Александр Кораблев
В кратком обзоре приведены основные сведения о конструкции и принципе действия варикапа. Показаны примеры его использования для регулирования частоты колебательного контура, модуляции частоты и регулирования полосы пропускания РЧ-фильтра.
Введение
Варикап (иногда его называют «варактор») представляет собой разновидность полупроводниковых диодов. Как правило, варикапы производятся по давно известной эпитаксиально-планарной технологии с применением кремния — или арсенида галлия, если варикап используется в ВЧ-приложениях. При изготовлении высоковольтных варикапов область p-n-перехода, выходящую на поверхность, защищают дополнительной диэлектрической пленкой или пленкой из окиси кремния SiO2. Конструктивные отличия варикапа от обычного диода незначительны, полупроводниковая пленка размещается на сильно легированной подложке, которая имеет противоположную проводимость.
Принцип действия и важные характеристики
Принцип действия варикапа основан на изменении барьерной емкости p-n-перехода под действием приложенного обратного напряжения. Именно поэтому его назвали variable capacitor, или сокращенно varicap. Краткие сведения о p-n-переходе приведены в статье «Биполярные транзисторы. Принцип работы и применение», поэтому мы не будем повторяться.
Барьерную емкость p-n-перехода можно уподобить плоскому конденсатору, емкость которого определяется по хорошо известной со школьной скамьи формуле:
C = ξS/d,
где С — емкость конденсатора; ξ — диэлектрическая проницаемость диэлектрика; S — площадь пластин; d — расстояние между пластинами.
В нашем случае расстоянием между пластинами d является ширина обедненной области p-n-перехода. Ее величина зависит от приложенного обратного напряжения UG: чем оно больше, тем больше ширина p-n-перехода, следовательно, тем меньше его емкость (рис. 1). Если легирование базы диода (n-области) равномерно, емкость варикапа обратно пропорциональна √UG. Если требуется получить иную зависимость, меняют профиль легирования базы. Зависимость С = f(UG) называется вольт-фарадной характеристикой.
Рис. 1. Изменение толщины обедненной области (d) при обратном напряжении
На рис. 2 показан пример конструкции варикапа. Пленка n-типа наложена на подложку p+ типа. На рабочем участке пленки (0; XMAX) создается требуемый профиль легирования, за пределами рабочего участка пленка легирована очень слабо и при нулевом смещении обеднена носителями. При увеличении отрицательного смещения перехода область пространственного заряда начинает заполнять рабочую область, при этом уменьшается площадь «пластин конденсатора» S и увеличивается ширина перехода d — емкость варикапа уменьшается. Емкость варикапов варьируется в пределах от единиц до десятков пикофарад.
Рис. 2. Вариант конструкции варикапа
На рис. 3 представлен пример вольт-фарадной характеристики варикапа, ее удобно изображать в полулогарифмическом масштабе.
Рис. 3. Пример вольт-фарадной характеристики варикапа
На рис. 4 показана эквивалентная схема варикапа, состоящая из следующих компонентов:
• CJ (UG) — емкость варикапа;
• RS (В) — последовательное сопротивление, зависит от приложенного напряжения;
• CP — паразитная емкость элементов корпуса;
• LP — последовательная паразитная индуктивность элементов корпуса.
Рис. 4. Эквивалентная схема варикапа
Перечислим некоторые важные параметры и характеристики варикапа, которые указываются в документации производителя:
• максимальное обратное напряжение UR;
• максимальный прямой ток;
• обратный ток при максимальном обратном напряжении;
• емкость варикапа на фиксированной частоте (обычно 1 МГц) при разных значениях UR;
• коэффициент емкости, показывает соотношение максимальной и минимальной емкости варикапа на фиксированной частоте;
• добротность Q=1/[2π х CJ х RS];
• последовательное сопротивление;
• последовательная индуктивность;
• вольт-фарадная характеристика;
• зависимость температурной чувствительности от приложенного напряжения UR;
• зависимость обратного тока IR от температуры и обратного напряжения.
Применение варикапов
Варикапы используются в генераторах, управляемых напряжением, РЧ-фильтрах, частотных и фазовых модуляторах. На рис. 5 показана простая схема регулирования частоты колебательного контура за счет изменения обратного смещения варикапа. В этой схеме на емкость варикапа влияет не только постоянное управляющее напряжения ЦАП, но и текущее напряжение колебательного контура, что приводит к его нелинейности.
Рис. 5. Простая схема регулирования частоты колебательного контура
Для того чтобы избежать нелинейности, используют два варикапа D1 и D2, включенных «спина к спине», как показано на схеме генератора, управляемого напряжением (рис. 6). В этом случае напряжение колебательного контура вызывает уменьшение емкости одного варикапа и увеличение емкости другого варикапа, поэтому общая емкость двух варикапов остается неизменной.
Рис. 6. Генератор, управляемый напряжением
На рис. 7 показана схема полосового РЧ-фильтра: его полоса пропускания регулируется с помощью варикапа VD2, а изменение центральной частоты компенсируется варикапом VD1.
Рис. 7. Схема полосового РЧ-фильтра
На рис. 8а представлена схема частотной модуляции в небольшом диапазоне частот, когда соблюдается соотношение:
(∆ω/ω0) ≈ (∆C/2C0)
где: ω0 — несущая частота; ∆ω — отклонение частоты; С0 — емкость конденсатора при частоте ω0; ∆C — изменение емкости конденсатора для желаемого отклонения частоты.
Рис. 8. а) Схема частотной модуляции
Схема замещения колебательного контура показана на рис. 8б. На схеме приняты следующие обозначения:
• СД0 — средняя емкость варикапа;
• ∆C — отклонение от средней емкости под действием управляющего напряжения ЕК;
• R — сопротивление p-n-перехода варикапа;
• r — объемное сопротивление варикапа.
Рис. 8. б) Эквивалентная схема колебательного контура