5 Диоды с управл-й емкостью (+2 стр

2.2.4. Диоды с управляемой емкостью

Характерным свойством диодов с p–n переходом и с барьером Шоттки является зависимость емкости перехода от приложенного напря­жения. При изменении напряжения диод работает как переменная реактивность, поскольку при отрицательном смещении активная прово­димость перехода и последовательное сопротивление потерь диода малы.

Диоды с управляемой емкостью, называемые также варакторными диодами, применяются в диапазоне СВЧ в параметрических усилите­лях, умножителях частоты, а также в качестве переменной емкости для электрической перестройки частоты генераторов, усилителей и других резонансных устройств. Соответственно такие диоды называют параметрическими, умножительными и варикапами.

2.2.4.1. Параметрические усилители

В параметрических усилителях (ПУ) усиление колебаний происходит за счет преобразования энергии гене­ратора накачки в полезный сигнал на нелинейном реактивном элемен­те, в качестве которого используют полупроводниковый диод. Рассмотрим коле­бательный LC-контур (рисунок 2.16, а), емкость которого меняется с часто­той, вдвое превышающей резонансную частоту контура (рисунок 2.16,б).

Рис. 2.16. Принцип работы параметрического усилителя

Пусть емкость увеличивается в моменты времени, когда напряжение на конденсаторе U_c равно нулю, и уменьшается при максимальном значении напряжения. Поскольку заряд конденсатора не может изменяться мгновенно, уменьшение емкости сопровождается ростом напряжения (рисунок 2.16, б). Таким образом, периодическое изменение одного из параметров контура, в данном случае емкости, приводит к уси­лению колебаний. Энергия, затраченная на изменение емкости конден­сатора, преобразуется в энергию электромагнитных колебаний. При использовании в качестве переменной емкости полупроводникового диода значение емкости меняется за счет подачи от генератора накач­ки на обратносмещенный диод достаточно мощных колебаний с частотой f_н.

Основным преимуществом ПУ по сравнению с другими усилите­лями СВЧ является низкий уровень шумов, что связано с исполь­зованием в ПУ полупроводниковых диодов, работающих при обратном смещении в режиме очень малых токов.

2.2.4.2. Умножительные диоды

Нелинейные свойства полупроводниковых диодов позволяют создавать на их основе умножители частоты СВЧ-диапазона длин волн. Под воздействием мощного сигнала частоты f₁ в нелинейном элементе появляются составляющие тока на частотах гармоник nf₁. Умножители на основе полупроводниковых диодов с малыми потерями используют в деци–, санти– и миллиметровом диапазонах длин волн.

Схема умножителя частоты с параллельным включением диода в линию показана на рисунке 2.17. Мощность подается на умножительный диод через согласующий трансформатор Tp₁. Фильтр Ф₁ во входной цепи пропускает сигнал с частотой f₁ в выходной Ф₂ — с частотой nf₁. Имеется также трансформатор сопротивлений Тр₂ в выходной цепи умножителя.

Рис. 2.17. Структурная схема умножителя частоты с па­раллельным включением диода

Практически же диоды могут быть использованы только как удвоители или утроители частоты, поскольку с ростом номера гармоники КПД умножителя падает.

Использование умножительных диодов позволяет работать с высокими коэффициентами умножения, до n = 5–10. Емкость умножи­тельных диодов обычно лежит в интервале от 5 до 0,3 пФ в зави­симости от диапазона рабочих частот.

Умножительные диоды используют в твердотельных источниках колебаний с повышенной стабильностью частоты, построенных на основе сравнительно низкочастотных транзисторных генераторов с кварцевыми резонаторами, в сочетании с транзисторными усилителями мощности. Если применяются высокоэффективные умножительные диоды и микрополосковые системы, то такие транзисторные умножительные цепочки оказываются достаточно экономичными, малогабаритными и не тре­буют высоковольтных источников питания.

2.2.4.3. Варикапы

Варикапами называются диоды с управляемой емкостью, значение которой определяется напряжением смещения. Варикапы долж­ны обеспечивать, возможно, больший диапазон изменения емкости при малом сопротивлении потерь. Такие диоды с малыми габаритами особенно удобны для применения в микрополосковых системах, где механическая перестройка частоты генераторов, усилителей и фильтров затруднена. Они используются в качестве регулирующих элементов в устройствах с низким уровнем мощности и имеют малое значение максимально допустимой рассеиваемой мощности (100–300 мВт).

Диоды работают при обратном смещении. В них используется зависимость барьерной емкости от напряжения у резких p–n переходов или диодов с барьером Шоттки. Емкость диодов при напряжении 6 В находится в пределах от нескольких пикофарад до 0,1 пФ.

2