Site Loader

Содержание

Варикапы | Основы электроакустики

 

Варикап – это полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости емкости от обратного напряжения. При подаче на диод обратного напряжения изменяется ширина p-n перехода, а следовательно, изменяется величина барьерной емкости. Таким образом, имеется возможность изменять емкость электрическим способом. Основной характеристикой варикапа является зависимость его емкости от обратного напряжения – вольт-фарадная характеристика. На рис.4.18 а, б показаны схематическое изображение варикапа и его вольт-фарадная характеристика.

Основными параметрами варикапов являются: 

  • общая емкость СОБЩ
  • коэффициент перекрытия по емкости КПЕР
  • добротность Q
  • постоянный обратный ток IОБР.П
  • постоянное обратное напряжение UОБР.П
  • рассеиваемая мощность PРАС 

Рис.4.18. Схематическое изображение варикапа (а) и его вольт-фарадная характеристика (б) 

Варикапы широко используются для электронной настройки колебательных контуров радиоприемных устройств и средств связи (рис. 4.19). 

Рис.4.19. Схема включения варикапа для электронной настройки 

Варикап VD1 через разделительный конденсатор C2 подключается параллельно конденсатору С1 колебательного контура. Изменяя напряжение на выходе цифро-аналогового преобразователя, можно менять емкость диода и общую емкость контура, тем самым изменяя частоту резонанса контура и его настройку.

Варикапы применяют в основном в тех устройствах где требуется изменение емкости. Наиболее частое применение у варикапов- это использование их в качестве регулируемых конденсаторов в колебательных контурах. Изменяя приложенное к нему напряжение можно управлять емкостью варикапа и следовательно менять резонансную частоту колебательного контура. Поэтому варикапы чаще всего применяют в радиоприемных устройствах: тюнерах телевизоров или радиоприемников. 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 (Uобр). Меняя величину обратного напряжения (Uобр), 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.

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 (Uобр. 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 (СВ). 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 змеряют, 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 (Cmin и Cmaх). 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 (Uобр). Это и есть Cmax и Cmin.  У импортных варикапов обычно указывается только одна величина Cd (или Cд) – ёмкость варикапа при обратном напряжении, близком к максимальному. Например, для импортного варикапа BB133 ёмкость Cd = 2,6 pF (пФ) при обратном напряжении VR = 28 V. Коэффициент перекрытия по ёмкости (Кс). Этот параметр показывает отношение максимальной ёмкости варикапа к минимальной.  Например, для отечественного варикапа КВ109А коэффициент перекрытия Кс равен 5,5. Ёмкость при Uобр = 25 В составляет 2,8 пФ (Это — Cmin). 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 -Cmax).

В документации на импортные варикапы так же указывается коэффициент перекрытия. Он называется capacitance ratio. Как видим, берётся ёмкость варикапа при обратном напряжении в 0,5 V и в 28 V. 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.

 

Russian HamRadio — Особенности применения варикапов.

Управляемые напряжением полупроводниковые конденсаторы переменной емкости — варикапы — приборы с сильно выраженной нелинейностью. По этой причине в цепях, где к варикапу приложено переменное напряжение относительно большой амплитуды, он способен преподнести сюрприз.

По сути, варикап — это обратносмещенный полупроводниковый диод. Прямая ветвь его вольт-амперной характеристики, принципиальная для основного назначения диода (выпрямление, детектирование), для варикапа несущественна. В общем случае в качестве варикапа можно использовать (и на практике это нередко реализуют) диод и даже коллекторный или эмиттерный переход биполярного транзистора.

В отличие от полупроводниковых диодов, у варикапов нормируют (и, разумеется, обеспечивают при производстве) емкость р-

n перехода при определенном напряжении смещения на нем и добротность. Заметим, что добиться добротности варикапа, заметно превышающей добротность контурной катушки, непросто. Это объясняется тем, что в варикапе, как и в любом диоде, последовательно с р-n переходом всегда включено сопротивление базовой области полупроводника, а параллельно — эквивалентное сопротивление, обусловленное обратным током через переход.

Рис.1.

Относительно низкая добротность варикапа подразумевает, в частности, необходимость учитывать ее при расчете добротности колебательного контура.

Зависимость емкости р-n перехода от приложенного к нему обратного напряжения имеет степенной характер вида С ≈ U‾n , где значение параметра n может находиться в пределах от 0,33 до 0,5 (определяется технологией изготовления перехода).

На рис. 1 показана типовая вольт-фарадная характеристика варикапа Д902, построенная в линейных координатах. Подобные характеристики можно найти в справочной литературе.

Они позволяют определить емкость варикапа при различных значениях напряжения смещения. Однако предпочтительнее иметь дело с вольт-фарадной характеристикой варикапа, построенной в «двойном» (т. е. по обеим осям) логарифмическом масштабе.

Рис.2.

Известно, что степенная функция выглядит в таком масштабе как прямая линия, причем тангенс угла ее наклона к оси ординат численно равен показателю степени функции.

На рис. 2 показан этот график для варикапа Д902. Измерив обычной линейкой стороны прямоугольного треугольника ABC, получаем для модуля показателя степени значение 0,5 (АВ/ВС). Падающий характер характеристики говорит о том, что этот показатель имеет минусовой знак. Таким образом, зависимость емкости варикапа Д902 от приложенного напряжения имеет вид С = U‾°³

.

Сказанное выше относится к «классическим» варикапам. Для увеличения эффективности управления современными варикапами при их изготовлении принимают специальные технологические меры, поэтому и вольт-фарадные характеристики могут иметь уже не столь простой вид.

Поскольку вольт-фарадная характеристика варикапа нелинейна, его использование в аппаратуре неизбежно приводит к появлению искажений. Немецкий радиолюбитель Ульрих Граф (DK4SX) провел измерения интермодуляционных искажений второго и третьего порядков в различных полосовых фильтрах, содержащих полупроводниковые

диоды [1]. Он подавал на вход фильтра (входное сопротивление 50 Ом) два сигнала с уровнем +3 дБ (10 мВ на сопротивлении 50 Ом) и анализировал спектр выходного сигнала. Значения частоты входных сигналов Граф выбирал так, чтобы продукты интермодуляции попадали в полосу пропускания фильтра.

В одном из экспериментов в двуконтурном входном полосовом фильтре постоянные конденсаторы, входящие в колебательные контуры, были заменены варикапами. Интермодуляционные составляющие второго порядка на выходе фильтра при этом возросли по уровню на 10 дБ, а третьего — почти на 50 дБ!

Рис.3.

Иными словами, варикапы во входных цепях приемников способны ухудшить их реальную избирательность, хотя, скорее всего, они так «сработают» лишь в аппаратуре относительно высокого класса (связная техника). Впрочем, и в приемнике среднего класса интермодуляция на входном варикапе может стать существенной, если приемник эксплуатируют вблизи передающих устройств.

Есть, однако, узлы, в которых к варикапу принципиально должно быть подведено относительно большое переменное напряжение — речь идет о генераторах.

Рис.4.

На рис. 3 показана широко распространенная схема включения варикапа в колебательный контур генератора, а на рис. 4 — вольт-фарадная (С) и вольт-амперная (I) характеристики варикапа и мгновенное напряжение на варикапе (Ur) при двух значениях управляющего напряжения (Uynp). Обращаем внимание, что для наглядности на графике масштаб по оси «U» вправо от нуля и по оси «I; С» вниз от нуля укрупнен.

Пока управляющее напряжение велико (Uynp1) по сравнению с амплитудой переменного напряжения (Ur), варикап работает в нормальном режиме. Но при уменьшении управляющего напряжения (Uynp2) могут наступать моменты, когда на пиках отрицательной полуволны напряжения рабочая точка варикапа будет заходить на прямую ветвь вольт-амперной характеристики и он начнет выпрямлять приложенное к нему переменное напряжение.

Как же определить границу зоны нормальной работы варикапа в генераторе? Можно, например, измерять переменное напряжение на варикапе и сравнивать его с управляющим. Для этого необходим ВЧ вольтметр с высоким входным сопротивлением и малой входной емкостью (чтобы его подключение не изменяло режима работы генератора).

Минимально допустимое управляющее напряжение на варикапе можно определить, не нарушая режима работы генератора, и с помощью частотомера. Его подключают к выходу генератора и снимают зависимость крутизны управления генератором от управляющего напряжения.

Крутизна управления — это отношение изменения частоты генератора к вызвавшему его заданному изменению управляющего напряжения AF/AU. При полном включении варикапа в контур крутизна может, например, быть описана степенной функцией (по крайней мере, для Д902), показатель которой зависит от вида вольт-фарадной характеристики варикапа. Вспомним (см. выше)

, что такая функция, если ее построить в «двойном» логарифмическом масштабе, представляет собой прямую линию. Если варикап начнет выходить из нормального режима работы, характер зависимости крутизны от управляющего напряжения изменится. Это справедливо и в более общем случае, когда варикап включен в контур не полностью или его вольт-фарадная характеристика — не степенная функция.

Поскольку вольт-фарадная характеристика нелинейна, измерения следует вести в определенной последовательности. Установив некоторое управляющее напряжение Uynp, определяют частоту генератора Fr. Затем сначала уменьшают это напряжение до Uynp — ∆Uynp, а потом увеличивают до Uynp + AUynp и считывают по табло частотомера соответствующие значения частоты Рг1 и Рг2.

Рис.5.

Крутизну управления при управляющем напряжении Uynp рассчитывают по формуле ∆F/∆U

= (Fг2-Fг1)/2∆Uупр. Абсолютное значение изменения напряжения ∆Uупр должно быть минимальным, но таким, при котором можно надежно фиксировать изменение частоты генератора. Затем устанавливают другое значение управляющего напряжения Uynp и повторяют измерения. Такая методика уменьшает влияние нелинейности вольт-фарадной характеристики варикапа на точность измерения крутизны управления.

Результаты измерений крутизны управления частотой генератора с полным включением варикапа в контур (см. рис. 3) представлены на рис. 5. Видно, что при управляющем напряжении на варикапе ниже 3,5В он выходит из нормального режима. Иначе говоря, для указанного генератора это напряжение и будет критическим.

При дальнейшем уменьшении управляющего напряжения наклон кривой может вообще изменить свой знак! Происходит это из-за уже упоминавшегося выпрямления высокочастотного напряжения, приложенного к варикапу. Выпрямленное напряжение вычитается из управляющего и начинает преобладать над ним.

Если описанная ситуация произойдет, например, с гетеродином вашего приемника, будет чему удивляться. Представьте себе — при вращении в одну и ту же сторону ручки переменного резистора «Настройка» частота приема сначала изменяется в одном направлении, затем практически перестает изменяться, а потом может пойти обратно.

Б. Степанов

Литература

:

1. Ulrich Graf. Intermodulation an passiven Schaltungsteilen. — CO DL, 1996, № 3, s. 200—205

 

Радио для всех — Варикап и датчик ИК

 

 

 

 

Варакторный диод или варикап

Представляет собой диод pn-перехода , емкость которого варьируется путем изменения обратного напряжения . Термин «варактор» берется из переменного конденсатора. Варакторный диод работает только при обратном смещении. Действует как переменный конденсатор при обратном смещении.

 

Варикап  изготавливается таким образом, что он показывает лучшее свойство переходной емкости, чем обычные диоды.

Конструкция

 Варакторный диод состоит из полупроводника p-типа и n-типа . В полупроводнике n-типа свободными электронами являются основные носители, а дырки — неосновными носителями . Таким образом, свободные электроны несут большую часть электрического тока в полупроводнике n-типа. В полупроводнике p-типа дырки являются основными носителями, а свободные электроны являются неосновными носителями. Таким образом, дырки переносят большую часть электрического тока в полупроводнике p-типа.

