на кнопку, и весь диапазон сканируется на предмет наличия вещательных программ – телеканалов. Так вот этой функции просто бы не существовало, если бы не было варикапа.

В телевизоре управляющей схемой формируется плавно меняющееся напряжение настройки, которое и подаётся на варикап. За счёт этого меняются параметры колебательного контура приёмника (тюнера) и он настраивается на тот или иной телеканал. Затем происходит запоминание напряжения настройки на каждый из найденных телеканалов, и мы можем переключаться на любой из них, когда захотим.

Кроме обычных варикапов очень часто используют сдвоенные и строенные варикапы с общим катодом. Вот такой вид они имеют на принципиальных схемах.

Они используются, как правило, в радиоприёмных устройствах, где необходимо одновременно перестраивать входной контур и гетеродин с помощью одного потенциометра. Имеются так же обычные сборки, когда в одном корпусе размещается несколько варикапов электрически не связанные между собой.

Параметры варикапов.

Несмотря на то, что варикап разработан на базе диода, это всё-таки конденсатор и именно параметры, связанные с ёмкостью и являются основными. Вот лишь некоторые из них:

Максимальное обратное постоянное напряжение (U_{обр. max}_.). Измеряется в вольтах (В). Это максимальное напряжение, которое можно подавать на варикап. Напомним, что ёмкость варикапа уменьшается при увеличении обратного напряжения на нём.

Номинальная ёмкость варикапа (С_В). Это ёмкость варикапа при фиксированном обратном напряжении. Поскольку варикапы выпускаются на различные значения ёмкости, начиная от долей пикофарады и до сотен пикофарад, то их ёмкость измеряют, подавая определённую величину обратного напряжения на варикап. Оно может быть равным 4 и более вольтам, и, как правило, указывается в справочных данных.

Также может указываться минимальная и максимальная ёмкость варикапа (C_min и C_maх). Это связано с тем, что параметры выпускаемых варикапов могут несколько отличаться. Поэтому в справочных данных указывают минимально- и максимально- возможную ёмкость варикапа при фиксированном обратном напряжении (U_обр). Это и есть C_max и C_min.

У импортных варикапов обычно указывается только одна величина C_d (или C_д) – ёмкость варикапа при обратном напряжении, близком к максимальному. Например, для импортного варикапа BB133 ёмкость C_d = 2,6 pF (пФ) при обратном напряжении V_R = 28 V.

Например, для отечественного варикапа КВ109А коэффициент перекрытия Кс равен 5,5. Ёмкость при Uобр = 25 В составляет 2,8 пФ (Это – C_min). Так как диапазон обратного напряжения для варикапа КВ109А составляет 3 – 25 вольт, то используя формулу, можно узнать ёмкость этого варикапа при обратном напряжении в 3 вольта. Оно составит 15,4 пФ.(Это – C_max).

В документации на импортные варикапы так же указывается коэффициент перекрытия. Он называется capacitance ratio. Формула, по которой считается этот параметр, выглядит так (для варикапа BB133).

Как видим, берётся ёмкость варикапа при обратном напряжении в 0,5 V и в 28 V. Так как ёмкость варикапа уменьшается при увеличении обратного напряжения на нём, то становиться ясно, что эта формула расчёта аналогична той, что применяется для расчёта Кс.

Все остальные параметры можно считать несущественными. В некоторых случаях необходимо обратить внимание на граничную частоту, но это не столь важно, поскольку варикапы уверенно работают во всём радио и телевизионном диапазоне.

Варикап – это одна из разновидностей полупроводниковых диодов. Главным его свойством является барьерная емкость при приложении к ней так называемой обратного напряжения. Минусовой полюс подключается в этом случае к плюсовому выходу самого варикапа. Когда подается управляющее напряжение, допусти низкочастотный сигнал, он приводит изменение в величине того самого обратного тока на обоих электродах варикапа.

Используются эти радиодетали при построении схем модуляторов в роли переменной емкости, которая управляется электрическим путем, а не механическим. В статье будут описаны все тонкости устройства варикапов, где они используются и для чего. Также по данной теме содержится видеоролик и подробная статья.

Что представляет собой варикап

Представленный компонент является полупроводниковым диодом. Его работа основана на применении зависимости между емкостью и обратным напряжением. Важными показателями варикапа считаются добротность, рассеиваемая мощность, общая емкость и коэффициент перекрытия по ней, постоянный обратный ток и напряжение.

