3.6. Специальные конденсаторы
Варикапы - это специальные полупроводниковые диоды, которые используются в качестве электрически управляемой емкости. Они находят применение для автоматической подстройки частоты радиоприемников, в частотных модуляторах, в параметрических схемах усиления, в схемах умножения частоты. Принцип действия варикапа основан на зависимости емкости р-п перехода от внешнего напряжения. Имеются две составляющие ёмкости р-п перехода: барьерная и диффузионная. Практическое применение получила барьерная емкость, величина которой зависит от значения приложенного к варикапу обратного напряжения. Эта зависимость описывается вольтфарадной характеристикой, аналитическое выражение которой имеет вид
|
(3.8) |
где С0 – ёмкость р-п перехода при Uобр = 0; она лежит в пределах 300…600пФ; γ – коэффициент, зависящий от типа р-п перехода (лежит в пределах от 1/2 до 1/3); Uк – контактная разность потенциалов р-п перехода, которая связана с наличием ионов примесей в запирающем слое р-п перехода.
С
увеличением обратного напряжения
барьерная ёмкость уменьшается. Это
происходит потому, что при увеличении
обратного напряжения толщина обеднённого
слоя р-п
перехода возрастает, обкладки конденсатора
как бы раздвигаются и ёмкость его падает.
На рисунке 3.11 представлена вольтфарадная характеристика и одна из схем включения варикапа. При изменении напряжения смещения, подаваемого на варикап с помощью резистора R1, изменяется емкость варикапа. Изменение емкости варикапа приводит к изменению частоты колебательного контура. Для исключения шунтирования колебательного контура при изменении емкости диода включается резистор R2, сопротивление которого больше резонансного сопротивления контура.
Н
а
рисунке 3.12 показана эквивалентная схема
варикапа, где
rб
– объемное сопротивление базы; Rобр
– учитывает дифференциальное сопротивление
и сопротивление утечки перехода; Сбар
– барьерной
ёмкости. На частотах до нескольких
десятков МГц индуктивность выводов и
емкость корпуса диода не учитываются
из-за их малых значений.
Параметры варикапов:
1. Максимальная емкость Св макс – ёмкость варикапа при заданном минимальном Uобр и ограничена значением емкости С0.
2. Минимальная емкость Св мин – ёмкость варикапа при заданном максимальном Uобр.
3. Сопротивление потерь Rп – суммарное активное сопротивление, включая сопротивление кристалла, контактных соединений и выводов варикапа.
4. Температурный коэффициент емкости ТКЕ – представляет собой отношение относительного изменения емкости к вызвавшему его абсолютному изменению температуры окружающей среды:
|
(3.9) |
6. Номинальная емкость Св ном – представляет собой барьерную емкость перехода при заданном номинальном (оптимальном) Uобр.
7. Добротность варикапа Qв – отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте переменного сигнала к сопротивлению потерь при заданном значении емкости или обратного напряжения Qв = Xc/ Rп. Добротность показывает относительные потери колебательной мощности в варикапе (десятки - сотни единиц).
Вариконды. Это конденсаторы, емкость которых зависит от напряженности электрического поля. Они выполняются на основе сегнетоэлектриков (титаната - бария, стронция, кальция и др.). Для них характерны высокие значения относительной диэлектрической проницаемости и ее сильная зависимость от напряженности электрического поля и температуры. Применяются вариконды как элементы настройки колебательных контуров. Если вариконд включить в цепь резонансного LC контура и изменять постоянное напряжение, подводимое к нему от источника, имеющего высокое внутреннее сопротивление (оно необходимо для того, чтобы источник не ухудшал добротность колебательного контура), то можно изменять резонансную частоту этого контура.