 

 

Область обеднения состоит из положительных и отрицательных ионов (заряженных атомов). Эти положительные и отрицательные ионы не перемещаются из одного места в другое. Область обеднения блокирует свободные электроны с n-стороны и отверстия с p-стороны. Таким образом, область истощения блокирует электрический ток через pn-переход.  Символ цепи варакторного диода почти аналогичен нормальному диоду pn-перехода.

 

 

Две параллельные линии со стороны катода представляют собой две проводящие пластины, а пространство между этими двумя параллельными линиями представляет собой диэлектрик. Варакторный диод всегда должен работать с обратным смещением. Поскольку при обратном смещении электрический ток не течет. При приложении прямого напряжения смещения электрический ток протекает через диод. В результате область истощения становится пренебрежимо малой. Мы знаем, что область истощения состоит из накопленных зарядов. Таким образом, накопленные заряды становятся пренебрежимо малыми, что нежелательно. Варикап предназначен для хранения электрического заряда, чтобы не проводить электрический ток. Таким образом, он  всегда должен работать с обратным смещением. При приложении обратного напряжения смещения электроны из n-области и дырки из p-области удаляются от перехода. В результате ширина области истощения увеличивается, а емкость уменьшается.

 

 

Однако, если приложенное обратное напряжение смещения очень низкое, емкость будет очень большой. Емкость обратно пропорциональна ширине области обеднения и прямо пропорциональна площади поверхности p-области и n-области. Таким образом, емкость уменьшается по мере увеличения ширины зоны истощения.

 

 

Если обратное напряжение смещения увеличивается, ширина области обеднения дополнительно увеличивается, а емкость дополнительно уменьшается.  С другой стороны, если обратное напряжение смещения уменьшается, ширина области истощения уменьшается и емкость увеличивается.

 

 

Таким образом, увеличение напряжения обратного смещения увеличивает ширину обедненной области и уменьшает емкость варикакторного диода. Уменьшение емкости означает уменьшение заряда аккумулятора. Таким образом, обратное напряжение смещения должно быть сведено к минимуму для достижения большого заряда аккумулятора. Таким образом, емкостная или переходная емкость может изменяться путем изменения напряжения.  В фиксированном конденсаторе емкость не изменяется, тогда как в переменном конденсаторе емкость изменяется. В варакторном диоде емкость изменяется при изменении напряжения. Таким образом, варакторный диод является переменным конденсатором. Емкость варакторного диода измеряется в пикофарадах (pF).

Применение варикапа

 ·Используется в умножителях частоты.
·В параметрических усилителях.
·Используется в управляемых напряжением генераторах.

 

ИК-датчики

Инфракрасная технология обращается к широкому спектру беспроводных приложений. Основными областями являются датчики и пульты дистанционного управления. В электромагнитном спектре инфракрасная часть разделяется на три области: ближнюю инфракрасную область, среднюю инфракрасную область и дальнюю инфракрасную область.

Ниже приведены длины волн этих областей и их применения.

 -Ближняя инфракрасная область — от 700 нм до 1400 нм — ИК-датчики, волоконно-оптические
-Средняя инфракрасная область — от 1400 до 3000 нм — Теплодатчики
-Дальняя инфракрасная область — от 3000 нм до 1 мм — Тепловидение

Диапазон частот инфракрасного излучения выше, чем в микроволновой печи и меньше, чем видимый свет.

Для оптического зондирования и оптической связи технологии фотооптики используются в ближней инфракрасной области, поскольку свет менее сложный, чем радиочастотный, когда используется как источник сигнала. Оптическая беспроводная связь осуществляется с помощью ИК-передачи данных для коротких приложений. Инфракрасный датчик излучает и / или обнаруживает инфракрасное излучение, чтобы ощутить его окружение. Работа любого ИК-датчика регулируется тремя законами: Радиационным законом Планка, законом Стефана-Больцмана и законом смещения Вина.

Основная концепция инфракрасного датчика, который используется как детектор препятствий, заключается в передаче инфракрасного сигнала, этот инфракрасный сигнал отскакивает от поверхности объекта и сигнал принимается в инфракрасном приемнике.

Типы ИК-датчиков

Инфракрасные датчики могут быть пассивными или активными. Пассивные инфракрасные датчики в основном являются инфракрасными детекторами. Пассивные инфракрасные датчики не используют инфракрасный источник и обнаруживают энергию, испускаемую препятствиями в поле зрения. Они бывают двух типов: квантовые и тепловые. Термальные инфракрасные датчики используют инфракрасную энергию в качестве источника тепла и не зависят от длины волны. Термоэлементы, пироэлектрические детекторы и болометры являются распространенными типами тепловизионных инфракрасных детекторов.

Инфракрасные детекторы квантового типа обеспечивают более высокую производительность обнаружения и работают быстрее, чем инфракрасные детекторы теплового типа. Фоточувствительность детекторов квантового типа зависит от длины волны. Квантовые детекторы делятся на два типа: внутренние и внешние. Квантовыми детекторами внутреннего типа являются фотопроводящие ячейки и фотогальванические элементы. Активные инфракрасные датчики состоят из двух элементов: инфракрасного источника и инфракрасного датчика. Инфракрасные источники включают светодиодный или инфракрасный лазерный диод. Инфракрасные детекторы включают фотодиоды или фототранзисторы. Энергия, испускаемая инфракрасным источником, отражается объектом и падает на инфракрасный детектор.

ИК-передатчик

Инфракрасный передатчик — это светодиод (LED), излучающий инфракрасное излучение. Следовательно, они называются ИК-светодиодами. Хотя ИК-светодиод выглядит как обычный светодиод, излучение, излучаемое им, невидимо для человеческого глаза.

Ниже приведено изображение типичного инфракрасного светодиода.

Существуют различные типы инфракрасных передатчиков в зависимости от их длины волн, выходной мощности и времени отклика. Простой инфракрасный передатчик может быть построен с использованием инфракрасного светодиода, токоограничивающего резистора и источника питания. Ниже приведена схема типичного ИК-передатчика.

При работе от источника 5 В ИК-передатчик потребляет ток примерно от 3 до 5 мА. Инфракрасные передатчики могут быть модулированы для получения определенной частоты инфракрасного излучения. Наиболее часто используемой модуляцией является модуляция OOK (ON-OFF-KEYING).

ИК-приемник

Инфракрасные приемники также называются инфракрасными датчиками, поскольку они обнаруживают излучение от ИК-передатчика. ИК-приемники представлены в виде фотодиодов и фототранзисторов. Инфракрасные фотодиоды отличаются от обычных фотодиодов, поскольку они обнаруживают только инфракрасное излучение. Ниже приведено изображение типичного ИК-приемника или фотодиода.

Существуют различные типы ИК-приемников на основе длины волны, напряжения, пакета и т. Д. При использовании в комбинации инфракрасного передатчика и приемника длина волны приемника должна совпадать с длиной волны передатчика.

Он состоит из ИК фототранзистора, диода, МОП-транзистора, потенциометра и светодиода. Когда фототранзистор получает какое-либо инфракрасное излучение, через него протекает ток и MOSFET включается. Это, в свою очередь, загорается светодиод, который действует как нагрузка. Потенциометр используется для управления чувствительностью фототранзистора.

Цепь обнаружения препятствия или цепь инфракрасного датчика

Ниже приведена типичная ИК-схема.

Он состоит из ИК-светодиода, фотодиода, потенциометра, операционного усилителя и светодиода. ИК-светодиод излучает инфракрасный свет. Фотодиод определяет инфракрасный свет. В качестве компаратора напряжения используется IC Op — Amp. Потенциометр используется для калибровки выходного сигнала датчика в соответствии с требованиями. Когда свет, излучаемый ИК-светодиодом, падает на фотодиод после удара объекта, сопротивление фотодиода падает с огромного значения. Один из входных сигналов операционного усилителя находится на пороговом значении, установленном потенциометром. Другой вход для ОУ — от резистора фотодиода. Когда падающее излучение больше на фотодиоде, падение напряжения на резисторе будет высоким. В ИС сравниваются как пороговое напряжение, так и напряжение на резисторе. Если напряжение на ряду резисторов до фотодиода больше, чем напряжение порогового напряжения, выход IC Op-Amp высок. Поскольку выходной сигнал микросхемы подключен к светодиоду, он загорается. Пороговое напряжение можно отрегулировать, настроив потенциометр в зависимости от условий окружающей среды. Позиционирование ИК-светодиода и ИК-приемника является важным фактором. Когда ИК-светодиод удерживается непосредственно перед ИК-приемником, эта настройка называется прямым падением. В этом случае почти все излучение от ИК-светодиода попадет на ИК-приемник. Следовательно, между инфракрасным передатчиком и приемником имеется линия прямой видимости. Если объект попадает в эту линию, он препятствует тому, чтобы излучение попало в приемник либо отражением излучения, либо поглощением излучения.

Чтобы избежать отражений от окружающих предметов, кроме объекта, необходимо как правильно прикрепить ИК-передатчик и ИК-приемник. Обычно корпус выполнен из пластика и окрашен в черный цвет.

 

 

Диод. Часть 2. Немного о конструкции и принципах

Часть 1

▌Конструкция
Диод делают из полупроводников. Вообще, изначально, полупроводниковые материалы, такие как кремний или германий ток проводят довольно хреново. У них электроны крепко держатся двумя молекулами сразу и требуется довольно большая энергия чтобы их вырвать.

Если полупроводник нагреть, облучить, подать высокое напряжение, чтобы образовалось мощное поле, которое потащит электроны, то из кристаллической решетки будет вырван электрон и будет он болтаться свободно среди молекул.
А там где он был, образуется дырка. Дырка означает не скомпенсированную электроном связь, положительно заряженную область. Сдернуть электрон из ближайшего атома в соседнюю дырку куда проще, чем просто вырвать его из решетки. При этом дырка будет уже у соседнего атома, ведь электрон то надо откуда то вырвать.


По сути, дырку можно считать положительно заряженной частицей. Потому как под действием поля дырки также мотает по всему кристаллу как и электроны. Хотя они и менее подвижные, т.к. на перемещение дырки надо больше энергии чем на перемещение электрона.

Ну вот, есть у нас такой прикольный материал у которого сопротивление зависит от приложенной к нему энергии. И что дальше?

А самое веселое начинается когда в полупроводник добавляют примеси за счет которых можно либо добавить дырок, либо свободных электронов. Накидав в кристаллическую решетку атомов с тремя или с пятью свободными электронами соответственно.

Получаются проводники p и n типа. В p — есть лишние дырки (positive), а в n — лишние электроны (negative).

Осталось только слепить два таких разнопроводимых кристалла вместе, чтобы получился pn переход. И мы получили диод. Суть в чем:

Когда ток подается вот так:

Т.е. к p-кристаллу мы подаем положительный потенциал, а на n-кристалл отрицательный, то дырки и электроны поведут себя как и подобает приличным электрическим зарядам — отталкиваясь от себе подобных и притягивясь к противоположности.

В p-кристалле электроны неудержимо потянет в плюсовой провод, следовательно дырки ломанутся в центр.
А в n-кристалле электроны из минусового провода, от источника питания, ломанутся к плюсу, тоже в центр. В центре электроны из n-кристалла запрыгнут в дырки p-кристалла и поскачут дальше к минусу (это называется рекомбинация). Т.е. через диод пойдет ток. И чем больше напряжение, тем больше дырок будет сдвигать и больше будет ток. Причем зависимость эта будет не линейная, а скорей параболическая.

