Варикапы умножительные и подстроечные: устройство, принцип работы

Рис.1 Обозначение варикапа на принципиальных электрических схемах.

Варикапом называется полупроводниковый диод, в котором барьерная ёмкость p-n-перехода сильно зависит от величины обратного смещения. С ростом напряжения ёмкость падает. Данное свойство позволяет дистанционно изменять частотные характеристики радиокомпонентов, что используется в схемах настройки частоты фильтров и колебательных контуров передающих устройств, в генераторах и усилителях СВЧ-волн.

Емкостной характер функционирования варикапа находит отражение в его условном графическом обозначении (УГО) – в нём присутствует изображение конденсатора. Одно из ключевых достоинств варикапа заключается в том, что его ёмкость практически не зависит от частоты сигнала. Она остаётся неизменной вплоть до радиоволн миллиметровой длины.

К основным параметрам варикапов относятся следующие:

●  Номинальная емкость при заданном обратном напряжении;
●  Обратное напряжение;
●  Диапазон отклонения номинальной емкости;
●  Коэффициент перекрытия по емкости;
●  Добротность;
●  Постоянный обратный ток;
●  Максимальная мощность;
●  Максимально-допустимое обратное напряжение;
●  Максимально-допустимая температура корпуса;
●  Максимально-допустимая температура перехода.

Важной характеристикой является частота сигнала, при которой реактивная и активная составляющие проводимости варикапа сравниваются. Эта частота называется предельной и зависит от конкретного типа радиокомпонента.
Два типа варикапов
В зависимости от исполняемой функции варикапы подразделяются на два класса – умножительные и подстроечные. Кратко опишем каждый из типов.

1. Умножительные варикапы

Эти радиоэлементы находят применение в генераторах и частотных преобразователях для увеличения частоты сигнала. Данные варикапы по-другому называются варакторами. В основе их функциональности лежит эффект возбуждения высших гармоник при подаче на варикап гармонического сигнала. Это обусловлено зависимостью ёмкости от обратного напряжения и, а также тем, что вольт-фарадная характеристика варактора носит нелинейный характер. Причём, более выраженная нелинейность ВФХ повышает эффективность частотного преобразования, поскольку приводит к увеличению амплитуды гармоник.

Для того чтобы сделать вольт-фарадную характеристику более нелинейной, варактор переводят в режим, при котором p-n-переход открывается лишь частично. При этом в процессе умножения частоты участвует как барьерная ёмкость переходной зоны, так и ёмкость диффузионного движения носителей заряда. Последняя, кстати, зависит от смещения гораздо сильнее.

В таком режиме из-за наличия прямого тока в диоде значительно увеличиваются потери, поэтому возможность использования варактора определяется частотными свойствами радиокомпонента, самым важным из которых является период его запирания. Необходимо обеспечивать такие условия, при которых время отключения диода сокращается до минимальных значений. Для этого путём легирования базы умножительного варикапа создаётся неравномерная концентрация примесей.

Применение умножительных варикапов:
Наиболее распространённые сферы применения умножительных варикапов включают.

●  Частотные преобразователи и генераторы
Варикапы активно применяются в схемах, предназначенных для умножения частоты. Используя свойства нелинейности собственной ёмкости варикапа, удаётся создать сигналы с удвоенной, утроенной и даже многократной частотой. Такие схемы часто встречаются в оборудовании связи, радарных установках и системах радиовещания.
●  Параметрические усилители
Параметрические усилители используют нелинейные свойства варикапов для эффективного усиления слабых сигналов. Особенно эффективны они в СВЧ-диапазоне, где другие типы усилителей демонстрируют значительное падение производительности.
●  Преобразователи частоты
Преобразователи частоты (смесители) необходимы для изменения спектра сигнала с целью упрощения обработки и передачи данных. Варикапы здесь выступают ключевыми элементами, обеспечивающими преобразование частоты исходного сигнала в требуемую область.
●  Фильтры и стабилизаторы частоты
Подстраивая собственную ёмкость варикапа с помощью управляющего напряжения, можно эффективно управлять частотой колебаний колебательных контуров. Это свойство активно применяется в различных радиотехнических приборах, включая радиостанции и системы спутниковой навигации.
●  Регулируемые фазовращатели
Регулировка фазы сигнала важна в системах цифровой связи и радарах. Варикапы помогают обеспечить точную настройку фазовых сдвигов, обеспечивая стабильность и точность синхронизации сигналов.

2. Подстроечные варикапы

Данные диоды применяются в устройствах, изменяющих резонансную частоту колебательных контуров. Подстроечные варикапы используются в схемах частотной автонастройки и регулируемых фильтрах. Зачастую в аппаратуре в целях оптимизации величины перекрытия по ёмкости варикапы этого типа включаются последовательно и встречно.
Вследствие этого широкое распространение получили так называемые варикапные модули (сборки). Здесь используются группы варикапов с одинаковыми характеристиками. Радиодетали помещаются в единый корпус с общим анодом или катодом. Варикапные модули могут регулировать как одну, так и несколько несвязанных между собой колебательных систем. Тем самым обеспечивается единство управления разными частями радиотехнического оборудования, что влечёт за собой высокую эффективность функционирования радиопередающих устройств.

Наиболее распространённые сферы применения подстроечных варикапов включают.

●  Радиоприемные и телевизионные устройства
В радиостанциях и телеприёмниках для автоматического подбора частоты принимаемого сигнала, облегчая автоматизацию процесса настройки на нужный канал.
●  Передатчики и трансмиттеры
Используются в системах автоматической подстройки частоты (АПЧ) для коррекции расстройки частоты передатчика или приёмника, обеспечивая постоянную синхронность частоты приёма и передачи.
●  Умножители частоты
Подстроечные варикапы могут применяться в каскадных схемах радиоэлектронного оборудования для улучшения точности настройки в таких устройствах.
●  Регулируемые фазовращатели
Иногда варикапы включаются для управления фазой сигнала в фазовращательные схемы, помогая настроить фазовую задержку сигнала.
●  Фильтрующие устройства
Широко применяются в фильтрующих устройствах для регулирования и коррекции, позволяя оперативно менять полосу пропускания или центр полосы пропускания фильтра.