При помощи таких элементов производится электронная настройка контуров колебательного типа в радиоприемных устройствах и средствах связи. Для использования их опций в схему обязательно включается обратное напряжение. При его подаче на диод происходит изменение величины емкости барьера. Она может варьироваться в широких пределах, что отличает варикап от компонентов со схожими функциями.

Преимущества применения варикапов

низкий уровень потерь электроэнергии;
незначительный коэффициент температурной емкости;
небольшая стоимость;
надежность и продолжительный срок службы.

На практике весьма успешно диоды КВ используются на предельно высоких частотах, в условиях, где емкость конденсатора достигает долей пикофарад. Благодаря им удается избежать изменений частоты колебательного контура, что недопустимо для оборудования. Существует несколько видов варикапов. Таблица с полной справочной информацией по ним представлена ниже:

Помимо обычных компонентов, выпускаются сдвоенные, а также строенные аналоги, которые соединены одним катодом. Найти можно и классические сборки. Это корпуса с несколькими варикапами, отличающиеся отсутствием электрической связи.

Номинальная емкость

Номинальная емкость варикапа представляет его барьерную емкость при заданном напряжении смещения. На основании зависимости барьерной емкости от приложенного к выводам варикапа обратного напряжения строится так называемая вольт-фарадная характеристика варикапа, имеющая участок, форма которого близка к линейной. Для того чтобы варикап работал именно на этом участке характеристики, на его электроды следует подать исходное напряжение смещения, величина которого определяет положение рабочей точки варикапа, то есть его номинальную барьерную емкость.

Под коэффициентом перекрытия по емкости в рабочем интервале напряжений понимается отношение общих емкостей варикапа при двух заданных значениях обратного напряжения. Обычно определение данного коэффициента производится для емкостей в рабочем интервале напряжений, то есть коэффициент перекрытия по емкости представляет собой отношение максимальной и минимальной емкостей варикапа.

Значение максимальной рабочей частоты определяет граничную частоту, при превышении которой основные параметры варикапа перестают соответствовать паспортным данным. Добротность конденсатора, роль которого выполняет варикап, рассчитывается как отношение реактивного сопротивления на заданной частоте к сопротивлению потерь при заданной емкости варикапа или обратном напряжении.

Особого внимания заслуживает температурный коэффициент варикапа, который характеризует зависимость величины его емкости от температуры окружающей среды. Помимо указанных параметров при выборе варикапа для каскада модуляции миниатюрного радиопередатчика следует обратить внимание на такие параметры, как максимальная рассеиваемая мощность, максимально допустимое обратное постоянное напряжение, а также постоянный обратный ток при этом напряжении.

Основные схемы включения варикапа

Одним из основных способов осуществления модуляции в транзисторных микропередатчиках является воздействие модулирующего НЧ-сигнала на параметры селективного элемента ВЧ-генератора. Селективный элемент обычно представляет собой резонансный контур, образованный параллельно включенными катушкой индуктивности и конденсатором.

Изменение параметров входящей в состав контура катушки индуктивности в миниатюрных радиопередатчиках довольно затруднительно, поскольку соответствующие схемотехнические решения весьма сложны, а их реализация трудоемка. В то же время применение варикапа, доступного и дешевого полупроводникового элемента, емкость которого можно изменять, непосредственно подавая на его выводы модулирующее напряжение, значительно упрощает решение задачи. Поэтому схемотехнические решения модуляторов на варикапах, обеспечивающие частотную модуляцию ЧМ-сигнала с весьма приемлемыми параметрами, пользуются особой популярностью.

В транзисторных LC-генераторах варикап в качестве элемента с емкостным характером комплексного сопротивления может быть подключен к резонансному контуру как параллельно, так и последовательно. Упрощенные принципиальные схемы включения варикапа параллельно резонансному контуру (без цепей формирования напряжения смещения варикапа) приведены на рис. 4.1. Отличительной особенностью схемотехнического решения, изображенного на рис. 4.1б, является включение варикапа вместо конденсатора параллельного резонансного контура.

При разработке модулятора на варикапе не следует забывать о том, что для функционирования этого полупроводникового прибора в штатном режиме на его выводы следует подавать напряжение смещения определенной величины. Поэтому в состав модулирующего каскада необходимо включить соответствующую цепь формирования напряжения смещения варикапа. Такая цепь в миниатюрных транзисторных передатчиках обычно выполняется на резисторах.

Параллельный колебательный контур образован катушкой индуктивности L1 и емкостью варикапа VD1. Резонансная частота контура может изменяться при изменении величины обратного напряжения на варикапе, которое зависит от положения движка потенциометра R2. Для того чтобы уменьшить шунтирующее влияние потенциометра R2 на добротность контура, в цепь включен резистор R1, имеющий сравнительно большое сопротивление. Также в состав цепи включен разделительный конденсатор С1, без которого варикап VD1 оказался бы замкнут накоротко через катушку L1.