Окей. С этим все понятно. Берем и меняем полярность. Что произойдет? А все то же самое, только направление движения зарядов изменится.

В p-кристалле электроны побегут в центр, значит дырки утащит к минусовому проводу, где они и останутся зиять, т.к. в металле проводника пути для них нет.

А в n-кристалле усосет все свободные электроны в источник питания. И тоже останется пустота. А, как я уже говорил, полупроводник в котором нет свободных зарядов, это хреновый проводник. Почти диэлектрик. И вот, собственно, на этом месте диод и перестает проводить ток в обратном направлении.

▌Фотодиод
Но при этом свойства полупроводника в зоне откуда убежали все свободные заряды никуда не деваются. Если полупроводник облучить, то в нем таки возникнут свободные заряды и он будет проводить ток. Так работает, например, фотодиод. Помните его схему включения?

Вот диод стоит себе в обратном направлении, сопротивление у него огромное, намного больше подтягивающего резистора и на ноге при этом возникает положительный потенциал от подтяжки. Но стоит ему засветить, как его тотчас прорывает за счет того, что его кристалл чувствителен к свету и свет из него легко выбивает заряды. Но, на самом деле, у фотодиода характеристика ВАХ еще более интересна:

Если рассмотреть его поквадрантно. То на нулевом освещении (самый верхний график) он ведет себя почти как обычный диод. Чуток травит назад, совсем мало. А прямая проводимость по той же параболе. А вот при увеличении освещения начинается самое интересное. Ну, во первых, у него резко возрастает обратный ток. Чем ярче на него светим, тем сильней. Но самое интересное это квадрант D. Если посмотреть на график, то при прямом напряжении мы имеем… обратный ток.

Т.е. фотодиод является источником энергии. Генерирует обратный ток и до поры до времени сопротивляется внешнему источнику питания. В конце концов, тот конечно его перебарывает и график уходит в квадрант А.

▌Стабилитрон
Или вот, например, стабилитрон. Тоже девайс работает в обратку. Тоже, по сути, вполне себе добропорядочный диод.

Стоит себе не пропускает, ну кроме тех случаев, когда поле (А напряженность поля напрямую зависит от напряжения. Ваш К.О.) оказывается столь сильно, что вырывает из полупроводника заряды сами по себе. И тогда он начинает подтравливать ток. Но только до тех пор, пока напряжение на нем не снизится до некого предельного уровня. Уровень этот и определяет напряжение которое стабилитрон будет стабилизировать. Причем чем больше напряжение, тем больший ток через него будет стравливаться, стараясь это напряжение удержать.

Примерно как клапан ограничения давления на паровом котле. Стоит там пружина с уставкой на давление в 5 очков, и все что выше 5 очков травит наружу.

То есть любой диод может пробивать в обратном направлении, при превышении определенного потенциала. И этот пробой является обратимым. При условии что ток при нем не был настолько большим, чтобы выделить тепло достаточное для уничтожения кристалла. Поэтому на стабилитроне и нужен резистор.

А то слишком большой ток через него потечет и он сдохнет, а так получается своего рода делитель напряжения, в котором нижнее плечо автоматом подстраивается так, чтобы на выходе было напряжение на которое заточен стабилитрон.

▌Емкость диода
Вообще, если рассматривать диод более детально, то у него есть емкость (хотя чего это я, у всего в мире есть емкость, даже у индуктивности 😉 ) и более приближенная к реальности схема диода выглядит так:

Но тут есть один нюанс. У этой емкости две природы. Когда диод пропускает в одну сторону, то у него заряжается диффузионная емкость. Т.е. кристаллы диода насыщается неосновыми зарядами. Что значит неосновными?

А то, что в p-кристалле, где должно быть, по идее, полно дырок (основных зарядов), при протекании тока от души набивается хренова куча электронов, забивает все излишние дырки, да еще сверху насыпает с горкой.

В противовес, в n-кристалле, мало того, что все электроны лишние (основной заряд) усасывает полем, так еще и дополнительно вырывает из решетки, образуя дырки (неосновной заряд).

И когда напряжение резко меняют на обратное, диод то может и закроется мгновенно, но вот из насыщенных неосновными зарядами областей пока утащит все лишние электроны и дырки, которых там не должно быть, пройдет какое то время, а эти самые неосновные заряды при исходе образуют импульс обратного тока. Короткий, конечно, как иголочка.

Но если у вас частота высокая, то эти короткие импульсы вам могут помех натворить, потребление увеличить, пробить что-нибудь не то и так далее. Диффузионная емкость зависит от прямого тока. Чем больше прямой ток, тем больше неосновных зарядов насуёт в кристаллы.

Небольшое плато — это время на то, пока растащит заряды в области pn перехода. Собственно, время закрытия самого перехода. А вот потом уже идет обычный такой разряд конденсатора — это растаскивает неосновные заряды из основного тела полупроводника. И чем это тело больше, тем дольше их будет оттуда растаскивать.

А когда диод включен обратно, то возникает барьерная емкость.

Если внимательно посмотреть на обратно смещенный диод, на что это похоже?

Два проводника, между ними диэлектрик… Правильно, на конденсатор. Ну и хрен что диэлектрик у этого конденсатора это полупроводник. При определенных условиях он же диэлектрик? Диэлектрик. Значит работать будет.

А еще расстояние между проводящими областями зависит от электрического поля. Подали посильней обратное смещение — дырки и электроны вжались в края — диэлектрический слой увеличился, ослабил поле — уменьшился. А от толщины диэлектрика напрямую зависит емкость этого импровизированного конденсатора. Т.е. барьерная емкость зависит от приложенного обратного напряжения.

Ну и обе емкости зависят от конструктива. Раньше, в советской литературе, было даже четкое деление на плоскостный и точечный диод. Т.е. у плоскостного pn переход был в виде двух плоских областей, способных пропустить через себя большой ток, но обладающих большой емкостью. А у точечного диода переход представлял собой подпружиненную иголочку с покрытием, упирающуюся в кристалл полупроводника. Площадь контакта мала, емкость мала, ток тоже мизерный.

Сейчас я такого деления как то не встречаю. Видать в западной классификации диоды по конструктиву не делят.

▌Варикап
Способность диода образовывать барьерную емкость при обратном смещении и послужило идеей для варикапа. Осталось только сделать такой диод, для которого барьерная емкость была бы максимально стабильной, не зависящей от разных там погодных условий и вуаля.

Т.е. даем отрицательное постоянное смещение, а поверх него переменный сигнал, то меняя смещение можно менять емкостное сопротивление этого конденсатора для этого переменного сигнала. Такую емкость зовут барьерной. Т.к. ее величина зависит от ширины потенциального барьера.

А как это применить тут можно многое придумать. Первое что приходит в голову разные электрически управляемые фильтры или колебательные контура. Вроде такого:

▌Шоттки
Отдельно хочу сказать о диоде Шоттки. Диод Шоттки использует не pn переход двух полупроводников. А переход полупроводник-металл. Получается примерно то же самое, но с рядом особенностей, как то:

  • Пониженное падение напряжения. Около 0.2 вольт, в отличии от типичных 0.7 вольт для простого диода.
  • Очень низкое время обратного восстановления. Так как в нем в разы меньше скапливаются неосновные заряды, а значит диффузионная емкость очень мала.

Минусы тоже значительные.

  • Самый главый минус в том, что у них намного ниже обратное напряжение чем у обычных pn диодов.
  • Также есть повышенный обратный ток. Если диод запирается в обратку почти наглухо, то тут ниппель чутка сифонит и чем выше температура, тем больше. Может до единиц, а то и десяток миллиампер (!) доходить. Особенно на мощных диодах с прямыми токами в десятки ампер.
  • А еще их обратный пробой не является обратимым. Пробило значит пробило. В помойку, без вариантов.

Вот как то так. Кратенько и по самым основам. Как раз под окончание сессии у студентов 😉

Особенности применения варикапов — Club155.ru

 

В настоящее время практически во всех перестраиваемых по частоте узлах электронной аппаратуры вместо устаревших механических методов перестройки используется электронная перестройка с помощью варикапов — полупроводниковых приборов с емкостью, зависящей от величины приложенного напряжения. Основными преимуществами данного метода являются: малые габариты узла настройки; возможность очень просто увеличить количество одновременно перестраиваемых контуров; отсутствие габаритных механических элементов, позволяющее размещать варикапы непосредственно около контурных катушек; возможность снижения паразитных излучений от элементов гетеродинов и т.п. за счет введения качественной экранировки каждого каскада; легкое сочетание плавной настройки и фиксированной, которая обеспечивается подачей на варикапы заранее установленных управляющих напряжений; хорошее согласование с цепями АПЧ; большое сопротивление механическим воздействиям, а следовательно, большая надежность и полное отсутствие микрофонного эффекта; возможность дистанционного управления и автоматизированного поиска нужной частоты без применения механических узлов. n } \),

где:

    \(K\) — постоянная величина, зависящая от геометрических размеров и физических свойств перехода (диэлектрической проницаемости материала),

    \(\varphi_к\) — контактная разность потенциалов перехода, равная 0,8…0,09 В для кремниевых варикапов и 0,35…0,45 для германиевых;

    \(n\) — показатель, зависящий от концентрации примесей в переходе, т.е. от технологии изготовления диода.

 

В наиболее распространенных в настоящее время варикапах \(n\) < 0,5. Большие значения встречаются в диодах, которые имеют повышенный коэффициент перекрытия по емкости.

 

Эквивалентная схема варикапа при работе в режиме обратного смещения представлена на рис. 3.6-52 (в схеме не показаны индуктивность выводов и емкость корпуса).

 

Рис. 3.6-52. Эквивалентная схема варикапа

 

Здесь:

    \(R_ш\) — сопротивление потерь запирающего слоя,

    \(R_п\) — последовательное сопротивление потерь материала полупроводника и контактов,

    \(C_б\) — барьерная емкость перехода. 2 R_п R_ш + 1} \)

     

    В общем случае значения \(R_п\) и \(R_ш\) также зависят от частоты сигнала. На низких частотах преобладающими являются потери в переходе, которые падают с увеличением частоты, т.е. добротность варикапа растет. На высоких частотах значительными становятся потери в материале полупроводника, а добротность варикапа падает. Частота, на которой добротность варикапа имеет максимальное значение:

    \( f_0 = \cfrac{1}{2 \pi \sqrt{R_п R_ш}}\) 

     

    при этом выражение для максимальной добротности:

    \( Q_{max} = \cfrac{1}{2} \sqrt{\cfrac{R_ш}{R_п}}\)

     

    Обычно варикапы используются на частотах приблизительно на порядок выше \(f_0\) .

     

    Добротность варикапа существенно зависит от емкости перехода, которая, в свою очередь, зависит от величины приложенного напряжения. В результате с увеличением этого напряжения добротность варикапа увеличивается. Верхней границей управляющего напряжения является максимально допустимое обратное напряжение перехода, а нижняя определяется моментом открывания перехода. Чтобы переход все время оставался обратно смещенным, минимальная величина управляющего напряжения в предельном случае должна быть не меньше амплитуды переменного напряжения ВЧ сигнала на перестраиваемом контуре. Кроме того, минимально допустимое управляющее напряжение определяется величиной допустимых искажений формы резонансной кривой контура. В случае, если амплитуда сигнала соизмерима с величиной управляющего напряжения, средняя емкость варикапа не будет равна емкости, измеренной при малом сигнале, так как емкость за один полупериод ВЧ сигнала будет изменяться больше, чем за другой (рис. 3.6-53). Поэтому с ростом амплитуды сигнала контур расстраивается и его добротность падает.

