Варикап: принцип работы и применение¶

Варикап — полупроводниковый диод, электрическая ёмкость которого управляется приложенным к нему обратным напряжением. Относится к классу полупроводниковых приборов с управляемой реактивностью и используется главным образом для настройки колебательных контуров, частотной модуляции и электронной перестройки частоты. Название образовано от английских слов variable capacitance — «переменная ёмкость»; в литературе встречается также термин «варактор» (varactor).

¶Принцип работы

В основе работы варикапа лежит барьерная (зарядная) ёмкость p–n-перехода, смещённого в обратном направлении. Между областями p- и n-типа образуется обеднённая зона, лишённая подвижных носителей заряда и играющая роль диэлектрика конденсатора. Роль обкладок выполняют области с противоположным типом проводимости.

При увеличении обратного напряжения ширина обеднённой зоны растёт, а ёмкость уменьшается; при снижении напряжения — наоборот. Зависимость описывается формулой

C = C₀ / (1 + U/U_к)^n,

где C₀ — ёмкость при нулевом смещении, U_к — контактная разность потенциалов, а показатель n составляет примерно 1/2 для резкого перехода и 1/3 для плавного. Управление напряжением позволяет изменять ёмкость в несколько раз без механических перемещений, что и определяет главное достоинство прибора.

Важной характеристикой является добротность — отношение реактивного сопротивления к активному сопротивлению потерь. Она падает с ростом частоты и зависит от сопротивления базы и утечек перехода.

¶Основные параметры

¶Разновидности

• Варикапы общего применения — для перестройки контуров в радиоприёмниках и генераторах.
• Варикапы с гиперрезким переходом — обеспечивают большой коэффициент перекрытия.
• Варакторы — мощные приборы, применяемые для умножения частоты.
• Гетероструктурные варикапы — на основе арсенида галлия и подобных материалов, с высокой добротностью на СВЧ.

¶Применение

Основная область — электронная перестройка частоты: замена переменного конденсатора в контурах радиоприёмников, телевизоров, синтезаторов частот. Варикапы входят в состав генераторов, управляемых напряжением (ГУН), которые служат основой фазовой автоподстройки частоты в системах связи.

Другие применения:

• частотная и фазовая модуляция сигнала;
• умножение и деление частоты;
• параметрические усилители;
• автоподстройка и стабилизация частоты;
• согласующие и перестраиваемые фильтры в СВЧ-трактах.

¶Достоинства и ограничения

К достоинствам относят малые габариты, отсутствие механических частей, высокое быстродействие, низкое потребление и простоту управления напряжением. Ограничения связаны с нелинейностью вольт-фарадной характеристики, температурной нестабильностью, потерями на высокой частоте и ограниченным диапазоном перестройки ёмкости. В прецизионных схемах применяют термокомпенсацию и схемы стабилизации.