Введение

Тип диода. В электронике варикап, варатор, диод с переменной ёмкостью, диод с переменной реактивностью или диод настройки – это тип диода, разработанный для использования зависимости ёмкости от напряжения в обращенно смещённом p–n переходе.

Приложения

Вараторы используются как конденсаторы с управляемой напряжением ёмкостью. Они широко применяются в генераторах, управляемых напряжением, параметрических усилителях и умножителях частоты. Генераторы, управляемые напряжением, находят множество применений, например, частотная модуляция для FM-передатчиков и фазовые автоподстройки частоты (ФАПЧ). Фазовые автоподстройки частоты используются в частотных синтезаторах, которые применяются для настройки многих радиоприёмников, телевизоров и сотовых телефонов. Варикап был разработан дочерней компанией Pacific Semiconductor корпорации Ramo Wooldridge, которая получила патент на это устройство в июне 1961 года. Название устройства также было зарегистрировано как торговая марка "Varicap" компанией TRW Semiconductors, правопреемницей Pacific Semiconductors, в октябре 1967 года. Это объясняет разнообразие названий, используемых для этого устройства.

Операция

Вараторы работают в режиме обратного смещения, поэтому постоянный ток через устройство не протекает. Величина обратного смещения управляет толщиной обеднённого слоя и, следовательно, ёмкостью перехода варактора. Характеристика изменения ёмкости зависит от профиля легирования. Обычно, для резкого профиля перехода, толщина обеднённого слоя пропорциональна квадратному корню приложенного напряжения, а ёмкость обратно пропорциональна толщине обеднённого слоя. Таким образом, ёмкость обратно пропорциональна квадратному корню приложенного напряжения. Для гиперрезкого профиля перехода изменение ёмкости более нелинейно, но гиперрезкие вараторы имеют больший диапазон изменения ёмкости и могут работать при более низких напряжениях. Все диоды демонстрируют эту переменную ёмкость перехода, но вараторы производятся для использования этого эффекта и увеличения диапазона изменения ёмкости. На рисунке показан пример поперечного сечения варактора с обеднённым слоем, образованным p–n-переходом. Этот обеднённый слой также может быть сформирован с использованием MOS- или диода Шоттки. Это важно в технологиях CMOS и MMIC.

Тюнинг-схемы

Как правило, для использования в схеме варикапного диода требуется подключить его к настроенному контуру, обычно параллельно существующей емкости или индуктивности. На варикап подается постоянное напряжение смещения в обратном направлении для изменения его емкости. Необходимо предотвратить попадание напряжения постоянного тока в настроенный контур. Это достигается установкой блокирующего конденсатора с емкостью примерно в 100 раз превышающей максимальную емкость варикапного диода, последовательно с ним, и подачей постоянного напряжения от источника с высоким импедансом на точку соединения катода варикапа и блокирующего конденсатора, как показано на схеме в верхнем левом углу на прилагаемой диаграмме. Поскольку через варикап не протекает значительный постоянный ток, сопротивление, соединяющее его катод с резистором управления постоянным напряжением, может находиться в диапазоне от 22 кОм до 150 кОм, а блокирующий конденсатор – в диапазоне от 5 до 100 нФ. Иногда, в очень высокодобротных настроенных контурах, индуктор включается последовательно с резистором для увеличения выходного импеданса управляющего напряжения, чтобы не нагружать настроенный контур и не снижать его добротность. Другая распространенная конфигурация использует два варикапа, включенных встречно (анодом к аноду). (См. схему в нижнем левом углу на диаграмме.) Второй варикап эффективно заменяет блокирующий конденсатор в первой схеме. Это уменьшает общую емкость и диапазон емкости вдвое, но имеет преимущество в виде уменьшения компоненты переменного напряжения на каждом приборе и обеспечивает симметричное искажение, если амплитуда компоненты переменного напряжения достаточна для смещения варикапов в область прямого проводимости. При проектировании тюнинговых цепей с варикапами обычно рекомендуется поддерживать амплитуду компоненты переменного напряжения на варикапе на минимальном уровне, обычно менее 100 мВ пик-пик, чтобы избежать чрезмерного изменения емкости диода, что исказило бы сигнал и добавило гармоники. Третья схема, расположенная в верхнем правом углу на диаграмме, использует два последовательно соединенных варикапа и отдельные соединения заземления для постоянного и переменного сигналов. Заземление постоянного тока показано традиционным символом заземления, а заземление переменного тока – открытым треугольником. Разделение заземлений часто выполняется для (i) предотвращения излучения высокочастотных помех от узла заземления низких частот и (ii) предотвращения влияния постоянных токов в узле заземления переменного тока на смещение и рабочие точки активных устройств, таких как варикапы и транзисторы. Эти конфигурации цепей широко используются в телевизионных тюнерах и электронно настраиваемых AM и FM-приемниках, а также в другом оборудовании связи и промышленном оборудовании. Ранние варикапные диоды обычно требовали диапазона обратного напряжения от 0 до 33 В для достижения их полного диапазона емкости, который все еще был довольно мал, примерно от 1 до 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 варикапные диоды с большим диапазоном емкости, от 100 до 500 пФ, при относительно небольших изменениях обратного напряжения: от 0 до 5 В или от 0 до 12 В. Эти новые устройства позволяют создавать электронно настраиваемые AM-приемники, а также множество других функций, требующих больших изменений емкости на более низких частотах, обычно ниже 10 МГц. Некоторые конструкции считывателей электронных защитных меток, используемых в розничных магазинах, требуют эти варикапы с высокой емкостью в своих генераторах, управляемых напряжением. Три выводных устройства, изображенные в верхней части страницы, обычно представляют собой два варикапа с общим катодом в одном корпусе. В потребительском AM/FM-тюнере, изображенном справа, один двойной варикапный диод регулирует как полосу пропускания колебательного контура (основной селектор станции), так и гетеродинный осциллятор, используя по одному варикапу для каждого. Это делается для снижения стоимости – можно было использовать два двойных корпуса, один для колебательного контура и один для гетеродина, всего четыре диода, что и было показано в документации по применению для радиочипа LA1851N AM. Два двойных варикапа с меньшей емкостью, используемые в FM-части (которая работает на частоте примерно в сто раз большей), выделены красными стрелками. В этом случае используются четыре диода через двойной корпус для колебательного контура/полосного фильтра и двойной корпус для гетеродина.