     

    Рис. 3.6-53. Искажение сильного сигнала при малом значении управляющего напряжения

     

    Поскольку, как было показано выше, с увеличением управляющего напряжения добротность варикапа увеличивается, целесообразно выбирать возможно более высокие величины управляющих напряжений. Однако с увеличением управляющего напряжения крутизна вольт-фарадной характеристики варикапа уменьшается, т.е. при больших величинах управляющих напряжений для перекрытия заданного диапазона частот необходим больший диапазон изменения управляющего напряжения. Коэффициент перекрытия рабочего диапазона частот дополнительно уменьшается из-за наличия собственной емкости контурной катушки и других подключаемых параллельно контуру конденсаторов (для подстройки, для компенсации разброса параметров контура и т.п.).

     

    Возможные схемы включения варикапа в контур (без цепей смещения по постоянному току) показаны на рис. 3.6-54. Когда необходимо обеспечить перекрытие заданного диапазона частот при минимальном возможном диапазоне управляющих напряжений, варикап в контур включают по схеме рис. 3.6-54а. Требуемый коэффициент перекрытия рабочего диапазона частот достигается соответствующим выбором емкости \(C_0\) и емкостей \(C_{min}\) и \(C_{max}\) варикапа, определяемых типом варикапа и диапазоном изменения управляющего напряжения на нем. Чем меньше значение \(C_0\), тем большее перекрытие по частоте можно обеспечить при заданном диапазоне управляющих напряжений (уменьшение \(C_0\) обычно возможно только до определенного предела, поскольку при этом для сохранения резонансной частоты контура на прежнем уровне приходится изменять намоточные данные индуктивности, входящей в контур, что увеличивает ее собственную емкость и влияет на общую добротность контура).

     

    Рис. 3.6-54. Схемы включения варикапа в контур

     

    В некоторых случаях при использовании для перестройки контуров варикапов важным фактором является обеспечение высокой добротности избирательных цепей. При этом для уменьшения влияния потерь в варикапе искусственно уменьшают долю емкости варикапа в полной емкости за счет введения дополнительных конденсаторов постоянной емкости (\(C1\) на рис. 3.6-54б) с малыми потерями. Однако для сохранения прежнего коэффициента перекрытия по частоте необходимо расширять пределы изменения управляющего напряжения варикапа и заходить в область более низких добротностей самого варикапа, так что выигрыш в добротности избирательной цепи возможен лишь при определенных соотношениях между емкостями варикапа и дополнительных конденсаторов. Наибольший выигрыш в добротности на нижнем конце диапазона частот получается при всяческом уменьшении величин емкостей конденсаторов контура.

     

    При конструировании схем с варикапами следует иметь в виду, что при изменении температуры окружающей среды емкость (и добротность) варикапов меняется. Это обусловлено изменениями контактной разности потенциалов и диэлектрической проницаемости используемого полупроводникового материала. Изменение емкости происходит в направлении увеличения общей емкости с повышением температуры, т.е. температурный коэффициент емкости варикапа (\(\alpha_C\)) положителен и зависит от величины приложенного управляющего напряжения.

    Изменение контактной разности потенциалов при изменении температуры почти линейно во всем рабочем диапазоне температур варикапа (уменьшается приблизительно на 2,3 мВ при повышении температуры на 1 °C). При малых значениях управляющих напряжений контактная разность потенциалов достаточно велика по сравнению с общим напряжением смещения на переходе, что приводит к значительному изменению емкости варикапа при колебаниях температуры. По мере увеличения управляющего напряжения изменения емкости становятся менее значительными. Для кремниевых варикапов в интервале управляющих напряжений 2…10 В значение \(\alpha_C\) примерно обратно пропорционально величине управляющего напряжения.

    При значениях управляющих напряжений, больших чем 15…20 В, величина \(\alpha_C\) почти не зависит от приложенного напряжения и определяется температурной зависимостью диэлектрической проницаемости материала перехода, которая остается постоянной во всем диапазоне изменения управляющего напряжения.

    Поскольку изменение емкости варикапа под влиянием температуры окружающей среды возникает за счет двух несвязанных между собой факторов, лучшая температурная компенсация достигается, если обеспечить отдельную компенсацию обоих эффектов.

    В зависимости от выбранного диапазона управляющих напряжений и от требований к точности компенсации \(\alpha_C\) в схему могут вводиться различные элементы, компенсирующие влияние температуры либо на изменение контактной разности потенциалов, либо на изменение диэлектрической проницаемости полупроводникового материала перехода, либо одновременно на то и другое. Простые методы температурной компенсации, когда в контур включаются конденсаторы с отрицательным температурным коэффициентом емкости, могут использоваться лишь в схемах с малыми пределами изменения управляющих напряжений (не более 1,5…2 раза).

    Для компенсации изменения контактной разности потенциалов достаточно добавить дополнительный источник управляющего напряжения (корректирующее напряжение), включив его последовательно с основным источником. Такое корректирующее напряжение должно иметь противоположную полярность и не зависеть от величины основного управляющего напряжения, но зависеть от температуры также, как и величина контактной разности потенциалов варикапа. Требуемую характеристику можно получить от прямосмещенного кремниевого диода. На рис. 3.6‑55 показана схема, обеспечивающая компенсацию температурных изменений контактной разности потенциалов варикапа с помощью кремниевого диода, на который подано напряжение прямого смещения.

     

    Рис. 3.6-55. Схема компенсации температурного изменения контактной разности потенциалов варикапа с помощью прямосмещенного диода

     

    Ток смещения диода \(VD2\) в схеме рис. 3.6‑55 должен быть выбран достаточно высоким с тем, чтобы не сказывалось влияние обратного тока варикапа (значения порядка 50…100 мА можно считать вполне достаточными для большинства случаев применения данной схемы, они обеспечивают приемлемую компенсацию вплоть до 150 °C). Компенсирующий диод должен иметь ту же самую температуру, что и варикап, а управляющее напряжение должно быть больше, чем напряжение, которое падает на диоде \(VD2\).

     

    Для компенсации изменения диэлектрической проницаемости материала перехода от температуры в цепь питания варикапа вводят термосопротивление с отрицательным температурным коэффициентом. Такая схема компенсации показана на рис. 3.6-56. изменение сопротивления термистора должно быть таким, чтобы обеспечить необходимое изменение напряжения на регулировочном потенциометре. При необходимости введения более точной температурной компенсации используют оба рассмотренных метода.

     

    Рис. 3.6-56. Схема компенсации температурного изменения диэлектрической проницаемости полупроводникового материала перехода варикапа с помощью терморезистора

     

    Дополнительным источником температурной нестабильности является обратный ток варикапа, который у кремниевых диодов при нормальной комнатной температуре бывает порядка 0,01 мкА. С повышением температуры он значительно возрастает. Для подачи управляющего напряжения на варикап могут использоваться последовательная (рис. 3.6-57а) и параллельная (рис. 3.6-57б) схемы. Наличие влияния обратного тока возможно только в схеме на рис. 3.6-57б.

     

    Рис. 3.6-57. Последовательная (а) и параллельная (б) схемы подачи управляющего напряжения на варикап

     

    Температурное изменение обратного тока варикапа может привести к изменению падения напряжения на любом сопротивлении, включенном последовательно между варикапом и источником питания, что в результате приведет к изменению напряжения смещения на диоде, изменению его емкости и расстройке контура. Таким образом, наличие обратного тока варикапа ограничивает максимально допустимое сопротивление в цепи подачи управляющего напряжения в схеме параллельного питания. Поэтому для питания варикапов следует применять источники управляющего напряжения с возможно меньшим внутренним сопротивлением (приемлемыми считаются величины порядка 1…10 кОм), а для развязки цепей питания вместо последовательных сопротивлений использовать ВЧ дроссели.

     

    Как уже отмечалось, контур, перестраиваемый варикапом, при малых величинах управляющего напряжения и больших уровнях принимаемого сигнала имеет недостатки, выражающиеся в изменении емкости диода в такт с изменением переменного напряжения и в сдвиге среднего значения емкости в связи с тем, что положительная и отрицательная полуволны вызывают различное изменение мгновенного значения емкости. Из-за изменения мгновенного значения емкости переменное напряжение ВЧ сильно искажается. Кроме того, из-за изменения среднего значения емкости ухудшается стабильность настройки контура. Нелинейные эффекты в контуре с варикапом начинаются уже с момента, когда приложенное переменное напряжение достигает примерно 1/3 величины постоянного управляющего напряжения.

    Характеристика контура с варикапом может быть значительно улучшена за счет применения двух варикапов, включенных по переменному току последовательно в противофазе, а по постоянному току — параллельно (рис. 3.6-58). В этом случае на каждый варикап приходится лишь половина величины общего переменного напряжения сигнала, т.е. в два раза улучшается соотношение величин постоянного и переменного напряжений на варикапе, а благодаря противофазному включению незначительные и противоположно направленные изменения мгновенной емкости взаимно компенсируют друг друга (т.е. мгновенное значение общей емкости контура остается практически постоянным).

     

    Рис. 3.6-58. Встречное включение варикапов, компенсирующее нелинейные искажения ВЧ-сигнала в контуре

     

    Очевидно, что используемые в схеме на рис. 3.6‑58 варикапы должны иметь максимально схожие вольт-фарадные характеристики. Для применения в таких случаях выпускаются варикапы специально подобранные в пары (тройки, четверки и т.д.), а также варикапные матрицы, в которых в одном корпусе собрано несколько варикапов с одинаковыми характеристиками. Кроме встречного включения в одном контуре такие приборы применяются там, где необходимо обеспечить идентичное управление несколькими сопряженными контурами.

     

    Кроме рассмотренных выше способов использования варикапов для перестройки резонансных контуров, эти диоды могут также использоваться и для других регулировок, осуществляемых изменением емкости. Примером может служить применение варикапов для регулирования полосы пропускания тракта промежуточной частоты. Такое регулирование может осуществляться либо за счет механического изменения связи между контурами, либо за счет переключения емкостей связи. Для регулирования ширины полосы с помощью варикапов их можно включить в качестве емкости связи между двумя контурами полосового фильтра (рис. 3.6‑59).

     

    Рис. 3.6-59. Использование варикапа для регулировки полосы пропускания полосового фильтра

     

    В такой схеме при изменении управляющего напряжения на варикапе ширина полосы пропускания фильтра может изменяться в 2…3 раза. Однако наряду с изменением ширины полосы пропускания при изменении управляющего напряжения будет происходить и некоторое смещение средней частоты. Этот недостаток можно уменьшить за счет применения большего числа варикапов. На рис. 3.6-60 приведена схема с двумя варикапами. Здесь варикап \(VD2\) обеспечивает изменение ширины полосы за счет изменения связи между контурами, а получающееся при этом нежелательное смещение средней частоты в сторону меньших частот компенсируется перестройкой первого контура варикапом \(VD1\). Расширение полосы в такой схеме больше, чем в схеме с одним диодом при одинаковых управляющих напряжениях, а смещение средней частоты настройки значительно меньше.

     

    Рис. 3.6-60. Регулировка полосы пропускания полосового фильтра с помощью двух варикапов

     

    Для еще более точной компенсации ухода средней частоты, можно использовать три варикапа, т.е. аналогично \(VD1\) в первом контуре включить варикап во второй контур.

