Введение
Варикапы — это полупроводниковые диоды, в которых используется зависимость барьерной емкости p-n перехода от обратного напряжения. Они используются в качестве конденсаторов с электрически управляемой емкостью.
Разновидности корпусов варикапов
Физическая основа
В основе варикапа лежит емкость p-n перехода:
- Когда на p-n переход подается обратное напряжение, он обедняется носителями заряда, создавая обедненную область (запорный слой), которая ведет себя как диэлектрик между двумя "обкладками" (p- и n-областями).
- Эта конструкция по своей сути является конденсатором.
- Ключевой эффект: Ширина этой обедненной области зависит от приложенного обратного напряжения. Чем выше обратное напряжение, тем шире обедненная область.
Принцип работы
Из курса физики мы знаем, что емкость плоского конденсатора вычисляется по формуле:
где:
- \( \varepsilon \) — диэлектрическая проницаемость материала,
- \( S \) — площадь обкладок,
- \( d \) — расстояние между обкладками.
В варикапе:
- \( S \) — это площадь p-n перехода (фиксированная величина для конкретного диода),
- \( d \) — это ширина обедненной области, которая увеличивается с ростом обратного напряжения.
Вывод: Чем больше обратное напряжение (\( U_{\text{обр}} \)), тем больше расстояние \( d \), а значит, тем меньше емкость (\( C \)).
Зависимость: \( C \sim \frac{1}{U_{\text{обр}}} \) (емкость обратно пропорциональна приложенному обратному напряжению).
Номинальная емкость
Номинальная (или начальная) емкость — это ключевой параметр, который всегда указывается в документации (datasheet) на варикап.
Определение: Это емкость варикапа, измеренная при определенном, стандартном значении обратного напряжения. Это напряжение также всегда указывается в документации.
Назначение: Этот параметр позволяет инженерам сразу понять, в каком "порядке величин" работает данный варикап, и провести первоначальные расчеты схемы.
Типичные значения: Обычно это десятки и сотни пикофарад (пФ). Например, распространенные значения: 10 пФ, 22 пФ, 100 пФ при стандартном напряжении смещения 4 В.
Пример из технической документации (Datasheet)
Представим, что мы видим в даташите на варикап BBY31 следующую строчку:
\( C_{3V} = 30 \) пФ (typ.)
Это расшифровывается так: "Емкость между выводами варикапа при обратном напряжении 3 Вольта составляет 30 пикофарад". Это и есть его номинальная (или начальная для данного напряжения) емкость.
Основные параметры варикапа
- Номинальная емкость (\( C_{\text{ном}} \)): Емкость при заданном обратном напряжении (например, 22 пФ @ 4 В).
- Коэффициент перекрытия по емкости (\( K_c \)): \( K_c = \frac{C_{\text{макс}}}{C_{\text{мин}}} \). Показывает, во сколько раз можно изменить емкость. (Например, \( C(2В) = 50 \) пФ, \( C(30В) = 10 \) пФ, значит \( K_c = \frac{50}{10} = 5 \)).
- Добротность (\( Q \)): Параметр, характеризующий потери (качество варикапа). Особенно важен на высоких частотах.
- Максимальное обратное напряжение: Предельное напряжение, которое нельзя превышать.
Области применения
Свойство управлять емкостью с помощью напряжения делает варикапы незаменимыми в следующих устройствах:
1. Системы автоматической подстройки частоты (АПЧ)
Варикап включен в колебательный контур генератора. Если частота "уплывает", управляющая схема изменяет напряжение на варикапе, меняя его емкость и возвращая частоту к нужному значению.
2. Электронная перестройка частоты (VCO - Voltage Controlled Oscillator)
Основа для синтезаторов частоты в радиоприемниках, телевизорах, мобильных телефонах. Напряжение с блока управления плавно меняет емкость варикапа, а значит, и частоту генератора.
Диапазоны применения: КВ (Короткие Волны), УКВ (Ультракороткие Волны), ДЦВ (Дециметровые Волны)
3. Параметрические усилители (на СВЧ)
Основаны на периодическом изменении реактивного параметра (емкости варикапа) с помощью мощного внешнего генератора, называемого генератором накачки.
Процесс: Генератор накачки с частотой \( \omega_н \) периодически меняет емкость варикапа. Если через этот нелинейный емкостной элемент пропустить слабый сигнал с частотой \( \omega_с \), в системе могут возникать комбинационные частоты. При определенных условиях энергия от генератора накачки перекачивается в усиливаемый сигнал, что приводит к его усилению.
Ключевое преимущество: Такие усилители обладают очень низким уровнем собственных шумов, так как в процессе усиления не участвуют резистивные элементы, являющиеся основным источником шума. Это делает их незаменимыми в радиотелескопах, спутниковой связи и других системах, где нужно принимать чрезвычайно слабые сигналы.
4. Умножение частоты (вплоть до СВЧ-диапазона)
Используется нелинейность вольт-фарадной характеристики варикапа (\( C(V) \) не является прямой линией).
