Что такое варикап и как он работает: Принцип работы и область применения варикапов

Принцип работы и область применения варикапов

Обновлена: 24 Ноября 2022 8159 0

Поделиться с друзьями

Варикап – полупроводниковый диод, главным параметром которого является изменяемая под напряжением емкость. В устройстве применяется зависимость емкости p-n перехода и приложенного обратного напряжения. Среди основных характеристик варикапа: коэффициент перекрытия по емкости; общая емкость; постоянный обратный ток; постоянное обратное напряжение; рассеиваемая мощность. Область применения Работа варикапа актуальна при перестройке частоты узлов в электроаппаратуре. Устройства используются в частотозадающих электронных цепях, поскольку позволяют быстро и просто изменять рабочую частоту. Такое возможно, благодаря изменению емкости системы, которая меняется при изменении управляющего напряжения. Варикапы включены в схемы радиоприемников и беспроводных модулей для передачи данных, используются в устройствах, где задействованы частотозависимые цепи. Преимуществами использования полупроводниковых диодов с емкостью, зависящей от приложенного напряжения, являются: возможность увеличения количества одновременно перестраиваемых контуров; малые габариты узла настройки; снижение паразитных излучений, передаваемых от гетеродинов; возможность включения варикапов около контурных катушек; удобное сочетание фиксированной и плавной настройки, благодаря подаче ранее установленных управляющих напряжений; хорошее сопротивление механическому воздействию; согласованность с цепями АПЧ; надежность и отсутствие микрофонного эффекта; возможность автоматизированного поиска частоты и дистанционного управления. Схемы подключения варикапа В LC-генераторах транзисторного типа это устройство работает в качестве элемента емкостного сопротивления. Подключается к резонансному контуру последовательно или параллельно. Упрощенная схема подразумевает включение вместо конденсатора в параллельно резонансном контуре. Если разрабатывается модулятор, нужно предусмотреть подачу напряжения смещения величины на его выводы. В состав каскада включают цепь формирования напряжения смещения. Данный вид цепи в мини-передатчиках зачастую выполняется на резисторах. Схема параллельного колебательного контура образуется катушкой и емкостью полупроводника. Также в цепь включают разделительный конденсатор. Последовательное подключение подразумевает включение полупроводника последовательно с конденсатором контура или катушкой индуктивности. Применяются схемы, в которых варикап подключается комбинированно, с частичным включением. Маркировка отечественных варикапов Обозначение включает буквы и цифры. Первая буква или цифра указывает на материал изготовления. Вторая – на тип по функциональному назначению (обозначается буквой «В»). Третья цифра указывает на электрические свойства. Четвертая и пятая цифры показывают порядковый номер разработки. Шестая буква обозначает параметры варикапа. За что отвечает вариакап Электронно-дырочный, или p-n переход, если к нему приложено обратное сопротивление, имеет свойства конденсатора. При изменении напряжения, изменяется и толщина p-n перехода, а значит емкость между слоями полупроводника. Сам переход выступает диэлектриком. Данное явление описывает принцип работы варикапа (varicap). Устройство используется в качестве конденсатора переменной емкости, которая зависит от напряжения на переходе. При изменении напряжения можно изменить и емкость. Была ли статья полезна? Да Нет Оцените статью Что вам не понравилось? Другие материалы по теме Анатолий Мельник Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент.

Варикап.

В современной электронике появляется всё больше электронных компонентов управляемых напряжением. Это связано с активным развитием цифровой техники. Ранее электронная аппаратура управлялась всевозможными ручками регулировки, кнопками, многопозиционными переключателями, т.е. руками.

Цифровая техника избавила нас от этого, а взамен дала возможность управлять и настраивать устройства посредством кнопок и экранного меню. Всё это было бы невозможно без электронных компонентов, управляемых напряжением. К одному из таких электронных компонентов можно отнести варикап.

Варикап – это полупроводниковый диод, который изменяет свою ёмкость пропорционально величине приложенного обратного напряжения от единиц до сотен пикофарад. Так изображается варикап на принципиальной схеме.