    К сожалению, при прохождении ВЧ сигнала через последовательно включенный варикап его форма значительно искажается. Поэтому в высококачественных системах обычно используют более сложные схемы перестраиваемых фильтров, где несколько включенных встречно и противофазно варикапов осуществляют сопряженное управление несколькими контурами.

     

     

    < Предыдущая   Следующая >

    Что такое диод варикап?

    В электронике варикапный диод, варакторный диод, диод с переменной емкостью, диод с регулируемым реактивным сопротивлением или регулировочный диод — это тип диода, предназначенный для использования зависящей от напряжения емкости инвертированного p-n перехода.

    Вараторы работают в реверсивном состоянии, поэтому постоянный ток не проходит через устройство. Величина обратной поляризации определяет толщину обедненной области и, следовательно, емкость варакторного перехода.Как правило, толщина области истощения пропорциональна квадратному корню из приложенного напряжения, а емкость обратно пропорциональна толщине области истощения. Таким образом, емкость обратно пропорциональна квадратному корню из приложенного напряжения.

    Все диоды имеют эту переменную емкость перехода, но варакторы производятся для использования этого эффекта и увеличения изменения емкости.

    Пример поперечного сечения варактора со слоем обеднения, образованным p-n переходом.Этот обедненный слой также может быть изготовлен из МОП-транзистора или диода Шоттки. Это важно в технологиях CMOS и MMIC.

    Как правило, использование варикапа в цепи требует подключения к настроенной цепи, как правило, параллельно любой существующей емкости или индуктивности. Поскольку постоянное напряжение должно прикладывать обратное смещение к варикапу, чтобы изменить его емкость, его вход в регулируемую цепь должен быть заблокирован.

    Это достигается путем последовательного включения блокирующего конденсатора по постоянному току емкостью, примерно в 100 раз превышающей максимальную емкость варикапа, и подачи постоянного тока от источника с высоким импедансом в узел между катодом варикапа и блокирующим конденсатором.

    Пример схемы с использованием варикапов

    Поскольку в варикапе нет значительных значений постоянного тока, значение резистора, связывающего катод обратно с постоянным управляющим напряжением, может быть где-то в диапазоне от 22 кОм до 150 кОм, а затвор конденсатора где-то в диапазоне 5- 100 нФ. Иногда при очень высокой добротности цепей последовательно с резистором помещают дроссель для увеличения импеданса источника управляющего напряжения, чтобы установленная цепь не нагружала и не падала добротность.

    Что такое варакторный диод и как он работает?

    Что такое варакторный диод и как он работает? Варакторный диод также называют диодом с регулируемой емкостью напряжения. Другие названия варакторного диода — варикап, эпикап или настроечный диод, поскольку он используется в схемах настройки, которые мы будем изучать дальше. В основном используется в коммуникационном оборудовании, FM-приемниках и т. д.

    Основная идея варакторного диода

    Поскольку мы знаем, что в диоде общего назначения обедненные слои существуют между материалом p- и n-типа.Эта ширина обедненного слоя увеличивается, когда диод смещен в обратном направлении. Чем больше обратных напряжений, тем выше барьерный потенциал. Следовательно, вызывая более широкую область истощения. Этот обедненный слой действует как диэлектрик, в то время как области n и p действуют как пластины конденсатора. Как мы знаем, существует обратная зависимость между емкостью и расстоянием между двумя пластинами. Итак, по следующей формуле

    не определено

    емкость уменьшается с увеличением обратного напряжения.Эквивалентная схема переменного тока (b) демонстрирует свойство переменной емкости при обратном смещении. Поскольку в режиме прямого смещения область обеднения не сильно изменяется, варакторный диод работает в режиме обратного смещения.

    На рис. (г) показано соотношение между обратными напряжениями и емкостью. Можно заметить, что с увеличением обратного напряжения емкость уменьшается.

    Использование варикапа

    Варакторный диод соединен параллельно с катушкой индуктивности, образуя параллельный резонансный контур . Это цепи, которые резонируют на одной частоте, называемой резонансной частотой . При изменении напряжения обратного смещения эта частота также изменяется. Этот принцип используется для настройки телевизоров, радиоприемников и т. д.

    Характеристики варикапа

    Поскольку емкость диода варактора регулируется обратным напряжением, эти диоды заменили механические конденсаторы во многих цепях связи. В технических описаниях указан коэффициент настройки для диапазона обратного напряжения. Диапазон настройки зависит от уровня легирования. Для диода общего назначения коэффициент настройки одинаков и находится между 3:1 и 4:1. Такие типы диодов имеют резкий переход, как показано на рисунке ниже. В то время как другие диоды имеют сверхрезкий переход. Коэффициент настройки увеличивается по мере приближения к перекрестку. Высокий уровень легирования вызывает узкую область обеднения, что увеличивает емкость. Сверхрезкие переходы имеют коэффициент настройки около 10:1, что хорошо для настройки АМ-радиостанций.

    Применение варикапа

    На следующем рисунке показано применение варакторов в качестве тюнеров для резонансных цепей.

    Транзистор — это полупроводниковый прибор, который работает как источник тока. На приведенном выше рисунке (а) полупроводник откачивает фиксированное количество миллиампер в полную цепь резервуара LC. Отрицательное постоянное напряжение инвертирует наклон варактора. Изменяя это постоянное управляющее напряжение, мы можем изменить полную повторяемость LC-цепи.Учитывая все обстоятельства, мы можем использовать ту же схему, что и на рис. (b). Конденсатор связи действует как короткое замыкание. Источник переменного тока приводит в действие громоподобную LC-цепь. Демонстрация варактора похожа на переменную емкость, что означает, что мы можем изменить громкое повторение, изменив управляющее напряжение постоянного тока. Это основная мысль, стоящая за настройкой некоторых радио- и телевизионных входов.

    Также читайте здесь:

    https://eevibes.com/how-tunnel-diode-works/

    Как работает туннельный диод?

    Что такое варакторные диоды? — Utmel

    Варакторные диоды, также известные как «диоды с переменным реактивным сопротивлением», изготовлены с использованием характеристики, согласно которой емкость перехода изменяется в зависимости от приложенного напряжения, когда PN-переход смещен в обратном направлении. При увеличении обратного напряжения смещения емкость перехода уменьшается, наоборот, емкость перехода увеличивается.

    Каталог

     

    Ⅰ Введение

    Емкость варакторного диода обычно невелика, и ее максимальное значение составляет от десятков пикофарад до сотен пикофарад. Отношение максимальной емкости к минимальной емкости составляет примерно 5:1. Он в основном используется для автоматической настройки, частотной модуляции и выравнивания в высокочастотных цепях, таких как переменные конденсаторы в контуре настройки телевизионного приемника.

    Основными особенностями варакторных диодов являются малые габариты, пыле- и влагозащищенность, ударо- и виброустойчивость, длительный срок службы. Например, использование варакторных диодов в схеме тюнера FM-радиоприемников не только совершенно по-новому заменяет механизм настройки обычных переменных конденсаторов, но и порождает множество новых технологий, таких как автоматическая настройка и предварительный выбор программ. Эти технологии подняли FM-радио на новый уровень с точки зрения качества и простоты использования.

    Ⅱ Характеристики варакторных диодов

     

    Варакторный диод

    Внешние условия варакторного диода аналогичны стабилитрону.Он должен работать в области смещения обратного напряжения (стабилитрон работает в состоянии обратного пробоя). Когда на варакторный диод подается обратное напряжение, PN-переход внутри становится толще, как показано на рисунке. Чем выше обратное напряжение, тем толще PN-переход. Поскольку PN-переход препятствует прохождению тока, варакторный диод во время работы находится в выключенном состоянии. Здесь PN-переход эквивалентен изолирующей среде между двумя пластинами обычного конденсатора.Полупроводник P-типа и полупроводник N-типа соответственно эквивалентны двум пластинам обычного конденсатора. То есть варакторный диод в выключенном состоянии, его внутренняя структура А, эквивалентная плоскому конденсатору, формируется, и этот «конденсатор» называется емкостью перехода. Полупроводники P-типа и N-типа обычных диодов относительно малы, а образующаяся емкость перехода мала и ею можно пренебречь; а площадь полупроводников P-типа и N-типа намеренно увеличивают при изготовлении варакторных диодов, тем самым увеличивая емкость перехода.В условиях обратного смещения емкость и варакторный эффект значительно усиливаются.

     

    Формирование емкости перехода варактора

    Варакторный диод можно рассматривать как переменный конденсатор малой емкости. Чтобы изменить частоту, мы можем подключить варакторный диод к контуру настройки и управлять обратным напряжением, подаваемым на варакторный диод. Электронный тюнер из варакторного диода имеет простую конструкцию, надежный контакт и удобное изготовление, позволяет реализовать задачи дистанционного управления и точной настройки.В настоящее время он широко используется в цветных телевизорах, FM-приемниках и различных устройствах связи. Кроме того, варакторные диоды также могут использоваться для различных целей, таких как частотная модуляция, развертка, автоматическая точная настройка частоты и управление.

    Функция варакторного диода заключается в использовании принципа переменной емкости между PN-переходами для изготовления полупроводниковых устройств, которые используются в качестве переменных конденсаторов в высокочастотных цепях настройки и связи.

    Варакторные диоды представляют собой диоды с обратным смещением. Изменение напряжения обратного смещения на PN-переходе может изменить емкость PN-перехода. Чем выше обратное смещение, тем меньше емкость перехода, а связь между обратным смещением и емкостью перехода нелинейна.

     

    Варакторы и обратное смещение

    Диаграмма зависимости между значением емкости варикапа и значением обратного смещения:

    (a) Напряжение обратного смещения увеличивается, вызывая уменьшение емкости;

    (b) Напряжение обратного смещения уменьшается, что приводит к увеличению емкости.

    Допустимый диапазон емкости — это диапазон емкости определенного варакторного диода. В таблице данных будут отображаться минимальные, номинальные и максимальные значения, которые часто рисуются на графике.

    Ⅲ Обозначение варакторных диодов

    Новое стандартное обозначение схемы варакторного диода показано ниже. Графический символ создается путем добавления символа конденсатора рядом с символом обычного кристаллического диода, что наглядно показывает, что это специальный варакторный диод.

     

    Обозначение варакторных диодов

    Примечание: Полярность «+» и «-» рядом с графическим обозначением варакторного диода (добавлено для удобства пояснения задачи, при чертеже не добавляется схема), не означает, что трубка подключается в обратном направлении, когда она подключена к цепи.Полярность рабочего напряжения относится к полярности самой трубки.

    Варакторный диод должен быть подключен к обратному постоянному напряжению в цепи, то есть отрицательный полюс трубки подключен к высокому потенциалу в цепи, а положительный полюс подключен к низкому потенциалу, чтобы обеспечить его нормальную работу. Текстовые символы варакторных диодов точно такие же, как у обычных кварцевых диодов, и часто обозначаются буквами «VD» или «V». Если на принципиальной схеме есть несколько компонентов одного типа, вы можете добавить номер после текстового символа, чтобы показать разницу, например, VD1, VD2.

    Ⅳ Основные параметры варакторных диодов

    Основные параметры варакторных диодов включают емкость перехода, диапазон изменения емкости перехода, максимальное обратное рабочее напряжение, коэффициент емкости, значение добротности и т. д., и их конкретные определения приведены ниже.

    Емкость перехода . Это относится к емкости PN-перехода внутри варакторного диода при определенном обратном напряжении постоянного тока. Например, емкость перехода варакторного диода 2GB12 составляет 15~18 пФ при обратном напряжении 3 В и 2.5~3,5 пФ при обратном напряжении 30 В.

