В электронике варикапный диод , варакторный диод , диод переменной емкости , диод с переменным реактивным сопротивлением или настроечный диод — это тип диода, предназначенный для использования зависящей от напряжения емкости обратно смещенного p–n-перехода . [1]
Варикапы используются в качестве конденсаторов , управляемых напряжением . Они обычно используются в генераторах, управляемых напряжением , параметрических усилителях и умножителях частоты . [2] Генераторы, управляемые напряжением, имеют множество применений, таких как частотная модуляция для FM-передатчиков и фазовая автоподстройка частоты . Фазовая автоподстройка частоты используется для синтезаторов частот , которые настраивают многие радиоприемники, телевизоры и сотовые телефоны .
Варикап был разработан Pacific Semiconductor, дочерней компанией Ramo Wooldridge Corporation, которая получила патент на устройство в июне 1961 года. [3] Название устройства также было зарегистрировано как торговая марка «Varicap» компанией TRW Semiconductors , преемницей Pacific Semiconductors, в октябре 1967 года. Это помогает объяснить различные названия устройства по мере его появления. [ необходимо разъяснение ]
Варикапы работают в состоянии обратного смещения , поэтому через устройство не протекает постоянный ток. Величина обратного смещения управляет толщиной обедненной зоны и, следовательно, емкостью перехода варакторов. Характеристика изменения емкости зависит от профиля легирования. Как правило, для профиля резкого перехода толщина обедненной области пропорциональна квадратному корню приложенного напряжения, а емкость обратно пропорциональна толщине обедненной области. Таким образом, емкость обратно пропорциональна квадратному корню приложенного напряжения. Для профиля гиперрезкого перехода изменение емкости более нелинейно, но гиперрезкие варикапы имеют большее изменение емкости и могут работать с более низкими напряжениями.
Все диоды обладают переменной емкостью перехода, но варакторы изготавливаются с целью использования этого эффекта и увеличения изменения емкости.
На рисунке показан пример поперечного сечения варакторного диода с обедненным слоем, образованным переходом p–n. Этот обедненный слой может быть также выполнен из МОП или диода Шоттки . Это важно в технологиях КМОП и MMIC .
Обычно использование варикапа в схеме требует его подключения к настроенной схеме , обычно параллельно любой существующей емкости или индуктивности. [4] Постоянное напряжение подается в качестве обратного смещения через варикап для изменения его емкости. Постоянное напряжение смещения должно быть заблокировано от попадания в настроенную схему. Этого можно добиться, поместив последовательно с ним конденсатор блокировки постоянного тока с емкостью примерно в 100 раз большей максимальной емкости варикапа и подав постоянный ток от источника с высоким импедансом в узел между катодом варикапа и конденсатором блокировки, как показано в верхней левой схеме на прилагаемой диаграмме.
Поскольку в варикапе не протекает значительный постоянный ток, значение резистора, соединяющего его катод с резистором постоянного управляющего напряжения, может быть где-то в диапазоне от 22 кОм до 150 кОм, а блокировочного конденсатора — где-то в диапазоне от 5 до 100 нФ. Иногда, в случае очень высокодобротных настроенных схем, последовательно с резистором помещают индуктор, чтобы увеличить сопротивление источника управляющего напряжения, чтобы не нагружать настроенную схему и не уменьшать ее добротность.
Другая распространенная конфигурация использует два встречно-параллельных (анод к аноду) варикапа. (См. нижнюю левую схему на схеме.) Второй варикап эффективно заменяет блокировочный конденсатор в первой схеме. Это уменьшает общую емкость и диапазон емкости вдвое, но имеет преимущество в виде уменьшения переменного компонента напряжения на каждом устройстве и имеет симметричное искажение, если переменный компонент обладает достаточной амплитудой, чтобы сместить варикапы в прямую проводимость.
При проектировании схем настройки с варикапами обычно рекомендуется поддерживать переменную составляющую напряжения на варикапе на минимальном уровне, обычно менее 100 мВ от пика до пика, чтобы предотвратить слишком большое изменение емкости диода, которое может исказить сигнал и добавить гармоники.
Третья схема, вверху справа на схеме, использует два последовательно соединенных варикапа и отдельные заземления постоянного и переменного тока. Заземление постоянного тока показано как традиционный символ заземления, а заземление переменного тока как открытый треугольник. Разделение заземлений часто делается для (i) предотвращения высокочастотного излучения от низкочастотного заземляющего узла и (ii) предотвращения изменения постоянными токами в заземляющем узле переменного тока смещения и рабочих точек активных устройств, таких как варикапы и транзисторы.