Как видим, его изображение очень напоминает условное изображение полупроводникового диода. И это не случайно. Дело в том, что p-n переход любого диода обладает так называемой барьерной ёмкостью. Сама по себе барьерная ёмкость перехода для диода нежелательна. Но и этот недостаток смогли использовать. В результате был разработан варикап – некий гибрид диода и переменного конденсатора, ёмкость которого можно менять с помощью напряжения.

Как известно, при подаче обратного напряжения на диод, он закрыт и не пропускает электрический ток. В таком случае p-n переход выполняет роль своеобразного изолятора, толщина которого зависит от величины обратного напряжения (U_обр). Меняя величину обратного напряжения (U_обр), мы меняем толщину перехода – этого самого изолятора. А поскольку электрическая ёмкость C зависит от площади обкладок, в данном случае площади p-n перехода, и расстояния между обкладками – толщины перехода, то появляется возможность менять ёмкость p-n перехода с помощью напряжения. Это ещё называют электронной настройкой.

На варикап прикладывают обратное напряжение, что изменяет величину ёмкости барьера p-n перехода.

Отметим, что барьерная ёмкость есть у всех полупроводниковых диодов, и она уменьшается по мере увеличения обратного напряжения на диоде. Но вот у варикапов эта ёмкость может меняться в достаточно широких пределах, в 3 – 5 раз и более.

Положительные качества варикапа.

У варикапов очень маленькие потери электрической энергии и малый ТКЕ (температурный коэффициент ёмкости) поэтому их с успехом применяют даже на очень высоких частотах, где ёмкость конденсатора измеряется долями пикофарад. Это очень важно, так как если бы ёмкость варикапа была нестабильна из-за утечек (потери электрической энергии) и температуры (ТКЕ), то частота колебательного контура «уходила» и «гуляла», т.е. менялась. А это недопустимо! Познакомьтесь с колебательным контуром, и вы сразу поймёте насколько это важно.

Как работает варикап?

На рисунке показана типовая схема управления варикапом.

R2 – переменный резистор. С помощью винта по рабочей поверхности этого резистора перемещается ползунок, который плавно изменяет сопротивление, а, соответственно, и величину обратного напряжения (U_обр), подаваемого на варикап. Конденсатор С1 препятствует попаданию на индуктивность L1 постоянного напряжения.

Постоянный резистор R1 уменьшает шунтирующее действие резистора R2 на контур, что позволяет сохранить резонансные свойства контура. Как видим, ёмкость варикапа входит в состав колебательного контура. Меняя ёмкость варикапа, мы изменяем параметры колебательного контура и, следовательно, частоту его настройки. Так реализуется электронная настройка.

В современных цветных телевизорах есть такая функция – автонастройка (автопоиск) телеканалов. Нажимаем на кнопку, и весь диапазон сканируется на предмет наличия вещательных программ – телеканалов. Так вот этой функции просто бы не существовало, если бы не было варикапа.

В телевизоре управляющей схемой формируется плавно меняющееся напряжение настройки, которое и подаётся на варикап. За счёт этого меняются параметры колебательного контура приёмника (тюнера) и он настраивается на тот или иной телеканал. Затем происходит запоминание напряжения настройки на каждый из найденных телеканалов, и мы можем переключаться на любой из них, когда захотим.

Кроме обычных варикапов очень часто используют сдвоенные и строенные варикапы с общим катодом. Вот такой вид они имеют на принципиальных схемах.

Они используются, как правило, в радиоприёмных устройствах, где необходимо одновременно перестраивать входной контур и гетеродин с помощью одного потенциометра. Имеются так же обычные сборки, когда в одном корпусе размещается несколько варикапов электрически не связанные между собой.

Параметры варикапов.

Несмотря на то, что варикап разработан на базе диода, это всё-таки конденсатор и именно параметры, связанные с ёмкостью и являются основными. Вот лишь некоторые из них:

• Максимальное обратное постоянное напряжение (U_{обр. max.}). Измеряется в вольтах (В). Это максимальное напряжение, которое можно подавать на варикап. Напомним, что ёмкость варикапа уменьшается при увеличении обратного напряжения на нём.

• Номинальная ёмкость варикапа (С_В). Это ёмкость варикапа при фиксированном обратном напряжении. Поскольку варикапы выпускаются на различные значения ёмкости, начиная от долей пикофарады и до сотен пикофарад, то их ёмкость измеряют, подавая определённую величину обратного напряжения на варикап. Оно может быть равным 4 и более вольтам, и, как правило, указывается в справочных данных.