    Диапазон емкости перехода . Это относится к диапазону изменения емкости перехода, когда обратное напряжение постоянного тока варакторного диода изменяется от 0 В до определенного значения напряжения. Например, емкость перехода варакторного диода 2СС13А варьируется от 30 до 70 пФ.

    Максимальное обратное рабочее напряжение . Это относится к максимальному значению обратного напряжения постоянного тока, которое разрешено прикладывать к обоим концам варакторного диода во время нормальной работы.Превышать это значение во время эксплуатации не допускается, иначе труба может выйти из строя. Например, максимальное обратное рабочее напряжение варакторного диода 2CCIB равно 20 В, а максимальное обратное рабочее напряжение варакторного диода 2CCIF равно 60 В.

    Коэффициент емкости . Это относится к отношению максимальной емкости к минимальной емкости в пределах диапазона изменения емкости перехода и отражает возможность изменения емкости варакторного диода.

    Значение Q . Это добротность варакторного диода, отражающая потери энергии контура при включении трубки в цепь. Например, добротность варакторного диода 2CCIB не менее 2, а добротность варакторного диода 2CC17B не менее 100. Величина добротности изменяется в зависимости от частоты и напряжения смещения. На определенной частоте, чем больше значение добротности, тем меньше потери варакторного диода и тем лучше качество варакторного диода.

    Ⅴ Принцип работы варакторных диодов

    Варакторные диоды представляют собой разновидность специальных диодов. Когда применяется прямое смещение, генерируется большой ток, и область обеднения PN-перехода (положительного и отрицательного) становится уже. И емкость становится больше, что приводит к эффекту диффузионной емкости; когда применяется обратное смещение, возникает эффект переходной емкости. Однако, поскольку при прямом смещении будет генерироваться ток утечки, обратное смещение подается во всех приложениях.

    Варакторы, также называемые варакторами, управляемыми напряжением, представляют собой полупроводники, которые изменяют емкость перехода в соответствии с изменениями подаваемого напряжения. Другими словами, в качестве переменного конденсатора его можно использовать в резонансных цепях, таких как FM-тюнеры и ТВ-тюнеры, а также в цепях FM-модуляции.

    На самом деле, мы можем думать об этом как о соединении PN. Мы считаем, что если к PN-переходу приложить обратное напряжение V (варикапные диоды используются в обратном направлении), то электроны в полупроводнике N-типа направляются к положительному полюсу, а дырки в полупроводнике P-типа направляются к положительному полюсу. отрицательного электрода, а затем образуется обедненный слой, в котором нет ни электронов, ни дырок.Ширина обедненного слоя задается как d, которая изменяется с обратным напряжением V. Таким образом, при увеличении обратного напряжения V обедненный слой d становится шире, а емкость C диода уменьшается (согласно C= кСм/д). при уменьшении обратного напряжения ширина слоя обеднения d уменьшается, а емкость диода увеличивается. Изменение обратного напряжения V вызывает изменение обедненного слоя, тем самым изменяя емкость перехода С управляемого напряжением варактора.

     

    Эквивалентная схема варакторного диода

    Рисунок (а) эквивалентная схема варакторных диодов (б) упрощенная эквивалентная схема варакторных диодов, где RP — сопротивление перехода обратного напряжения смещения; LS’ — индуктивность внешнего вывода; LS — внутренняя индуктивность выводов; CC – емкость упаковки; RS — сопротивление корпуса диода; CJ – емкость перехода.

    Обычно индуктивность и емкость корпуса в эквивалентной схеме можно не указывать.Упрощенная эквивалентная схема показана на рисунке (b). Как правило, зависимость между варакторным диодом и приложенным напряжением может быть выражена как

    Варакторные диоды представляют собой полупроводниковые устройства, изготовленные по принципу переменной емкости между PN-переходами. Они используются в качестве переменных конденсаторов в высокочастотных цепях настройки и связи.

    Варакторы поставляются в различных формах упаковки, таких как стеклянная упаковка, пластиковая упаковка, металлическая упаковка (золотая упаковка) и упаковка с бессвинцовой поверхностью, как показано на рисунке.Как правило, варакторы малой и средней мощности герметизируются стеклом, пластиком или поверхностной упаковкой, тогда как варакторы большей мощности чаще всего герметизируются золотом.

     

    Форма корпуса варакторного диода

    Ⅵ Применение варакторных диодов

    Материал в основном представляет собой монокристалл кремния или арсенида галлия, и используется эпитаксиальная технология. Чем больше напряжение обратного смещения, тем меньше емкость перехода. Варакторы имеют ряд сопротивлений, связанных с удельным сопротивлением материала подложки.Для различных целей следует выбирать варакторные диоды с различными характеристиками C и Vr, например, электронные варакторные диоды, предназначенные для настройки резонансного контура, параметрические варакторные диоды, подходящие для параметрических усилителей.

    Маломощные диоды, используемые для автоматической регулировки частоты (АЧХ) и настройки, называются варакторными диодами. При подаче обратного напряжения изменяется электростатическая емкость PN-перехода. Поэтому он используется для автоматического управления частотой, развертки, частотной модуляции и настройки.Хотя используются диффузионные диоды на основе кремния, также могут использоваться специально изготовленные диоды, такие как диоды диффузионного типа, диоды с эпитаксиальным соединением, диоды с двойной диффузией и т. д. Эти диоды имеют особенно большую скорость изменения емкости по напряжению. Емкость перехода изменяется с обратным напряжением VR и заменяет переменную емкость. Он используется в качестве контура настройки, колебательного контура и контура фазовой автоподстройки частоты. Он часто используется в схеме преобразования каналов и настройки ТВ-тюнера.

    Типовая схема применения варакторного диода 1

     

    Типовая схема применения варакторного диода

    параллельный резонансный контур LC. Положительное постоянное напряжение подается на отрицательный полюс VD1 через резистор R1. При изменении величины этого постоянного напряжения изменяется величина напряжения обратного смещения, добавляемого к VD1, а также изменяется величина его переходной емкости.Таким образом, изменяется и резонансная частота LC-параллельного резонансного контура.

    На варакторный диод подается обратное постоянное напряжение смещения. При изменении напряжения обратного смещения изменяется емкость перехода варакторного диода.

    Емкость перехода варакторного диода и общая емкость последовательных конденсаторов C1 подключены параллельно L1. Емкость перехода варакторного диода представляет собой просто конденсатор переменной емкости в этой параллельной LC-цепи. Изменение емкости варакторного диода может изменить резонансную частоту LC-параллельного резонансного контура.

    Типовая схема применения варикапа 2

     

    Схема настройки варикапа

    Варакторы представляют собой электронные конденсаторы переменной емкости. Другими словами, емкость переменного диода является функцией потенциала обратного смещения. На рисунке ниже показана типичная схема LC-генератора, настроенная с помощью варикапа. Функция индуктора L2 связи контура состоит в том, чтобы вводить радиочастотный сигнал в колебательный контур, когда колебательный контур используется в качестве усилителя радиочастоты.Основной колебательный контур LC включает основную катушку индуктивности L1 и последовательную цепь конденсаторов C1 и CR1. Кроме того, необходимо учитывать паразитную емкость Cs, широко распространенную в электронных схемах. Функция конденсатора С2 заключается в фильтрации напряжения настройки Vin.

    Поскольку настройка LC является функцией резонансной частоты колебательного контура как функции LC, отношение максимальной к минимальной резонансной частоте колебательного контура изменяется пропорционально квадратному корню из отношения емкостей.Отношение емкостей здесь относится к отношению емкости, когда напряжение обратного смещения является наименьшим, к емкости, когда напряжение обратного смещения является наибольшим. Следовательно, кривая характеристики настройки (напряжение смещения-резонансная частота) схемы в основном представляет собой параболу.

     

    Рекомендуемая статья:

    Основы коммутации диодов: работа, типы и анализ цепей

    Учебное пособие по диодам: как тестировать диоды?

    Варакторные диоды, подстроечные диоды, варикап, вольткап

    Варакторный диод или варикап представляет собой полупроводниковый диод, емкость перехода которого значительно изменяется в зависимости от приложенного обратного напряжения смещения.Многие полупроводниковые диоды с PN-переходом сконструированы по-разному, чтобы проявлять определенные электрические свойства. Одним из таких полупроводниковых диодов является варактор или варикап. Он специально разработан для демонстрации уникальных характеристик емкости перехода. Эти диоды используются в радиочастотных схемах для настройки сигналов. Вот почему класс варакторных диодов также называют тюнерными диодами.

    Пример варакторных диодов.

    Следует отметить, что требуемая работа варакторного диода достигается только в условиях обратного смещения.Почему? мы узнаем позже в этой статье. В условиях обратного смещения внутренняя емкость диода значительно изменяется по отношению к приложенному обратному напряжению. Поэтому важной характеристикой варакторного диода является не напряжение-ток, а напряжение-емкость.

    Что такое варакторный диод или варикапный диод?
    Варакторный диод представляет собой полупроводниковый диод, внутренняя емкость которого изменяется в зависимости от приложенного обратного напряжения. Это управляемое напряжением устройство, которое действует как переменный полупроводниковый конденсатор.Его также называют варикапным диодом, тюнерным диодом, настроечным диодом, вольткапом или переменной емкостью по напряжению.

    Варакторные диоды обозначаются на электронных схемах множеством символов. Наиболее популярные символы для обозначения варакторного диода в цепи показаны ниже.

    Символ варакторного диода.

    Конструкция варакторного диода
    Варакторные диоды имеют очень узкую область обеднения. Это просто полупроводниковый диод со слоями p-типа и n-типа.Слой n-типа соединен с позолоченным молибденовым стержнем через меза-структуру. Это работает как катод диода. Слой p-типа соединен с другим позолоченным молибденовым стержнем через золотую проволоку. Это работает как анод диода. Очевидно, что полярность диода действительно важна, а полярность варакторного диода еще важнее, так как он должен работать, по существу, только при обратном смещении. Полярность часто указывается путем обозначения катода точкой, другой структурой свинца или полосой.

    Варикап доступен как в корпусах для сквозных отверстий, так и в корпусах для поверхностного монтажа. В корпусах со сквозными отверстиями катод часто обозначается точкой или отчетливой структурой свинца. Корпуса SMD имеют катод, обозначенный точкой или полосой на одном конце. Варакторные диоды выпускаются в корпусах Transistor Outline (TO), Diode Outline (DO), Small Outline Diode (SOD) и Small Outline Transistor (SOT). В некоторых упаковках можно увидеть три клеммы, из которых нужно подключить только две. Варакторные диоды, предназначенные для работы на низких частотах, изготовлены из кремния, а для работы на высоких частотах — из арсенида галлия.

    Одной из уникальных особенностей варакторных диодов является их легирование. В отличие от обычных полупроводниковых диодов (сигнальных и силовых), имеющих равномерное легирование по всему p- и n-слою, в варакторных диодах концентрация примесных атомов меньше вблизи перехода, которая постепенно увеличивается в остальной части p-слоя. тип и n-тип слоев. Этот тип легирования делается для уменьшения длины обедненной области.

    Как работает варикап
    Предполагается, что варикап будет работать как переменный конденсатор.Конденсатор — это электрическое устройство, которое накапливает заряд, когда на него подается напряжение. Когда напряжение меняется на противоположное, конденсатор разряжает накопленный заряд. Когда конденсатор заряжается, через него протекает ток, создавая вокруг него электростатическое поле. Когда конденсатор разряжается через нагрузку или при отрицательном цикле сигнала переменного тока, он позволяет току течь через него в обратном направлении, пока его пластины не будут электрически нейтрализованы. Емкость конденсатора — это не что иное, как мера заряда, который он может хранить относительно приложенного зарядного напряжения.Конденсатор способен накапливать заряд из-за противодействия протеканию через него тока его диэлектрической средой, расположенной между двумя проводящими поверхностями.