Процесс: На варикап подается мощный синусоидальный сигнал основной частоты \( f \). Из-за нелинейной зависимости емкости от напряжения форма тока через варикап искажается и становится несинусоидальной. Любой несинусоидальный периодический сигнал по теореме Фурье можно представить как сумму синусоид с частотами \( f, 2f, 3f \) и т.д. (гармоник).
Реализация: Выходная цепь схемы настраивается на одну из этих гармоник (например, на \( 2f \) или \( 3f \)), эффективно выделяя ее и подавляя основную частоту. Таким образом, на выходе мы получаем сигнал с частотой, в целое число раз превышающей входную.
Преимущество: Варикапы позволяют эффективно умножать частоту на очень высоких (СВЧ) частотах, где транзисторные умножители могут работать хуже.
5. Фазовые модуляторы
Изменяя напряжение на варикапе, включенном в фазосдвигающую цепь, можно модулировать фазу сигнала.
6. Фильтры с электрической перестройкой
Позволяют изменять полосу пропускания фильтра, не переключая катушки и конденсаторы, а лишь меняя управляющее напряжение.
Схема колебательного контура с варикапом
На рисунке изображен колебательный контур, перестраиваемый с помощью варикапа.
Рисунок - Схема колебательного контура с варикапом
В этой схеме:
- Конденсатор \( C \) предотвращает замыкание напряжения смещения (\( U \)) через катушку индуктивности \( L \)
- Емкость конденсатора \( C \) обычно значительно превышает емкость варикапа — диода \( VD \)
Принцип работы и расчеты
Поэтому резонансная частота контура определяется по формуле:
где \( C_В \) — емкость варикапа.
Регулировкой напряжения смещения, подаваемого на диод с потенциометра \( R_2 \) через резистор \( R_1 \), можно изменять емкость диода и, следовательно, резонансную частоту колебательного контура.
Резистор \( R_1 \) предотвращает возможность шунтирования колебательного контура при перемещении движка потенциометра. Сопротивление резистора \( R_1 \) выбирают больше резонансного сопротивления контура.
Ключевые элементы схемы
Варикап (VD)
Основной управляющий элемент, емкость которого изменяется под действием приложенного обратного напряжения. Именно изменение емкости варикапа позволяет перестраивать резонансную частоту контура.
Разделительный конденсатор (C)
Выполняет две важные функции:
- Исключает короткое замыкание источника постоянного напряжения через катушку индуктивности
- Обеспечивает прохождение высокочастотного сигнала через контур
Емкость выбирается значительно больше емкости варикапа, чтобы не влиять на резонансную частоту контура
Цепь управления (R₁, R₂)
Обеспечивает плавную регулировку напряжения на варикапе:
- Потенциометр \( R_2 \) — позволяет регулировать напряжение смещения
- Резистор \( R_1 \) — защищает контур от шунтирования, его сопротивление выбирается больше резонансного сопротивления контура
Катушка индуктивности (L)
Вместе с емкостными элементами образует колебательный контур. Индуктивность катушки является постоянной величиной в данной схеме.
Преимущества электронной перестройки
Использование варикапов для перестройки частоты колебательных контуров имеет значительные преимущества:
| Преимущество | Описание |
|---|---|
| Отсутствие механических контактов | Исключает износ и нестабильность, характерные для механических перестраиваемых конденсаторов |
| Высокая скорость перестройки | Позволяет реализовать быструю электронную перестройку частоты |
| Возможность дистанционного управления | Частотой можно управлять с помощью напряжения из любой точки схемы |
| Компактность | Варикапы имеют малые размеры по сравнению с механическими конденсаторами переменной емкости |
| Надежность | Отсутствие движущихся частей повышает надежность устройства |
Практические рекомендации
При проектировании схем с варикапами следует учитывать:
- Выбирать варикап с подходящим коэффициентом перекрытия по емкости \( K_c = \frac{C_{макс}}{C_{мин}} \) для требуемого диапазона перестройки
- Обеспечивать стабильность источника управляющего напряжения
- Учитывать температурную стабильность параметров варикапа
- Выбирать сопротивление \( R_1 \) достаточно большим, чтобы не шунтировать контур
- Учитывать добротность варикапа, особенно при работе на высоких частотах
Данная схема является основой для многих современных устройств, включая синтезаторы частоты, системы АПЧ и перестраиваемые фильтры.
Варикап vs Вариконд
Важно не путать варикапы с варикондами — это конденсаторы на основе сегнетоэлектриков, чья емкость также зависит от напряжения. Но у них другой принцип действия, материалы (не полупроводниковые) и, как правило, они используются в других частотных диапазонах и для других целей.
Заключение
Это прекрасный пример того, как побочный эффект (зависимость емкости перехода от напряжения) был изучен и превращен в основу для целого класса полезных электронных компонентов, без которых сложно представить современную радиоэлектронику и системы связи.
Варикапы — это не просто пассивные компоненты для замены ручки настройки, а активные элементы, способные выполнять сложные функции:
- Усиление (в параметрических усилителях)
- Генерирование новых частот (в умножителях)
- Высокоточное и быстрое управление частотой (в синтезаторах и перестраиваемых фильтрах)