  Также может указываться минимальная и максимальная ёмкость варикапа (C_min и C_maх). Это связано с тем, что параметры выпускаемых варикапов могут несколько отличаться. Поэтому в справочных данных указывают минимально- и максимально- возможную ёмкость варикапа при фиксированном обратном напряжении (U_обр). Это и есть C

  max и C_min.

  У импортных варикапов обычно указывается только одна величина C_d (или C_д) – ёмкость варикапа при обратном напряжении, близком к максимальному. Например, для импортного варикапа BB133 ёмкость C_d = 2,6 pF (пФ) при обратном напряжении V_R = 28V.

• Коэффициент перекрытия по ёмкости (К_с). Этот параметр показывает отношение максимальной ёмкости варикапа к минимальной. Считается так:

Например, для отечественного варикапа КВ109А коэффициент перекрытия Кс равен 5,5. Ёмкость при U_обр = 25 В составляет 2,8 пФ (Это – C_min). Так как диапазон обратного напряжения для варикапа КВ109А составляет 3 – 25 вольт, то используя формулу, можно узнать ёмкость этого варикапа при обратном напряжении в 3 вольта. Оно составит 15,4 пФ.(Это – C

max).

В документации на импортные варикапы так же указывается коэффициент перекрытия. Он называется capacitance ratio. Формула, по которой считается этот параметр, выглядит так (для варикапа BB133).

Как видим, берётся ёмкость варикапа при обратном напряжении в 0,5V и в 28V. Так как ёмкость варикапа уменьшается при увеличении обратного напряжения на нём, то становиться ясно, что эта формула расчёта аналогична той, что применяется для расчёта Кс.

Все остальные параметры можно считать несущественными. В некоторых случаях необходимо обратить внимание на граничную частоту, но это не столь важно, поскольку варикапы уверенно работают во всём радио и телевизионном диапазоне.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

Варакторный диод – варикапный диод » Electronics Notes

Варикапный диод или варакторный диод обеспечивает способ или наличие переменной емкости, регулируемой напряжением, в цепи.

---

Варактор / варикап Учебное пособие Включает:
Варактор / варикап Резкие и гиперрезкие варакторы Характеристики варактора (техническое описание) Схемы варакторных диодов

Другие диоды: Типы диодов

---

Варикапы или варикапы используются в основном в радиочастотных или радиочастотных схемах для обеспечения переменной емкости, управляемой напряжением.

Эти электронные компонентыa могут использоваться самыми разными способами, когда уровень емкости должен контролироваться напряжением, и без них многие возможности, которыми мы пользуемся в радиоприемниках, мобильных телефонах и многих других устройствах, были бы невозможны.

Варакторные диоды могут использоваться не только для аналогового управления напряжением, например, в контуре фазовой автоподстройки частоты, но также могут использоваться в сочетании с микропроцессорами, где напряжение может генерироваться в цифровом виде, а затем преобразовываться в аналоговое напряжение для управления диод с помощью цифро-аналогового преобразователя, АЦП.

На самом деле области применения варакторных диодов почти безграничны, и они используются во множестве различных схем для различных целей, как для проектирования общих электронных схем, так и для радиочастот.

Хотя используются оба названия: варактор и варикап, оба они представляют собой один и тот же вид диода. Название варактор означает переменный реактор или реактивное сопротивление, а варикап означает переменную емкость (вари-кап).

Хотя даже обычные диоды с PN-переходом можно использовать в качестве варакторных диодов, электронные компоненты, приобретаемые в качестве варакторов, были специально оптимизированы для получения требуемых изменений емкости, которые, как правило, больше, чем у большинства стандартных диодов с PN-переходом.

Варакторные диоды

Варакторные диоды

широко используются во многих радиочастотных конструкциях. Они обеспечивают метод изменения емкости в цепи путем приложения управляющего напряжения.

Это дает им почти уникальные возможности, и в результате варакторные диоды широко используются во многих конструкциях радиочастотных цепей. Они являются важным электронным компонентом для множества радиочастотных устройств.