Аналогичные схемы включения варикапа используются и в транзисторных трехточечных LC-генераторах. Широкое распространение получили схемотехнические решения, в которых варикап подключается параллельно катушке индуктивности (в индуктивных трехточках), а также параллельно одному из конденсаторов емкостного делителя ВЧ-генератора (в емкостных трехточках). Весьма разнообразны схемотехнические решения модуляторов с применением варикапа, предназначенные для модуляции сигнала генераторов с кварцевой стабилизацией частоты.

При создании таких конструкций приходится, с одной стороны, добиваться высокой стабильности частоты генератора с помощью кварцевого резонатора, а с другой – обеспечивать возможность изменения этой частоты по закону модулирующего сигнала. Обычно при разработке транзисторных микропередатчиков для ВЧ-генератора с кварцевой стабилизацией частоты выбираются осцилляторные схемы, в которых кварцевый резонатор используется в качестве элемента с индуктивным характером комплексного сопротивления в резонансном контуре. В этом случае варикап, как элемент с изменяемой по закону модуляции емкостью, может быть подключен как последовательно, так и параллельно кварцевому резонатору.

Расчет характеристик

Управляемые напряжением полупроводниковые конденсаторы переменной емкости – варикапы – приборы с сильно выраженной нелинейностью. По этой причине в цепях, где к варикапу приложено переменное напряжение относительно большой амплитуды, он способен преподнести сюрприз. По сути, варикап – это обратносмещенный полупроводниковый диод. Прямая ветвь его вольт-амперной характеристики, принципиальная для основного назначения диода (выпрямление, детектирование), для варикапа несущественна. В общем случае в качестве варикапа можно использовать (и на практике это нередко реализуют) диод и даже коллекторный или змиттерный переход биполярного транзистора.

В отличие от полупроводниковых диодов, у варикапов нормируют (и, разумеется, обеспечивают при производстве) емкость р-n перехода при определенном напряжении смещения на нем и добротность. Заметим, что добиться добротности варикапа, заметно превышающей добротность контурной катушки, непросто. Это объясняется тем, что в варикапе, как и в любом диоде, последовательно с р-n переходом всегда включено сопротивление базовой области полупроводника, а параллельно – эквивалентное сопротивление, обусловленное обратным током через переход. Относительно низкая добротность варикапа подразумевает, в частности, необходимость учитывать ее при расчете добротности колебательного контура

Зависимость емкости р-n перехода от приложенного к нему обратного напряжения имеет степенной характер вида С-U-n, где значение параметра n может находиться в пределах от 0,33 до 0,5 (определяется технологией изготовления перехода). На рис. 1 показана типовая вольт-фарадная характеристика варикапа Д902, построенная в линейных координатах. Подобные характеристики можно найти в справочной литературе. Они позволяют определить емкость варикапа при различных значениях напряжения смещения.

Однако предпочтительнее иметь дело с вольт-фарадной характеристикой варикапа, построенной в “двойном” (т. е. по обеим осям) логарифмическом масштабе. Известно, что степенная функция выглядит в таком масштабе как прямая линия, причем тангенс угла ее наклона к оси ординат численно равен показателю степени функции. На рис. 2 показан этот график для варикапа Д902. Измерив обычной линейкой стороны прямоугольного треугольника ABC, получаем для модуля показателя степени значение 0,5 (АВ/ВС). Падающий характер характеристики говорит о том, что этот показатель имеет минусовой знак. Таким образом, зависимость емкости варикапа Д902 от приложенного напряжения имеет вид С = U-0.5.

Сказанное выше относится к “классическим” варикапам. Для увеличения эффективности управления современными варикапами при их изготовлении принимают специальные технологические меры, поэтому и вольт-фарадные характеристики могут иметь уже не столь простой вид. Поскольку вольт-фарадная характеристика варикапа нелинейна, его использование в аппаратуре неизбежно приводит к появлению искажений. Немецкий радиолюбитель Ульрих Граф (DK4SX) провел измерения интермодуляционных искажений второго и третьего порядков в различных полосовых фильтрах, содержащих полупроводниковые диоды (Ulrich Graf. Intermodulation an passiven Schaltungsteilen. – CQ DL, 1996, № 3, s. 200-205). Он подавал на вход фильтра (входное сопротивление 50 Ом) два сигнала с уровнем +3 дБ (10 мВ на сопротивлении 50 Ом) и анализировал спектр выходного сигнала. Значения частоты входных сигналов Граф выбирал так, чтобы продукты интермодуляции попадали в полосу пропускания фильтра.

