Варикапы: что это такое и для чего используются эти полезные компоненты

Варикапы являются неотъемлемой частью современной радиоэлектроники. Эти полупроводниковые приборы позволяют электронно управлять емкостью, что открывает широкие возможности для создания гибких и настраиваемых схем. В нашей подробной статье вы узнаете, как устроен варикап, какие параметры важны при его выборе и где применяются эти полезные компоненты.

Что такое варикап и принцип его работы

Варикап - это полупроводниковый диод, основным свойством которого является управляемая напряжением емкость p-n перехода. Название "варикап" происходит от английских слов variable (переменный) и capacity (емкость). В отличие от обычных выпрямительных диодов, варикап используется в схемах в режиме обратного включения, когда диод закрыт для протекания рабочего тока.

Работа варикапа основана на том, что при увеличении обратного напряжения высота потенциального барьера в p-n переходе возрастает. Это приводит к увеличению толщины области обеднения от носителей заряда. По сути, область обеднения выполняет роль диэлектрика в условном плоском конденсаторе. Из формулы для емкости плоского конденсатора следует, что с увеличением толщины диэлектрика емкость уменьшается. Так происходит и в варикапе - его емкость уменьшается при увеличении обратного напряжения.

Таким образом, изменяя обратное напряжение на варикапе, можно плавно управлять его емкостью, что и является основным применением варикапа в электронных схемах.

Устройство и конструкция варикапов

Варикапы изготавливаются по планарно-эпитаксиальной технологии, позволяющей получить нужный профиль легирования полупроводника и оптимизировать параметры прибора. На подложке сильнолегированного полупроводника выращивается слаболегированная эпитаксиальная пленка, на поверхности которой методом диффузии создается высоколегированный слой противоположного типа проводимости. Это и формирует p-n переход варикапа.

По конструкции варикапы выпускаются в виде:

• Дискретных компонентов (КВ105, КВ109, BB148)
• Варикапных сборок (КВС111) с несколькими варикапами в одном корпусе

Также распространены сдвоенные (два варикапа с общим катодом) и строенные (три варикапа с общим катодом) варикапы для схем с синхронной перестройкой нескольких контуров.

Основные параметры и характеристики варикапов

При выборе варикапа для конкретного применения необходимо ориентироваться на следующие основные параметры:

• Максимальное обратное напряжение
• Номинальная емкость
• Коэффициент перекрытия по емкости
• Вольт-фарадная характеристика

Максимальное обратное напряжение определяет диапазон регулировки емкости варикапа. Номинальная емкость задает начальное значение, от которого начинается уменьшение емкости при увеличении напряжения.

Коэффициент перекрытия показывает во сколько раз меняется емкость от максимального до минимального значения. Чем выше этот коэффициент, тем шире диапазон регулировки.

Вольт-фарадная характеристика наглядно демонстрирует зависимость емкости варикапа от приложенного напряжения. По ней можно определить оптимальный диапазон напряжений управления.

Также следует обращать внимание на допустимую рассеиваемую мощность и рабочую частоту варикапа, которые должны соответствовать условиям применения.

Схемы включения варикапов

Существуют три основных способа включения варикапов:

• Параллельное - варикап подключается параллельно емкости или катушке резонансного контура
• Последовательное - варикап включается последовательно в контур
• Комбинированное - используется частичное параллельное и последовательное включение

Для управления варикапом используются различные схемы формирования напряжения смещения. Часто применяется резистивный делитель напряжения с переменным резистором.

При разработке схемы следует правильно выбирать номиналы резисторов делителя, величину разделительного конденсатора, чтобы обеспечить требуемый диапазон изменения емкости варикапа без шунтирования контура.

Применение варикапов

Основные области применения варикапов:

• Перестройка частоты колебательных контуров в генераторах и радиоприемных устройствах
• Частотная модуляция сигналов
• Умножение частоты в передатчиках
• Управляемые фазовращатели

Благодаря электронному управлению емкостью варикапы позволяют реализовать плавную перестройку частоты в различных устройствах, таких как синтезаторы частоты, тюнеры, измерительные генераторы. Управление варикапом осуществляется напряжением, формируемым схемой автоматической подстройки частоты или вручную оператором.

Также варикапы используются в системах фазовой автоподстройки частоты, параметрических усилителях, преобразователях частоты. Возможности применения варикапов действительно широки благодаря гибкому управлению их основным параметром - емкостью.

Варикапы на силовой плате ИВЭПР

Рассмотрим особенности применения варикапов в изделиях компании ИВЭПР. Это российское предприятие производит широкую номенклатуру силовых преобразователей, источников питания и промышленной автоматики. Многие из этих устройств содержат платы управления, где могут использоваться варикапы.

При размещении варикапов на силовой плате ИВЭПР необходимо учитывать влияние мощных импульсных помех. Варикапы рекомендуется располагать как можно дальше от силовых цепей, применять экранирование и фильтрацию помех.

При выборе конкретного типа варикапа для силовой платы ИВЭПР следует ориентироваться на максимальное обратное напряжение, рассеиваемую мощность и рабочую частоту. Эти параметры должны соответствовать условиям в силовом устройстве.

Особое внимание нужно уделить надежной пайке и креплению SMD варикапов при монтаже на силовой плате ИВЭПР. Рекомендуется использовать бессвинцовые припои, контролировать температурные режимы.

Подбор варикапа для конкретного применения

Рассмотрим подробнее процесс выбора варикапа для использования в радиоэлектронном устройстве. Этот процесс включает несколько этапов.

Первый этап - анализ требований к параметрам варикапа, исходя из его функции в схеме. Необходимо определить:

• Требуемый диапазон регулировки емкости
• Максимально допустимое обратное напряжение
• Допустимую рассеиваемую мощность
• Рабочий частотный диапазон

На втором этапе осуществляется выбор конкретного типа варикапа, удовлетворяющего требованиям схемы с запасом по основным параметрам. Полезно рассмотреть несколько вариантов от разных производителей.

На заключительном этапе проводится оптимизация выбора с учетом дополнительных факторов, таких как стоимость, наличие на складах, удобство монтажа на плате. В результате выбирается наиболее подходящий для конкретной задачи варикап.

Варикап в схеме фазовращателя

Рассмотрим пример использования варикапа в схеме управляемого фазовращателя. Фазовращатель позволяет изменять фазу периодического сигнала в зависимости от управляющего напряжения.

Один из распространенных типов фазовращателя использует варикап в цепи генератора, управляемого напряжением (ГУН). Изменение емкости варикапа приводит к сдвигу фазы выходного сигнала ГУН.

При выборе варикапа для фазовращателя анализируются требуемый диапазон изменения фазы, рабочая частота, амплитуда сигнала. На основе этих данных выбирается оптимальный тип варикапа и схема смещения.

Таким образом, варикапы являются незаменимыми компонентами при построении схем фазовращателей, обеспечивая плавное управление фазой периодического сигнала.