Хотя варакторные диоды или варикапы могут использоваться во многих различных схемах, они находят применение в двух основных областях:

• Генераторы, управляемые напряжением, ГУН: Генераторы, управляемые напряжением, используются во многих различных радиочастотных конструкциях. Одной из основных областей является осциллятор внутри фазированных замкнутых контуров. В свою очередь, их можно использовать в качестве ЧМ-демодуляторов или в синтезаторах частоты. Варакторный диод является ключевым компонентом генератора, управляемого напряжением.
• ВЧ-фильтры: Использование варикапов позволяет настраивать фильтры. Отслеживающие фильтры могут потребоваться во входных цепях приемника, где они позволяют фильтрам отслеживать частоту входящего принятого сигнала. Опять же, этим можно управлять с помощью управляющего напряжения. Обычно это может осуществляться под управлением микропроцессора через цифро-аналоговый преобразователь.

• Частотные и фазовые модуляторы: Варакторные диоды могут использоваться в частотных и фазовых модуляторах. В частотных модуляторах их можно поместить на резонансный элемент внутри генератора, а звук подавать на диод. Таким образом, его емкость будет изменяться в соответствии со звуком, вызывая сдвиг частоты сигнала вверх и вниз в соответствии с изменениями емкости и, следовательно, в соответствии со звуком.

  Для фазовой модуляции сигнал фиксированной частоты может быть пропущен через фазовращающую цепь, а диод встроен в него. Опять же, на диод подается звук, и это вызывает сдвиг фазы в соответствии с изменениями звука.

Что касается цепей, в которых используются варакторные диоды, они включают в себя генераторы контуров фазовой автоподстройки частоты и, следовательно, многие типы синтезаторов частоты.

Ввиду того, что эти электронные компоненты позволяют управлять многими радиочастотными цепями от переменного напряжения с помощью цифро-аналогового преобразователя, ЦАП или D2A, это позволяет микропроцессору управлять многими из этих электронных схем, фильтрами, генераторами и т. д.

Варакторные диоды можно использовать даже в некоторых типах схем умножителей гармоник.

Работа переменного конденсатора

Ключом к пониманию того, как работает варактор или варикап, является рассмотрение того, что такое конденсатор и что может изменить емкость. Как видно из приведенной ниже схемы, конденсатор состоит из двух пластин с изолирующим диэлектриком между ними.

. . . емкость и количество заряда, который может быть сохранен, зависят от площади пластин и расстояния между ними. . . .

Емкость конденсатора зависит от площади пластин – чем больше площадь, тем больше емкость, а также расстояние между ними – чем больше расстояние, тем меньше уровень емкости.

Диод с обратным смещением не имеет тока между областями P-типа и областями N-типа. Область N-типа и область P-типа могут проводить электричество, и их можно рассматривать как две пластины, а область между ними — область обеднения — изолирующий диэлектрик. Это точно так же, как конденсатор выше.

Как и в случае любого диода, при изменении обратного смещения меняется и размер обедненной области. При увеличении обратного напряжения на варакторе или варикапе область обеднения диода увеличивается, а при уменьшении обратного напряжения на варакторе область обеднения сужается. Следовательно, изменяя обратное смещение на диоде, можно изменить емкость.

Изменение емкости варакторного диода при обратном смещении

Варакторный диод имеет нелинейную кривую емкости – емкость варакторного диода обратно пропорциональна квадратному корню из напряжения на нем. Это означает, что начальные изменения обратного напряжения дают гораздо большее изменение емкости, чем при более высоких напряжениях.

Типичная кривая напряжения и емкости для варакторного диода

Символ варакторной или варикапной цепи

Варакторный диод или варикапный диод показан на принципиальных схемах или схемах с использованием символа, который сочетает в себе символы диода и конденсатора. Таким образом, очевидно, что он используется как переменный конденсатор, а не как выпрямитель.

Схема варакторного диода, обозначение

При работе с любой электронной схемой необходимо обеспечить, чтобы варакторный диод оставался смещенным в обратном направлении. Это означает, что катод будет положителен по отношению к аноду, т. е. катод варактора будет более положителен, чем анод. Таким образом, варактор будет действовать как конденсатор, а не как диод в цепи.

