В электронике варикап -диод , варакторный диод , диод с переменной емкостью , диод с переменным реактивным сопротивлением или настроечный диод — это тип диода , предназначенный для использования зависящей от напряжения емкости обратносмещенного p-n-перехода . [1]
Варакторы используются в качестве конденсаторов , управляемых напряжением . Они обычно используются в управляемых напряжением генераторах , параметрических усилителях и умножителях частоты . [2] Генераторы, управляемые напряжением, имеют множество применений, например, частотную модуляцию для FM-передатчиков и системы фазовой автоподстройки частоты . Системы фазовой автоподстройки частоты используются в синтезаторах частот , которые настраивают многие радиоприемники, телевизоры и сотовые телефоны .
Варикап был разработан дочерней компанией Pacific Semiconductor корпорации Ramo Wooldridge, которая получила патент на устройство в июне 1961 года. [3] Название устройства также было зарегистрировано как «Варикап» компанией TRW Semiconductors , преемницей Pacific Semiconductors, в Октябрь 1967 года. Это помогает объяснить разные названия устройства по мере его использования. [ нужны разъяснения ]
Варакторы работают в состоянии обратного смещения , поэтому постоянный ток через устройство не протекает. Величина обратного смещения контролирует толщину зоны обеднения и, следовательно, емкость перехода варатора. Характеристика изменения емкости зависит от профиля легирования. Обычно для резкого профиля перехода толщина обедненной области пропорциональна квадратному корню из приложенного напряжения, а емкость обратно пропорциональна толщине обедненной области. Таким образом, емкость обратно пропорциональна квадратному корню из приложенного напряжения. Для сверхрезкого профиля перехода изменение емкости более нелинейное, но сверхрезкие варикапы имеют большее изменение емкости и могут работать при более низких напряжениях.
Все диоды обладают этой переменной емкостью перехода, но варакторы изготавливаются для использования этого эффекта и увеличения изменения емкости.
На рисунке показан пример поперечного сечения варатора со слоем обеднения, образованным ap–n-переходом. Этот обедненный слой также может быть изготовлен из МОП-диода или диода Шоттки . Это важно для технологий CMOS и MMIC .
Обычно использование варикапа в цепи требует подключения его к настроенной цепи , обычно параллельно с любой существующей емкостью или индуктивностью. [4] Постоянное напряжение подается в качестве обратного смещения на варикап для изменения его емкости. Напряжение смещения постоянного тока должно быть заблокировано от попадания в настроенную цепь. Этого можно добиться, поместив последовательно с ним блокирующий конденсатор постоянного тока емкостью примерно в 100 раз превышающей максимальную емкость варикап-диода и подав постоянный ток от источника с высоким импедансом в узел между катодом варикапа и блокировочным конденсатором, как показано в верхней левой схеме на прилагаемой схеме.
Поскольку в варикапе не протекает значительный постоянный ток, номинал резистора, соединяющего его катод обратно с резистором управляющего напряжения постоянного тока, может находиться где-то в диапазоне от 22 кОм до 150 кОм, а блокировочный конденсатор где-то в диапазоне 5–100 нФ. . Иногда в настроенных схемах с очень высокой добротностью последовательно с резистором включают катушку индуктивности, чтобы увеличить полное сопротивление источника управляющего напряжения, чтобы не нагружать настроенную цепь и не уменьшать ее добротность.
В другой распространенной конфигурации используются два встречных (анод к аноду) варикапа. (См. схему внизу слева.) Второй варикап эффективно заменяет блокировочный конденсатор в первой схеме. Это уменьшает общую емкость и диапазон емкости вдвое, но имеет то преимущество, что уменьшает переменную составляющую напряжения на каждом устройстве и имеет симметричные искажения, если переменная составляющая 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 сильное изменение емкости диода, которое могло бы исказить сигнал и добавить гармоники.
