2.14. Варикапы

Варикапы – это специальные полупроводниковые диоды, которые используются в качестве электрически управляемой емкости.

Они находят применение в схемах автоматической подстройки частоты радиоприемников, в схемах частотных модуляторов, в параметрических схемах усиления, в схемах умножения частоты, в управляемых фазовращателях. Принцип действия варикапа основан на зависимости емкости p–n перехода от внешнего напряжения.

Диффузионная емкость не нашла практического применения из-за сильной зависимости ее от температуры и частоты, высокого уровня собственных шумов и низкой добротности. Практическое применение получила барьерная емкость p–n перехода, величина которой зависит от значения приложенного к диоду обратного напряжения. Эта зависимость описывается вольт–фарадной характеристикой, аналитическое выражение которой имеет вид

. (2.25)

Н а рис. 2.14 представлена вольт–фарадная характеристика и одна из схем включения варикапа. При изменении напряжение смещения, подаваемого на варикап с помощью резистора R₁, изменяется емкость диода. Изменение емкости варикапа приводит к изменению частоты колебательного контура при изменении емкости диода включается резистор R₂, сопротивление которого больше резонансного сопротивления контура.

На рис. 2.15 показана эквивалентная схема варикапа, где r_б – объемное сопротивление базы; R_обр – учитывает дифференциальное сопротивление и сопротивление утечки перехода; C_бар – эквивалент барьерной емкости диода. На частотах до нескольких десятков МГц индуктивность выводов и емкость корпуса диода не учитываются из-за их малых значений. Анализ эквивалентной схемы варикапа в частотном диапазоне показывает на изменение сопротивления потерь, которые определяют добротность варикапа

,

где X_c – реактивная составляющая сопротивления варикапа; R_пот –сопротивление потерь.

На высоких частотах , где  – частота, поэтому шунтирующим действием обратного сопротивления p–n перехода можно пренеб-

р ечь. Эквивалентная схема варикапа представляет собой последовательное сопротивление барьерной емкости и r_б, тогда

.

Для уменьшения r_б необходимо уменьшать толщину области базы.

На низких частотах , и эквивалентная схема варикапа представляет собой параллельное соединение R_обр и C_бар, тогда

.

С ростом частоты добротность падает. Зависимость добротности варикапа от частоты (рис. 2.16) имеет максимум в диапазоне 20…30 МГц.

Добротность варикапа уменьшается с повышением температуры, так как при этом возрастает r_б. С увеличением обратного напряжения емкость C_бар и сопротивление r_б уменьшаются, ибо уменьшается толщина базы, а добротность варикапа при этом растет.

Параметры варикапов

1. Максимальная емкость  – емкость варикапа при заданном минимальном и ограничена значением емкости .

2. Минимальная емкость  – емкость варикапа при заданном максимальном и ограничивается обратным допустимым напряжением p–n перехода .

3. Коэффициент перекрытия по емкости (единицы – десятки единиц).

4. Сопротивление потерь R_п – суммарное активное сопротивление, включая сопротивление кристалла, контактных соединений и выводов варикапа.

5. Температурный коэффициент емкости ТКЕ – представляет собой отношение относительного изменения емкости к вызвавшему его абсолютному изменению температуры окружающей среды.

.

6. Номинальная емкость  – представляет собой барьерную емкость перехода при заданном номинальном (оптимальном) .

7. Добротность варикапа  – отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте переменного сигнала к сопротивлению потерь при заданном значении емкости или обратного напряжения . Добротность показывает относительные потери колебательной мощности в варикапе (десятки – сотни единиц).