3.6.6 Варикапи та пристрої електронного регулювання частоти

Варикапи – це НД, ємність яких керується зворотною напругою. Вони використоруються як елементи з електрично керованою ємністю, тобто як електричний конденсатор, керований напругою.

Варикапи використовують у пристроях керування частотою коливального контуру, в параметричних схемах підсилення, ділення і множення частоти, в схемах частотної модуляції тощо. Перевагу мають варикапи на основі бар’єрної ємності p‑n‑переходу. Вихідним матеріалом для варикапів є кремній та арсенід галію. Такі діоди характеризуються залежністю ємності p-n‑переходу від зворотної напруги – вольт-фарадною характеристикою C = f(U_R) (рис. 3.11).

Схему вмикання варикапа показано на рис. 3.12. Керувальна напруга на варикап подається через високоомний резистор R. Це виключає шунтування ємності варикапа малим внутрішнім опором джерела керувальної напруги. Змінюючи значення цієї напруги U_к, змінюють зворотну напругу на варикапі і відповідно його ємність. Паралельно варикапу вмикається коливальний LC‑контур, настроювання якого регулюють за допомогою варикапа. Виокремлюючий конденсатор C_в вмикають для запобігання шунтуванню варикапа малим опором індуктивності за постійної напруги. Таку схему широко використовують у різних радіоелектронних пристроях. Наприклад, у радіоприймачах, налаштованих на приймання сигналів радіостанції, що генерує радіосигнали із частотою f₁, через вплив дестабілізуючих факторів може змінитися резонансна частота вхідн ого коливального контуру f₂. Для забезпечення оптимального приймання сигналів ця частота має збігатися із частотою радіопередавача (f₁ = f₂). Відхилення частоти спричиняє зменшення інформаційного сигналу, що фіксується спеціальною схемою, яка формує «сигнал помилки». Цей сигнал використовується як керувальна напруга U_к. Таким чином, за допомогою варикапа автоматично забезпечується рівність частот радіопередавача та радіоприймача (f₁ = f₂), а отже, і стале приймання сигналів.

Як елемент радіоелектронного пристрою варикап визначається такими параметрами: номінальною ємністю C_tot – ємністю між виводами при номінальній напрузі зміщення (зазвичай 4 В), добротністю температурним коефіцієнтом ємності, граничною частотою, коефіцієнтом перекриття за ємністю K_c.

Коефіцієнт перекриття за ємністю – це відношення загальної ємності варикапа за двома заданими значеннями зворотної напруги.

Параметрами експлуатаційних режимів є: P_c max – максимальна допустима потужність, тобто максимальне значення потужності, що розсіюється на варикапі, та за якого забезпечується задана надійність при довготривалій роботі; U_R max – максимально допустима напруга або максимальне миттєве значення змінної напруги на варикапі.

Завдяки можливості змінювати ємність через напругу варикапи використовують для автоматичного або ручного настроювання високочастотних коливальних контурів та керування частотою генераторів гармонічних коливань.

3.8 Діоди Шотткі

Діод Шотткі – це напівпровідниковий діод, випрямні властивості якого ґрунтуються на використанні випрямного електричного переходу між металом та збідненим шаром напівпровідника.

Як відомо ( див. розд. 2.9.), за умови відповідного співвідношення робіт виходу металу та напівпровідника можна на контакті метал – напівпровідник сформувати збіднений шар. Наявність такого шару забезпечує несиметрію ВАХ, а отже, і широке застосування діодів Шотткі як нелінійного двополюсника. Варто звернути увагу на особливості таких діодів. У НД на базі ЕДП основним фізичним процесом, який обмежує діапазон робочих частот, є процес накопичення та розосередження неосновних носіїв заряду в базі. Випрямна дія діодів Шотткі ґрунтується на перенесенні заряду лише основними носіями через випрямний контакт металу з напівпровідником, тобто в них виключається інжекція неосновних носіїв. Так, на основі випрямного переходу Шотткі стало можливим створення випрямних, імпульсних та надвисокочастотних НД, які відрізняються від діодів з p-n‑переходом кращими частотними властивостями. Бар’єр Шотткі широко використовують для виготовлення як дискретних, так і інтегральних схем, зокрема, в ІМС транзисторно-транзисторної логіки з бар’єром Шотткі, що дозволило суттєво підвищити швидкодію.

Силові (потужні) діоди Шотткі для силової електроніки виготовляють на основі кремнію n-типу. Вони мають робочі струми до декількох сот амперів, винятково високу швидкодію (порівняно з діодами на основі p‑n‑переходу), але низькі робочі напруги. У діодах з бар’єром Шотткі при U_F = 0,4...0,6 В прямий струм становить одиниці амперів, а гранична частота – декілька сотень кілогерців. Діоди Шотткі з малим спадом напруги у разі прямого вмикання та малою тривалістю відновлення зворотного опору мають значні переваги перед кремнієвими та германієвими діодами.

Слід зазначити ще одну з особливостей діода Шотткі: пряма гілка ВАХ реальних діодів повністю відповідає виразу (3.1), тобто в діоді Шотткі ln I_F = f(U_F). Ураховуючи це, діоди Шотткі можна використовувати як логарифмічні елементи. Як недоліки діодів Шотткі треба виокремити значно більші (на 3...4 порядки) зворотні струми порівняно з діодами на основі p-n‑переходів і нижчі значення напруги пробою.

Промисловість випускає арсенід-галієві імпульсні діоди Шотткі, які використовуються в імпульсних схемах піко- та наносекундного діапазонів. Вони мають значно менші площі випрямних переходів, ніж у випрямних діодах Шотткі. Тому загальна ємність цих переходів не перевищує 1 пФ навіть при нульовій постійній напрузі зміщення. Арсенід-галієві та ім­пульсні діоди за частотними властивостями можна вважати надвисокочас­тотними діодами.