Эти конфигурации цепей довольно распространены в телевизионных тюнерах и электронно-настраиваемых AM и FM-приемниках, а также в другом коммуникационном и промышленном оборудовании. Ранние варикапы обычно требовали диапазона обратного напряжения 0–33 В для получения полного диапазона емкости, который был все еще довольно мал, приблизительно 1–10 пФ. Эти типы широко использовались и до сих пор используются в телевизионных тюнерах, чьи высокие несущие частоты требуют лишь небольших изменений емкости.
Со временем были разработаны варикапы, которые демонстрировали большой диапазон емкости, 100–500 пФ, с относительно небольшими изменениями обратного смещения: 0–5 В или 0–12 В. Эти новые устройства позволяют реализовать электронно настроенные AM-радиоприемники, а также множество других функций, требующих больших изменений емкости на более низких частотах, как правило, ниже 10 МГц. Некоторые конструкции электронных считывателей меток безопасности , используемых в розничных магазинах, требуют этих варикапов с высокой емкостью в своих генераторах, управляемых напряжением.
Трехпроводные устройства, изображенные в верхней части страницы, обычно представляют собой два варикапа с общим катодом в одном корпусе. В потребительском тюнере AM/FM, изображенном справа, один двухкорпусный варикапный диод регулирует как полосу пропускания контура резонанса (главный селектор станций), так и гетеродин с одним варикапом для каждого. Это сделано для снижения затрат — можно было бы использовать два двухкорпусных корпуса, один для контура и один для гетеродина, всего четыре диода, и это то, что было изображено в данных по применению для радиочипа AM LA1851N. Два двухкорпусных варикапа с меньшей емкостью, используемых в секции FM (которая работает на частоте примерно в сто раз большей), выделены красными стрелками. В этом случае используются четыре диода, через двухкорпусный для фильтра резонанса / полосы пропускания и двухкорпусный для гетеродина.
В некоторых приложениях, таких как гармоническое умножение , переменное напряжение большой амплитуды сигнала подается через варикап, чтобы намеренно изменять емкость со скоростью сигнала для генерации более высоких гармоник, которые извлекаются посредством фильтрации. Если синусоидальный ток достаточной амплитуды подается через варикап, результирующее напряжение «пикуется» в более треугольную форму, и генерируются нечетные гармоники.
Это был один из ранних методов, использовавшихся для генерации микроволновых частот умеренной мощности, 1–2 ГГц при 1–5 Вт, из примерно 20 Вт на частоте 3–400 МГц, прежде чем были разработаны адекватные транзисторы для работы на этой более высокой частоте. Эта техника до сих пор используется для генерации гораздо более высоких частот, в диапазоне 100 ГГц – 1 ТГц, где даже самые быстрые GaAs-транзисторы все еще неадекватны.
Все полупроводниковые переходные устройства проявляют этот эффект, поэтому их можно использовать в качестве варикапов, но их характеристики не будут контролироваться и могут значительно различаться между партиями.
Популярные самодельные варикапы включают светодиоды, [5] выпрямительные диоды серии 1N400X, [6] выпрямители Шоттки и различные транзисторы, используемые с их переходами коллектор-база с обратным смещением, [7] особенно 2N2222 и BC547 . [ необходимо разъяснение ] Обратное смещение переходов эмиттер-база транзисторов также довольно эффективно, пока амплитуда переменного тока остается небольшой. Максимальное напряжение обратного смещения обычно составляет от 5 до 7 В, прежде чем начнется лавинный процесс. Устройства с большим током и большей площадью перехода, как правило, обладают более высокой емкостью. Варикап Philips BA 102 и обычный стабилитрон 1N5408 демонстрируют схожие изменения емкости перехода, за исключением того, что BA 102 обладает определенным набором характеристик в отношении емкости перехода (тогда как 1N5408 не обладает), а добротность 1N5408 меньше.
До разработки варикапа в качестве электрически управляемых реактивных сопротивлений в ГУН и фильтрах такого оборудования, как немецкие анализаторы спектра времен Второй мировой войны, использовались переменные конденсаторы с электроприводом или реакторы с насыщаемым сердечником .