Эквивалентная схема варакторного диода

Как и любой другой компонент, варакторный диод не является идеальным конденсатором, а включает в себя различные паразитные элементы. Это верно для варакторного диода, и в результате полезно иметь возможность моделировать диод как эквивалентную схему. Конденсатор и паразитные элементы необходимо понимать и учитывать в конструкции электронной схемы.

Эквивалентная схема варакторного диода

Можно видеть, что эквивалентная схема варакторного диода состоит из нескольких элементов – различные элементы схемы представляют собой основные элементы, которые видны при использовании диода.

Различные элементы:

• C _J (V): Этот элемент варакторного диода представляет фактическую переменную емкость перехода, которая является основным требуемым элементом диода.
• R _S (V):   Это последовательное сопротивление внутри диода, которое изменяется в зависимости от приложенного напряжения.
• C _P :  Эта схема представляет собой паразитную емкость, в основном возникающую из-за емкости вокруг основного диодного перехода. Этому способствуют соединительные провода внутри корпуса.
• L _P : Эта последовательная емкость в основном возникает из-за связывания проводов в корпусе варакторного диода. Несмотря на небольшой размер, он все равно будет заметен в высокочастотных радиочастотных цепях.

Последовательное сопротивление выводов диода незначительно, особенно если диод работает при обратном смещении, а уровни емкости относительно малы, поэтому последовательное сопротивление не оказывает большого влияния.

Тип варакторного диода

При исследовании варакторных диодов с высокими рабочими характеристиками для конкретных ВЧ-приложений часто будут встречаться термины варакторные диоды резкого и резкого скачков напряжения.

Эти термины относятся к переходу и, следовательно, к характеристикам варакторного диода – сверхрезкие диоды, как следует из названия, имеют очень резкое изменение легирования, что приводит к очень резкому переходу – на самом деле это сверхрезкий переход!

Подробнее о . . . . Резкие и гиперрезкие варакторные диоды.

Характеристики варактора

Хотя варакторный диод состоит из PN-перехода и имеет те же основные характеристики, существуют некоторые специфические характеристики и параметры, которые необходимы для определения его характеристик в качестве переменной емкости.

Эти спецификации включают значение емкости и поведение при изменении емкости-напряжения.

Обратная характеристика пробоя также имеет большое значение, т.к. часто нужны довольно высокие обратные напряжения, чтобы уменьшить емкость диода до минимальных значений.

Другим очень важным параметром является добротность или добротность диода, так как он может оказать существенное влияние на работу всей схемы. Низкий уровень добротности может снизить избирательность фильтра или негативно повлиять на фазовый шум генератора, использующего варактор.

Подробнее о . . . . Характеристики варактора.

Варакторные диоды

— это очень полезные компоненты, которые можно использовать самыми разными способами, особенно в радиочастотных цепях. Возможность управления емкостью в цепи путем изменения напряжения имеет очень много применений и позволяет создавать такие элементы, как контуры фазовой автоподстройки частоты, непрямые синтезаторы частоты, различные типы частотных и фазовых модуляторов и многие другие схемы.

Другие электронные компоненты:
Батарейки конденсаторы Соединители Диоды полевой транзистор Индукторы Типы памяти Фототранзистор Кристаллы кварца Реле Резисторы ВЧ-разъемы Переключатели Технология поверхностного монтажа Тиристор Трансформеры Транзистор Клапаны/трубки
    Вернуться в меню “Компоненты”. . .

Что такое диод с переменным конденсатором – как он работает?…

Опубликовано 15 января 2020 г.

Обсуждая диоды, мы узнали, что PN-переход — это граница, образующаяся между полупроводниками P-типа и N-типа при их объединении. При формировании PN-перехода также образуется область обеднения носителей заряда, называемая областью обеднения. Из-за обедненной области диод развивает «емкость перехода» .

Когда на диод подается обратное смещение, емкость его перехода изменяется. Эта характеристика диода была использована инженерами для разработки специального диода под названием 9.0188 Варикап Диод. Иногда его также называют варакторным диодом, переменным конденсатором, реактивным диодом или даже настроечным диодом, что вскоре станет понятно почему. Однако с этого момента мы будем просто называть эти вещи варикапными диодами.