Третья схема, вверху справа на схеме, использует два последовательно соединенных варикапа и отдельные соединения заземления сигналов постоянного и переменного тока. Земля постоянного тока отображается в виде традиционного символа заземления, а земля переменного тока — в виде открытого треугольника. Разделение заземлений часто делается для того, чтобы (i) предотвратить высокочастотное излучение от низкочастотного заземляющего узла и (ii) предотвратить постоянные токи в заземляющем узле переменного тока, изменяющие смещение и рабочие точки активных устройств, таких как варикапы и транзисторы.
Эти конфигурации схем довольно распространены в телевизионных тюнерах и вещательных AM- и FM-приемниках с электронной настройкой, а также в другом коммуникационном и промышленном оборудовании. Ранним варикапам обычно требовался диапазон обратного напряжения 0–33 В, чтобы получить полный диапазон емкостей, которые все еще были довольно небольшими, примерно 1–10 пФ. Эти типы широко использовались (и до сих пор используются) в телевизионных тюнерах, высокие несущие частоты которых 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 также позволяют реализовать приемники AM-вещания с электронной настройкой. как и множество других функций, требующих больших изменений емкости на более низких частотах, обычно ниже 10 МГц. Некоторые конструкции считывателей электронных защитных меток , используемые в торговых точках, требуют использования этих варикапов с высокой емкостью в генераторах, управляемых напряжением.
Три устройства с выводами, изображенные вверху страницы, обычно представляют собой два варикапа с общим катодом в одном корпусе. В потребительском тюнере AM/FM, изображенном справа, один двухкорпусный варикап регулирует как полосу пропускания контура резервуара (селектор основной станции), так и гетеродин с одним варикапом для каждого. Это сделано для снижения затрат — можно было бы использовать два двойных пакета, один для резервуара и один для генератора, всего четыре диода, и именно это было показано в данных применения для радиочипа LA1851N AM. Два двойных варактора с меньшей емкостью, используемые в секции FM (работающей на частоте примерно в сто раз большей), выделены красными стрелками. В этом случае используются четыре диода: двойной корпус для резервуара/полосового фильтра и двойной корпус для гетеродина.
В некоторых приложениях, таких как умножение гармоник , переменное напряжение большой амплитуды сигнала подается на варикап, чтобы намеренно изменять емкость на скорости сигнала для генерации более высоких гармоник, которые извлекаются посредством фильтрации. Если через варикап подается синусоидальный ток достаточной амплитуды, результирующее напряжение приобретает более треугольную форму и генерируются нечетные гармоники.
Это был один из первых методов, использовавшихся для генерации микроволновых частот умеренной мощности (1–2 ГГц при мощности 1–5 Вт) от примерно 20 Вт на частоте 3–400 МГц до того, как были разработаны адекватные транзисторы для работы на этой более высокой частоте. Этот метод до сих пор используется для генерации гораздо более высоких частот, в диапазоне 100 ГГц – 1 ТГц, где даже самые быстрые GaAs-транзисторы по-прежнему недостаточны.
Этот эффект проявляют все устройства с полупроводниковым переходом, поэтому их можно использовать в качестве варикапов, но их характеристики не будут контролироваться и могут сильно различаться в зависимости от партии.
Популярные самодельные варикапы включают светодиоды, [5] выпрямительные диоды серии 1N400X, [6] выпрямители Шоттки и различные транзисторы, используемые с обратным смещением переходов коллектор-база, [7] особенно 2N2222 и BC547 . [ необходимы разъяснения ] Обратное смещение переходов эмиттер-база транзисторов также весьма 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 большей силой тока и большей площадью перехода обычно обладают более высокой емкостью. Варикап Philips BA 102 и обычный стабилитрон 1N5408 демонстрируют аналогичные изменения емкости перехода, за исключением того, что BA 102 обладает определенным набором характеристик в отношении емкости перехода (тогда как 1N5408 этого не делает) и "Q" » у 1N5408 меньше.
До разработки варикапа переменные конденсаторы с приводом от двигателя или реакторы с насыщаемым сердечником использовались в качестве электрически управляемых реактивных сопротивлений в ГУН и фильтрах оборудования, такого как немецкие анализаторы спектра времен Второй мировой войны .
