3.8 Варикапы

В арикап - это полупроводниковый диод, предназначенный для использования в качестве конденсатора, емкость которого зависит от величины обратного напряжения. Т.о в варикапах используются емкостные свойства p-n-перехода. При увеличении обратного напряжения емкость варикапа уменьшается по закону

(1-10)

где С(u) — емкость диода; С₀ — емкость диода при нулевом обратном напряжении; φ_к — контактная разность потенциалов; — коэффициент, зависящий от типа варикапа (= 1/2- 1/З); U – обратное напряжения на варикапе.

Условное обозначение варикапа и график зависимости С(u) приведены на рис. .

Варикап, предназначенный для умножения частоты сигнала, называют варактором.

К основным параметрам варикапа относят:

1. Общая емкость варикапа Св – емкость, измеренная при определенном обратном напряжении (измеряется при U=5В и составляет десятки – сотни рФ)

2. коэффициент перекрытия по емкости Кп =С_{в max}/С_{в min}— отношение емкостей варикапа при двух крайних значениях обратного напряжения (К_п=5-8 раз);

3. добротность варикапа Q=Х_с/r_п где X_c – реактивное сопротивление варикапа; r_п – сопротивление активных потерь;

4. обратный ток варикапа 1обр — постоянный ток, протекающий через варикап в обратном направлении при заданном обратном напряжении.

К параметрам предельного режима относят максимально допустимое постоянное обратное напряжение U_{обр mах} и максимально допустимую рассеиваемую мощность Р_mах

Варикапы обычно используют для электронной перестройки резонансной частоты колебательных контуров. Схема включения варикапа показана на рис. ;Lк - катушка индуктивности контура и C(_U) – емкость контура - ёмкость варикапа; - резонансная частота колебательного контура; С_р и L_р – разделительные конденсатор и катушка индуктивности,. С_р - устраняет шунтирования варикапа индуктивностью по постоянному току С_р>>C_к, L_р.- устраняет шунтирование колебательного контура по переменному сигналу; R – переменный резистор, для установки необходимого напряжения на варикапе.

Н едостатком такой схемы является то, что емкость варикапа зависит не только от управляющего напряжения U, но и зависит от амплитуды высокочастотного напряжением на контуре. Этот недостаток устраняется в схеме рис. 3.5 б. Здесь два варикапа включены встречно-последовательно. При этом высокочастотное напряжение контура приложено к ним в разной полярности и на общую емкость не влияет.

3.9. Туннельные и обращенные диоды

Н а границе сильно легированных (вырожденных) p-n структур с концентрацией примеси имеет место туннельный эффект. Он проявляется в том, что при прямом смещении наблюдается резкое уменьшение сопротивления p-n перехода, что выражается в падающем участке на ВАХ рис. .. На этом участке (участок АВ) дифференциальное сопротивление становится отрицательным R_диф = U/I|_АВ=r- 0. Пунктиром на графике показана ВАХ диода.

Это позволяет использовать такой диод в усилителях и генераторах электрических колебаний в диапазоне СВЧ, а также в импульсных устройствах. Качество диода определяют протяженность и крутизна «падающего» участка ВАХ. Частотные свойства диода, работающего при малых уровнях сигнала на участке с отрицательным дифференциальным сопротивлением, определяются параметрами элементов эквивалентной схемы (рис. 1.6,6). Активная составляющая полного сопротивления имеет отрицательный знак вплоть до частоты

f_R=((r_диф/Rп)-1)^1/2/(2r_дифC) (1.11)

При малых значениях обратного смещении ток туннельного диода резко возрастает. Это связанно с туннельным пробоем, возникающем при высокой концентрации примесей.

Основные параметры туннельного диода следующие: пиковый ток I_п — прямой ток в точке максимума ВАХ, при котором dl/dU = 0; ток впадины I_В — прямой ток в точке минимума его характеристики, при котором dl/dU = 0; отношение токов Iп/Iв; напряжение пика Uп — прямое напряжение, соответствующее току пика; напряжение впадины U_В — прямое напряжение, соответствующее току впадины; напряжение раствора U_p — прямое напряжение, большее напряжения впадины, при котором ток равен пиковому; индуктивность L_Д — полная последовательная индуктивность диода при заданных условиях; дифференциальное сопротивление г_диф — величина, обратная крутизне ВАХ; резонансная частота туннельного диода f_о — расчетная частота, при которой общее реактивное сопротивление р-n-перехода и индуктивности корпуса туннельного диода обращается в нуль; предельная резистивная частота f_R — расчетная частота, при которой активная составляющая полного сопротивления последовательной цепи, состоящей из р-n-перехода и сопротивления потерь, обращается в нуль; шумовая постоянная туннельного диода К_ш — величина, определяющая коэффициент шума диода; сопротивление потерь туннельного диода R_n — суммарное сопротивление кристалла, контактных присоединений и выводов.

К максимально допустимым параметрам относят максимально допустимый постоянный прямой ток туннельного диода I_{пр max}, максимально допустимый прямой импульсный ток I_{пр.и max} максимально допустимый постоянный обратный ток I_{обр mах}, максимально допустимую мощность СВЧ Р_{свч mах}, рассеиваемую диодом.

С хема генератора гармонических колебаний на ТД приведена на рис. . Назначение элементов: R₁, R₂ – резисторы, задают рабочую точку туннельного диода на серине участка ВАХ с отрицательным сопротивлением; L_k, C_k – колебательный контур; С_бл - ёмкость блокировочная, по переменной составляющей она подключает туннельный диод параллельно к колебательному контуру.

Т уннельный диод, включённый параллельно колебательному контуру компенсирует своим отрицательным сопротивлением сопротивление потерь колебательного контура, а потому колебания в нем могут продолжаться бесконечно долго.

Обращенные диоды являются разновидностью тунельных. В них концентрация примесей несколько меньше чем в тунельных. За счет этого у них отсутствует участок с отрицательным сопротивлением. На прямой ветви имеется практически горизонтальный участок (рис. .) до напряжений 0,3-0,4В. В этих диодах, для малых переменных сигналов, прямую ветвь можно считать не проводящей ток, а обратную – проводящей. Отсюда и название этих диодов. Обращенные диоды используются для выпрямления СВЧ сигналов малых амплитуд (100-300)мВ.