    Диод имеет переходную и диффузионную емкости. Емкость показана диодом, потому что область обеднения не содержит свободных носителей заряда, действующих как диэлектрическая среда. Слой отрицательно заряженных ионов в материале p-типа и слой положительно заряженных ионов в материале n-типа действуют как проводящие поверхности, на которых сохраняется заряд при отсутствии смещения или приложении обратного напряжения смещения.

    Варакторный диод имеет узкую область обеднения. Благодаря уникальному характеру легирования и физической структуре диода длина области обеднения резко меняется при приложении обратного напряжения смещения. Емкость или емкость накопления заряда конденсаторного устройства обратно пропорциональна расстоянию между его проводящими поверхностями и прямо пропорциональна площади проводящих поверхностей. Варакторный диод имеет большую площадь перехода и узкую область обеднения.Это достигается за счет мезаструктуры диода на катодном конце и уникальной картины легирования. В несмещенном состоянии диод имеет наибольшую емкость. В условиях обратного смещения по мере увеличения напряжения обратного смещения длина обедненной области увеличивается, а емкость перехода диода уменьшается. При прямом смещении область обеднения постепенно исчезает при прямом напряжении, и диод переходит в состояние проводимости. Итак, если варакторный диод работает как переменный конденсатор, управляемый напряжением, он должен быть подключен с обратным смещением.

    Характеристики варакторных диодов
    В отличие от обычных диодов, для которых наиболее важными характеристиками являются вольтамперные характеристики, для варакторных диодов наиболее важными электрическими характеристиками являются вольтамперные характеристики. Варикап рассчитан на изменение емкости в широком диапазоне по отношению к приложенному обратному напряжению. Типичный график зависимости напряжения от емкости варакторного диода показан ниже.

    Вольт-емкостные характеристики варикапа

    Типы варакторных диодов
    Варакторные диоды классифицируются как варакторные диоды с резким перепадом напряжения и варакторные диоды с очень резким перепадом напряжения.В резких варакторных диодах легирование линейно увеличивается от области обеднения к выводам диода. В результате емкость почти линейно уменьшается с ростом обратного напряжения. В сверхрезких варакторных диодах легирование нелинейно увеличивается от области обеднения к выводам диода. В результате емкость изменяется экспоненциально по отношению к обратному напряжению.

    Технические характеристики варакторного диода
    Ниже приведены некоторые важные электрические характеристики варакторного диода.

    1. Обратный ток: это обратный ток утечки варикапа через его переход при указанном обратном напряжении.
    2. Коэффициент емкости: это отношение минимальной емкости к максимальной емкости варактора. Меньшее значение этого отношения показывает большой диапазон емкости.
    3. Емкость диода: это минимальная емкость для указанного обратного напряжения и частоты переменного тока.
    4. Рабочая температура перехода: это максимальный диапазон температур перехода, с которым может работать варактор.
    5. Рассеиваемая мощность: это максимальная мощность, рассеиваемая диодом в состоянии проводимости при заданной температуре окружающей среды. Это также указывает на максимальное напряжение и ток, которые может выдержать варактор.

    Преимущества варакторных диодов
    Варакторные диоды имеют ряд преимуществ. Это немеханические переменные конденсаторы. Их можно легко использовать в полупроводниковой схеме. Эти маленькие и компактные. Эти диоды производят меньше шума по сравнению с другими типами диодов.

    Применение варакторных диодов
    Варакторные диоды используются в схемах настройки или для частотной модуляции. Вот некоторые из известных применений варикапа.

    1. ФР фильтры
    2. Автоматические регуляторы частоты
    3. Высокочастотные радиоприемники
    4. Полосовые фильтры
    5. Генераторы, управляемые напряжением
    6. Генераторы гармоник
    7. Умножители частоты

    Каталожный номер варакторного диода

    Ниже приведен список некоторых популярных варакторных диодов с известными характеристиками.


    Рубрики: Учебные пособия, Что такое
    С тегами: типы диодов, настроечные диоды, использование варакторных диодов, работа варакторных диодов, варакторные диоды, варикап, вольткап
     

    Варакторный диод — Swiflearn

    Нажмите, чтобы оценить этот пост!

    [Всего: 1 В среднем: 5] Варакторные диоды

    , также известные как варикап-диоды, широко используются в полупроводниковых устройствах в электронной промышленности. Они также используются в области радиочастотной архитектуры. Характеристики и области применения варакторного диода будут рассмотрены в этой статье.
    Что такое варакторный диод и как он работает?
    Варакторный диод — это диод, внутренняя емкость которого изменяется в зависимости от обратного напряжения. Это полупроводниковая система, зависящая от напряжения, которая часто работает при обратном смещении. Варикап, Вольткап, Емкость с переменным напряжением или Туннинг-диод — все это названия варакторного диода.

    Работа варакторного диода
    Так как целью варакторного диода является накопление зарядов, он часто работает при обратном смещении. Электрический ток протекает при приложении напряжения прямого смещения, и область обеднения становится незначительной, что нежелательно.

    Ширина обедненного слоя обратно пропорциональна емкости перехода диода с p-n переходом. Другими словами, чем меньше ширина обедненного слоя, тем больше емкость, и наоборот. В результате, если нам нужно увеличить емкость варакторного диода, мы можем уменьшить обратное напряжение смещения. Это позволяет уменьшить ширину обедненного слоя, что приводит к увеличению емкости.

    Увеличение напряжения обратного смещения таким же образом уменьшает емкость.По сравнению со стандартным переменным конденсатором, возможность получать различные значения емкости, просто регулируя приложенное напряжение, является основным преимуществом варакторного диода.

    Емкость варакторного диода
    Коэффициент добротности варакторного диода\Обозначения, используемые в формуле варактора

    Емкость диода обозначается Cj.
    Когда устройство несмещено, C представляет собой емкость диода.

    Приложенное напряжение V.

    Барьерное напряжение на стыке Vb.

    м — постоянная величина, изменяющаяся в зависимости от материала.

    Константа K равна единице.

    Максимальная рабочая частота обозначается буквой F.

    Рабочая частота обозначается буквой f.

    Характеристики варакторного диода
    Варакторные диоды почти всегда работают в режиме обратного смещения, поэтому проводимость отсутствует. Хотя обычно используется термин варактор, конденсаторы, управляемые напряжением, также известны как варикапы.

    Характеристики переменной емкости

    Обычные диоды производят влияние переменной емкости, но варакторные диоды предпочтительнее для обеспечения необходимых изменений емкости. Диоды были специально разработаны и изготовлены для обеспечения больших изменений емкости в широком диапазоне. Свойства диодного перехода используются для классификации варакторных диодов.

    Для чего используется варакторный диод?
    В следующих пунктах обсуждаются некоторые области применения варакторного диода.

    Они распространены в мире радиочастотного проектирования, поскольку позволяют изменять емкость цепи с помощью управляющего напряжения. Варакторные диоды используются в радиочастотной промышленности, потому что это дает им уникальные возможности.

    Эти диоды используются в различных схемах и имеют два основных применения.

    Фильтры FR – варакторные диоды можно использовать для тонкой настройки фильтров. Во входных цепях приемника могут потребоваться следящие фильтры, если им разрешено отслеживать частоту входящих принимаемых сигналов.

    Генераторы, управляемые напряжением (ГУН) — ГУН используются в различных приложениях, наиболее распространенными из которых являются генераторы в контуре фазовой автоподстройки частоты. Почти все беспроводные приемники и радиостанции включают VCO.

    %PDF-1.4 % 5 0 объект >] /Ширина 4954 /Битсперкомпонент 1 /Имя /XO08_59b2 /Высота 7008 /Декодировать [0 1] /Фильтр [/CCITTFaxDecode] /Подтип /Изображение /Длина 217864 /Тип /XОбъект /ColorSpace /DeviceGray >> поток Fr» &XZBYHQ»HF2(Q M!,Q$ N˨SfH )bhF$(DR»h Dx2:t5b 4*[email protected]}4qKĉTE78 9$%7`[email protected]&&ڏ!}W:x$ڡÈ7Jשu$ՠI85Ɠ[\0Sk6vPK/;50|DpB&i:M:JXBˣ.jEq9tȋԝ}~פKzZUuKS) SսJgM(Tq&O!»2-_MER]kIz[~CA’q*r.aQB]t0{N Јiv]]XZ6bNC−KTM5XJZ]BP~VL$»)ƘٚHiA`j4 BBZG+µ@~kZ ]%uPP Ja[U }|[email protected]~KR zÒ #FOaGEH»PPnijP0DLեa}VWuu%jKMbbKLU0 K_KJJ’K5IDti ʳ%:J*>ժiqXLB#P»!C3UUֿ_UˢA+I=B&iRנjSk|»(C%T3WVH`uZzh»(pAikK l 1([email protected]»`T»!'(J_R莢Ʃ{ !* cEB3TPC;H- @ת꾔U#]vTxR&4¦C&e,?0ؓ}uIA{BvAGPЈ»>ZF_xUv0 Bd!pB!$&-$]+Dp>>PUIU aUVIQWUpi?UMBi(L&KPD#% =aPPPઇ*V» ‚aWXU 5 .УКУ FT uBhb (UPCLM%0R6ȃj hGza4%g9TA어Pa4DX!eC,!a-0AUYmia tZႤ§XP‚CPԀPL(VM]:# !mZ`hF2r*EDdځAT$10 RhGGh:زJjZ k!( J’7P2 дР7Р! \ДКУаХ [email protected]$Q+BWHTDb&Љ&FjЉf)h.!k41H&%ZНb%JQB%6B# #T1J’[email protected]ʐdTJJ5&[email protected],( jRcn$YUTvJ# >[email protected] $1DQhQ-`[email protected]%#%jeu!Х2$Q#hQ&[email protected] ]BZ # ,»YHQ YEڔٚʝH$»-.Qh’[email protected]@[email protected]Ŕ[email protected] [email protected] [email protected]@qMJlhCM#[email protected]}XY T!:[email protected]% e4IJQTdgtWPĮ$1au, 4wVI)MBv1脵(.DKB!bZ7Q;-E» [email protected],7t2KHR$%p%,B#dKTkZf襡[email protected]}-j!t&[email protected] }[email protected] Fk:;[email protected],Ƒmjv ��-`42D}DQHXE%qMwRЈt!;EB2GjHK «&j»CB»v-hL B»%u»&C p4jEB\!;&ƨ»lT»%Zt者wbS$!hdM -d$E»vV.Db2hH hL&»v] Dt%{ETDU g Z АД1d!$1fH!\B&ըn. %dZD— jhD!!»-ɢ]ɢRlZDL,C ě»d*d%!)%RQ;RHb[ڐBW!Dd7EqحH»2B$Ԁ4#YEE *T#ˢ,Dspoke .ПБ%ч C$v(%4″ZaHKuWNN,rhb»2mUd$PB’dKTH B»[Z C , \HNΤJHh)-֑]»wQEu-Jd»5Qh*Q’C 8,$QH ql +b:22K%UQ-)Ԇ»YK [email protected]ڈ V,E22EDPu $»%S %4#&»ț)e$»#% @DĴ$D»̩r 0]DZFlB»%h%6X3ED:eE DdRڤ»:[email protected]|!dW%DtA’DtdRJ&D34_hY2E_ h8FL!