Гармоническое умножение

В некоторых приложениях, таких как гармоническое умножение, на варикап подается переменное напряжение большой амплитуды для намеренного изменения ёмкости в такт с сигналом, что позволяет генерировать более высокие гармоники, которые затем выделяются с помощью фильтрации. Если через варикап пропускается синусоидальный ток достаточной амплитуды, результирующее напряжение приобретает форму, близкую к треугольной, и генерируются нечётные гармоники. Это был один из первых методов генерации микроволновых частот умеренной мощности – 1–2 ГГц при мощности 1–5 Вт – из примерно 20 Вт на частоте 3–400 МГц, до появления достаточно мощных транзисторов, способных работать на этих более высоких частотах. Эта техника до сих пор используется для генерации гораздо более высоких частот, в диапазоне 100 ГГц – 1 ТГц, где даже самые быстрые транзисторы на арсениде галлия (GaAs) оказываются недостаточными.

Заменители диодов с варикапом

Все полупроводниковые приборы с p-n переходом демонстрируют этот эффект, поэтому их можно использовать в качестве варикапов, однако их характеристики не будут контролируемыми и могут значительно различаться от партии к партии. К популярным самодельным варикапам относятся светодиоды, диоды серии 1N400X, диоды Шоттки и различные транзисторы, используемые с обратным смещением коллектор-базового перехода, в частности 2N2222 и BC547. Обратное смещение эмиттер-базового перехода транзисторов также достаточно эффективно, при условии, что амплитуда переменного тока остается небольшой. Максимальное напряжение обратного смещения обычно составляет от 5 до 7 Вольт, прежде чем начнется лавинный пробой. Приборы с большим током и большей площадью перехода, как правило, обладают большей емкостью. Варикап Philips BA 102 и обычный стабилитрон 1N5408 демонстрируют схожие изменения емкости p-n перехода, за исключением того, что BA 102 имеет заданный набор характеристик относительно емкости p-n перехода (чего нельзя сказать о 1N5408), а добротность (Q) 1N5408 ниже. До появления варикапов в качестве электрически управляемых реактивных элементов в генераторах с управлением напряжением (ВУН) и фильтрах оборудования, такого как немецкие анализаторы спектра времен Второй мировой войны, использовались двигательные переменные конденсаторы или насыщаемые реакторы.