Основные операции

Рисунок 1. Основные части конденсатора

Чтобы легко понять, как работает варикап, мы можем представить его в виде конденсатора. Конденсатор в основном состоит из двух проводящих пластин и диэлектрика между пластинами. Теперь эти части можно было представить и в варикапе. Области P-типа и N-типа диода представляют собой проводящие пластины, а обедненная область — диэлектрик. Из-за сходства конструкции диод приобретает емкостные свойства.

Рисунок 2. Варикапный диод, представленный в виде конденсатора

Теперь, когда мы можем представить варикап в виде конденсатора, мы можем теперь изучить параметры, влияющие на его емкость. В конденсаторе на емкость влияют площадь пластины (A), диэлектрическая проницаемость (Ɛ) и расстояние между пластинами (d). Это выражается в формуле:

Следовательно, емкость варикапа также может быть выражена той же формулой, где:

А – площадь поперечного сечения PN-перехода или P-типа и N-типа материал
Ɛ – диэлектрическая проницаемость полупроводника
d – ширина обедненной области

Вы можете видеть, что емкость увеличивается по мере увеличения площади или увеличения диэлектрической проницаемости или сближения пластин. И наоборот, по мере уменьшения площади пластин и диэлектрической проницаемости или увеличения расстояния между пластинами емкость уменьшается. Другими словами, это означает, что емкость варикапа прямо пропорциональна площади поперечного сечения его перехода и обратно пропорциональна ширине его обедненной области. На настоящих варикапах для изменения емкости можно изменять только ширину обедненной области.

Рисунок 3а. Увеличение обратного смещения расширяет диэлектрик, уменьшая тем самым емкость.

Как указывалось ранее, одной из характеристик диода при обратном смещении является изменение области обеднения. Когда обратное смещение на варикапе увеличивается, область обеднения расширяется, увеличивая разделение между областями P-типа и N-типа, тем самым уменьшая его емкость. Когда обратное смещение уменьшается, область обеднения сужается, уменьшая расстояние между областями P-типа и N-типа, тем самым увеличивая ее емкость. Следовательно, изменение величины приложенного обратного смещения к варикапу изменяет его емкость.

Рисунок 3б. Уменьшение обратного смещения сужает диэлектрик, тем самым увеличивая емкость

Схематическое обозначение

На принципиальных схемах варикап обычно изображается в виде комбинации диода и конденсатора. Номинальные емкости варикапов обычно варьируются от нескольких пикофарад до нескольких сотен пикофарад.

Рис. 4. Символ варикапа.

Применение

Из-за малых значений емкости варикапы обычно используются в высокочастотных устройствах. К ним относятся такие приложения, как FM-модуляторы, FM-синтезаторы, генераторы, управляемые напряжением (VCO), схемы фазовой автоподстройки частоты (PLL), спутниковые приемники, устройства автоматической регулировки частоты, параметрические усилители и регулируемые полосовые фильтры. Варикапный диод обычно используется в схеме настройки в этих упомянутых приложениях, поскольку он работает как переменный конденсатор в схеме.

Вот пример, это схема параллельного резонансного полосового фильтра, в которой варикап используется для регулировки резонансной частоты в заданном диапазоне.

Рис. 5. Схема параллельного резонансного фильтра, в которой варикап используется для регулировки резонансной частоты в заданном диапазоне.

Здесь варикап (D) действует как переменный конденсатор, который образует параллельный резонансный контур с катушкой индуктивности (L). Резонансная частота параллельного резонансного контура выражается как:

В этом случае C для емкости на самом деле является емкостью D, варикапа. В схеме варикап смещен в обратном направлении от источника напряжения V _BIAS через резистор R ₃ . Величина обратного смещения, подаваемого на варикап, регулируется переменным резистором R ₂ . Здесь R ₂ сконфигурирован для работы в качестве делителя напряжения, поэтому вращение его ручки будет изменять напряжение, подаваемое на варикап. Вращающийся R _{2 9Ручка 0103 вверх увеличивает обратное смещение, подаваемое на варикап, таким образом, емкость диода варикапа уменьшается. Используя приведенную выше формулу, уменьшение емкости приведет к увеличению резонансной частоты.}

С другой стороны, вращение ручки R ₂ вниз уменьшает обратное смещение, подаваемое на варикап, таким образом, емкость диода варикапа увеличивается. Опять же, как показывает формула, увеличение емкости приведет к уменьшению резонансной частоты.