    определение варикапа и синонимы варикапа (английский)

    Схематическое обозначение варикапа

    Подборка варикапов

    В электронике варикап , варикап , диод с переменной емкостью , диод с переменным реактивным сопротивлением или подстроечный диод его терминалы.

      Приложения

    Варакторы используются в качестве конденсаторов, управляемых напряжением. Они обычно используются в параметрических усилителях, параметрических генераторах и генераторах, управляемых напряжением, как часть контуров фазовой автоподстройки частоты и синтезаторов частоты. Например, варакторы используются в тюнерах телевизоров для электронной настройки приемника на разные станции.

      Операция

    Внутренняя структура варикапа

    Операция варикапа

    Варакторы работают с обратным смещением, поэтому ток не течет, но, поскольку толщина зоны обеднения зависит от приложенного напряжения смещения, емкость диода можно изменить.Обычно толщина области обеднения пропорциональна квадратному корню из приложенного напряжения; а емкость обратно пропорциональна толщине обедненной области. Таким образом, емкость обратно пропорциональна квадратному корню из приложенного напряжения.

    Все диоды проявляют это явление в той или иной степени, но специально изготовленные варакторные диоды используют этот эффект для увеличения емкости и диапазона изменчивости — большинство производителей диодов пытаются достичь противоположного.

    На рисунке показан пример сечения варактора со слоем обеднения, образованным p-n-переходом.Но обедненный слой можно сделать и из МОП-диода или диода Шоттки. Это очень важно в технологиях CMOS и MMIC.

      Цепи настройки

    Как правило, использование варикапа в цепи требует подключения его к настроенной цепи, как правило, параллельно с любой существующей емкостью или индуктивностью. Поскольку постоянное напряжение должно быть приложено к варикапу в обратном направлении, чтобы изменить его емкость, оно должно быть заблокировано от попадания в настроенную цепь. Это достигается путем размещения D.C. Блокировочный конденсатор с емкостью, примерно в 100 раз превышающей максимальную емкость включенного последовательно с ним варикапа, и подача постоянного тока от источника с высоким импедансом на узел между катодом варикапа и блокировочным конденсатором, как показано в верхнем левом углу. схема, правильно.

    Схемы варикапа

    Поскольку ток в варикапе не течет, номинал резистора, соединяющего его катод обратно с управляющим напряжением постоянного тока, может быть где-то в диапазоне от 22 до 150 кОм, а блокировочный конденсатор где-то в диапазоне 5-100 нФ.Иногда при очень высокой добротности резонансного контура последовательно с резистором помещают дроссель для увеличения импеданса источника управляющего напряжения, чтобы не нагружать резонансный контур и уменьшать его добротность.

    Вторая схема, внизу слева на изображении, использующая два встречно-параллельных (катод к катоду) последовательно соединенных варикапных диодов, является еще одной распространенной конфигурацией. Фактически второй варикап заменяет блокировочный конденсатор в первой цепи. Это уменьшает общую емкость наполовину и изменение емкости также наполовину, но имеет то преимущество, что уменьшает А.C. составляющая напряжения на каждом устройстве и симметричное искажение, если составляющая переменного тока имеет достаточную амплитуду, чтобы сместить варикапы в прямую проводимость.

    При проектировании схем настройки с варикапами рекомендуется поддерживать переменную составляющую напряжения на варикапе на минимальном уровне, обычно менее 100 мВ от пика к пику, чтобы предотвратить слишком сильное изменение емкости диода и, таким образом, искажение сигнала и добавления к нему гармоник.

    Одна оставшаяся схема справа изображает два последовательно соединенных варикапа, используемых в схеме с отдельными D.C. и AC сигнализируют о соединениях с «землей». «Земля» постоянного тока изображается как традиционный символ «земли», а земля переменного тока изображается в виде треугольника. Разделение «земли» часто делается для предотвращения высокочастотного излучения от низкочастотного заземляющего узла или постоянного тока в заземляющем узле переменного тока, нарушающего смещение и рабочие точки активных устройств, таких как варикапы и транзисторы.

    Эти конфигурации цепей довольно распространены в телевизионных тюнерах и вещательных программах с электронной настройкой A.М. и Ф.М. приемники, а также другое оборудование связи и промышленное оборудование. Ранним варикапам обычно требовался диапазон обратного напряжения от 0 до 33 В, чтобы получить максимальное изменение емкости, которое было довольно небольшим, от 1 до 10 пФ или около того. Эти типы были и до сих пор широко используются в телевизионных тюнерах, где требуются лишь небольшие изменения емкости на несущих высоких частотах более 50 МГц, используемых телевидением. Со временем были разработаны варикапные диоды, которые демонстрировали очень большие изменения емкости, 100-500 пФ, при относительно небольших изменениях обратного смещения 0-12 или 0-5В.Эти типы позволяли электронно настраивать A.M. должны быть реализованы широковещательные приемники, а также множество других функций, требующих больших изменений емкости на более низких частотах, как правило, ниже 10 МГц. Некоторые конструкции считывателей электронных меток безопасности, используемые в розничных торговых точках, требуют этих варикапов с высокой емкостью в их генераторах, управляемых напряжением.

    Телевизионный тюнер I-III-U австралийского рынка с выделенными варикапами

    Потребительский вещательный тюнер AM-FM с выделенными варикапами

    Три выводных устройства, изображенные в верхней части страницы, обычно представляют собой два варикапа с общим катодом в одном корпусе.В потребителе А.М.-Ф.М. В тюнере, изображенном справа, один варикап с двумя корпусами регулирует как полосу пропускания колебательного контура (селектор основной станции), так и гетеродин с одним варикапом для каждого. Это сделано для снижения затрат, можно было использовать два двойных корпуса, один для резервуара и один для генератора, всего четыре диода, и это было показано в данных приложения для LA1851N A.M. радиочип. Два двойных варактора с меньшей емкостью используются в F.М., которые работают на частоте примерно в сто раз большей и отмечены красными стрелками. В этом случае используются четыре диода, по одному двойному корпусу для накопительного/полосового фильтра и гетеродина.

      Переключение

    Специальные типы варикапов, демонстрирующие резкое изменение емкости, часто можно найти в потребительском оборудовании, таком как телевизионные тюнеры, которые используются для переключения трактов радиочастотных сигналов. Когда они находятся в состоянии высокой емкости, обычно с низким смещением или без смещения, они представляют путь с низким импедансом к резистору R.F., тогда как при обратном смещении их емкость резко уменьшается, а их R.F. импеданс увеличивается. Хотя они все еще немного проводят Р.Ф. пути, затухание, которое они вносят, уменьшает нежелательный сигнал до приемлемо низкого уровня. Они часто используются парами для переключения между двумя разными РЧ. источники, такие как V.H.F. и УВЧ полос в телевизионном тюнере, подавая на них дополнительные напряжения смещения. Четвертое устройство слева на картинке в начале этой страницы является одним из таких устройств.

      Гармоническое умножение

    В некоторых приложениях, таких как умножение гармоник, переменное напряжение большой амплитуды сигнала подается на варикап для преднамеренного изменения емкости на скорости сигнала и генерации более высоких гармоник, которые отфильтровываются и используются дальше по сигнальной цепи. Это происходит потому, что когда емкость заряженного конденсатора уменьшается, напряжение на нем увеличивается, что, в свою очередь, еще больше уменьшает емкость, если это варикап.

    Энергия, хранящаяся в заряженном конденсаторе, определяется как E = CV 2 /2, поэтому, если E постоянно, но C уменьшается, то V должно увеличиваться, поэтому, если синусоида достаточной амплитуды подается на варикап, она получает ‘ пиком» в более треугольную форму, и генерируются нечетные гармоники.Это был один из первых методов, использовавшихся для генерирования микроволновых частот умеренной мощности, 1–2 ГГц при 1–5 Вт, примерно от 20 Вт при частоте 3–400 МГц до того, как были разработаны подходящие транзисторы для работы на этой более высокой частоте. Этот метод до сих пор используется для генерации гораздо более высоких частот в диапазоне от 100 ГГц до 1 ТГц, где даже самые быстрые GaAs-транзисторы по-прежнему не подходят.

    Диод большего размера в правой части изображения в верхней части страницы представляет собой варикап умножителя гармоник и расположен между трактом прохождения сигнала и регулируемым D.C. напряжение (но заземление на высокую частоту). При подаче питания на частоте 350 МГц это устройство генерировало гармоники со значительной мощностью выше десятой, а после фильтрации это дало около одного ватта на частоте 3,5 ГГц на 50 Ом.

      Заменители варикапов

    Эксперименты с эффектом варикапа не обязательно должны оставаться в сфере передовой электроники или лабораторий физики твердого тела. Все полупроводниковые переходные устройства проявляют этот эффект, некоторые в удивительной степени. Хотя этот эффект проявляют многие распространенные устройства, они не предназначены для этой цели, поэтому эффект может сильно различаться между партиями определенного устройства и другой.Это не позволяет производителям использовать какое-либо старое устройство в качестве варикапа, им нужны устройства с надежными, точно заданными характеристиками от одной партии к другой, однако для небольших экспериментаторов это, как правило, не проблема, и отдельные устройства могут быть измерены и выбраны для желаемого. характеристики перед включением в проект.

    Варикап Philips BA 102 и обычный выпрямительный диод 1N5408 демонстрируют аналогичные изменения емкости перехода, за исключением того, что BA 102 обладает набором характеристик , указанным в , в отношении емкости перехода, тогда как 1N5408 этого не делает, а «Q» 1N5408 меньше.Однако отдельные 1N5408 могут быть проверены на пригодность для использования в качестве варикапов перед установкой в ​​цепь. Оба конкретных устройства демонстрируют снижение емкости примерно со 110 пФ при смещении 0 В до 60 пФ при смещении -5 В. Это почти вдвое меньше емкости, что позволяет построить V.C.O. который регулируется на полную октаву частоты. Соотношение напряжение-емкость 1N5408 сильно отличается от отношения BA 102, и довольно легко сместить прямое смещение 1N5408, поэтому амплитуда приложенного A.C. должно поддерживаться ниже 200 мВ пик. Параллельное размещение нескольких устройств увеличит эффект от количества используемых устройств, поэтому общая емкость трех 1N5408 будет варьироваться от примерно 180 пФ при смещении -5 В до 330 пФ при смещении 0 В.

    Популярные самодельные варикапы включают светодиоды, выпрямительные диоды серии 1N400X, выпрямители Шоттки и различные транзисторы, используемые с обратным смещением переходов коллектор-база, особенно 2N2222 и BC547. Обратное смещение эмиттерно-базовых переходов транзисторов также весьма эффективно, пока А.Амплитуда Ц. остается небольшой. Устройства с большим током и большей площадью перехода, как правило, обладают большей емкостью.

    До разработки варикапа переменные конденсаторы с электроприводом или реакторы с насыщаемым сердечником использовались в качестве электрически управляемых реактивных сопротивлений в ГУН и фильтрах оборудования, такого как немецкие анализаторы спектра времен Второй мировой войны.

      См. также

      Дополнительная литература

    • Мортенсон, Кеннет Э. (1974). Диоды с переменной емкостью: работа и характеристика варакторов, накопительных диодов и PIN-диодов для ВЧ- и СВЧ-приложений .Дедхэм, Массачусетс: Artech House.
    • Пенфилд, Пол и Рафуз, Роберт П. (1962). Варакторные приложения. Кембридж, Массачусетский технологический институт Нажимать.

      Внешние ссылки

    СМИ, связанные с варикапами, на Викискладе?

    .

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.