В одном из экспериментов в двуконтурном входном полосовом фильтре постоянные конденсаторы, входящие в колебательные контуры, были заменены варикапами. Интермодуляционные составляющие второго порядка на выходе фильтра при этом возросли по уровню на 10 дБ, а третьего – почти на 50 дБ! Иными словами, варикапы во входных цепях приемников способны ухудшить их реальную избирательность, хотя, скорее всего, они так “сработают” лишь в аппаратуре относительно высокого класса (связная техника). Впрочем, и в приемнике среднего класса интермодуляция на входном варикапе может стать существенной, если приемник эксплуатируют вблизи передающих устройств.

Есть, однако, узлы, в которых к варикапу принципиально должно быть подведено относительно большое переменное напряжение – речь идет о генераторах. Как же определить границу зоны нормальной работы варикапа в генераторе? Можно, например, измерять переменное напряжение на варикапе и сравнивать его с управляющим.

Для этого необходим ВЧ вольтметр с высоким входным сопротивлением и малой входной емкостью (чтобы его подключение не изменяло режима работы генератора). Минимально допустимое управляющее напряжение на варикапе можно определить, не нарушая режима работы генератора, и с помощью частотомера. Его подключают к выходу генератора и снимают зависимость крутизны управления генератором от управляющего напряжения.

Крутизна управления – зто отношение изменения частоты генератора к вызвавшему его заданному изменению управляющего напряжения – ΔF/ΔU. При полном включении варикапа в контур крутизна может, например, быть описана степенной функцией (по крайней мере, для Д902), показатель которой зависит от вида вольт-фарадной характеристики варикапа. Вспомним (см. выше), что такая функция, если ее построить в “двойном” логарифмическом масштабе, представляет собой прямую линию.

Если варикап начнет выходить из нормального режима работы, характер зависимости крутизны от управляющего напряжения изменится. Это справедливо и в более общем случае, когда варикап включен в контур не полностью или его вольт-фарадная характеристика – не степенная функция.

Поскольку вольт-фарадная характеристика нелинейна, измерения следует вести в определенной последовательности. Установив некоторое управляющее напряжение Uynp, определяют частоту генератора Fr. Затем сначала уменьшают зто напряжение до Uyпр – ΔUynp, а потом увеличивают до Uynp + ΔUynp и считывают по табло частотомера соответствующие значения частоты Fr1 и Fr2.

Крутизну управления при управляющем напряжении Uyпр рассчитывают по формуле ΔF/ΔU = (Fr2-Fr1)/2ΔUynp. Абсолютное значение изменения напряжения ΔUyпp должно быть минимальным, но таким, при котором можно надежно фиксировать изменение частоты генератора. Затем устанавливают другое значение управляющего напряжения Uупр и повторяют измерения. Такая методика уменьшает влияние нелинейности вольт-фарадной характеристики варикапа на точность измерения крутизны управления. Результаты измерений крутизны управления частотой генератора с полным включением варикапа в контур (см. рис. 3) представлены на рис. 5. Видно, что при управляющем напряжении на варикапе ниже 3,5 В он выходит из нормального режима. Иначе говоря, для указанного генератора это напряжение и будет критическим.

При дальнейшем уменьшении управляющего напряжения наклон кривой может вообще изменить свой знак! Происходит это из-за уже упоминавшегося выпрямления высокочастотного напряжения, приложенного к варикапу. Выпрямленное напряжение вычитается из управляющего и начинает преобладать над ним. Если описанная ситуация произойдет, например, с гетеродином вашего приемника, будет чему удивляться. Представьте себе – при вращении в одну и ту же сторону ручки переменного резистора “Настройка” частота приема сначала изменяется в одном направлении, затем практически перестает изменяться, а потом может пойти обратно.

Сфера использования

В настоящее время в транзисторных микропередатчиках и радиомикрофонах широкое распространение получили схемотехнические решения модуляторов, в которых в процессе модуляции в соответствии с мгновенным значением уровня модулирующего сигнала изменяются параметры и режимы работы активного элемента ВЧ-генератора, то есть биполярного или полевого транзистора.

Отдельную группу составляют схемы модуляторов с использованием варикапов, изменение емкости которых по закону модулирующего сигнала приводит к соответствующему изменению параметров селективного элемента, то есть резонансного контура. В связи с ограниченным объемом данной книги в следующих разделах будут рассмотрены лишь некоторые из наиболее популярных схемотехнических решений модуляторов ВЧ-сигнала LC-генераторов, применяемые при разработке миниатюрных транзисторных радиопередающих устройств.

Варикап - это очередная разновидность полупроводникового диод, который способен изменять свою внутреннюю емкость прямо пропорционально уровню приложенного обратного напряжения смещения p-n перехода от единиц до сотен пикофарад.

Принцип работы варикапа

Условно графическое изображение варикапа на принципиальных схемах сочетает в себе обозначение диода и емкости конденсатора. Поэтому варикап еще и называют - емкостной диод. Если вспомнить принцип работы p-n перехода, то мы упоминали о том, что в нем присутствует так называемая барьерной ёмкостью. Сама по себе барьерная ёмкость несет паразитные свойства. Но и этот существенный минус смогли обратить в плюс. В результате этой попытки избавиться от паразитной емкости и был открыт варикап - так называемый гибрид диода и переменного конденсатора, емкость которого можно регулируется с помощью приложенного обратного напряжения.

Как мы уже знаем из основ работа диода, при подаче обратного напряжения на него, он закрыт и электрический ток через него не течет . Т.е p-n переход выполняет функцию изолятора, толщина которого почти прямо пропорциональна величине обратного напряжения U_обр. Регулируя U_обр, мы меняем толщину p-n слоя. А так как электрическая емкость конденсатора зависит от площади обкладок, и в данном случае от площади p-n слоя, и расстояния между обкладками – в данном случае толщины перехода, то появляется отличная возможность регулировать емкость p-n слоя с помощью обратного напряжения.

Рассмотрим упрощенную типовую схема управления емкостным диодом.

В ней R2 - переменное сопротивление с помощью плавно изменяется сопротивление резистора, а как следствие, и величина обратного напряжения смещения U_обр, следующего на варикап. Емкость С1 не пропускает на индуктивность L1 постоянного напряжения. Сопротивление R1 снижает шунтирующее действие R2 на колебательный контур, что позволяет сохранить его резонансные свойства. Как видим по схеме, емкость варикапа входит в состав колебательного контура. Меняя ее, мы изменяем свойства колебательного контура и частоту его настройки. Так и осуществляется электронная настройка на частоту в современных схемах приемников (Схема УКВ приемника на микросхеме TDA 7000)

В меню телевизоров имеется функция – автонастройка телеканалов. Выбираем ее, и весь телевизионный диапазон сканируется на наличие вещательных программ - телеканалов. Так вот эту функции просто бы не возможно было бы использовать, если бы не был открыт емкостной диод. В схеме телевизора формируется плавно изменяющееся напряжение настройки, которое и поступает на варикап. За счет него изменяются параметры колебательного контура тюнера и он настраивается на вещательный канал. Затем найденные каналы, а точнее напряжения обратного смещения запоминаются, и мы можем переключаться на любой из них с помощью ПДУ в любой момент.

В телевизионной и специальной радио техники очень часто применяются сдвоенные и строенные варикапы с общим катодом. Вот так они обозначаются на принципиальных схемах.

Они применяются, в модулях радиоприемных устройств, где требуется одновременно настраивать входной контур и гетеродин с помощью одного переменного сопротивления. Встречаются так же обычные сборки, когда в одном корпусе имеется несколько емкостных диодов не связанных между собой

Несмотря на то, что варикап это полупроводниковый диод, по сути это все-таки конденсатор и поэтому параметры, связанные с емкостью и являются системо образующими. Вот лишь часть наиболее часто используемая из них:

Максимальное обратное постоянное напряжение смещения U_{обр. max}.. Это максимальное напряжение, которое можно подвести к p-n переходу варикапа. Напомним, в очередной раз что емкость варикапа снижается с ростом обратного напряжения смещения.
Номинальная емкость варикапа С_В. Это емкость при номинальном (заданном) обратном напряжении.
Минимальная и максимальная ёмкость варикапа C_min и C_maх. Часто в справочниках по электронике указывают минимально- и максимально- возможную емкость при фиксированном обратном напряжении.
C_d или C_д – емкость варикапа при обратном напряжении, близком к максимальному.
Коэффициент перекрытия по емкости К_с. Отношение максимальной емкости варикапа к минимальной.

Все остальные параметры емкостного диода можно считать второстепенными. В некоторых случаях обращают внимание на граничную частоту, но это не очень важно, так как варикапы отлично работают во всем стандартном радио и телевизионном диапазоне.

Читайте также: