Материал: Изучение свойств варикапа

где ΔU  - малое изменение напряжения на варикапе;

ΔСб/Сб - относительное изменение барьерной емкости, соответствующее изменению напряжения на ΔU.

Используя формулы (7) и (11), получаем:

 (12)

Из формулы (12) видно, что при возрастании обратного напряжения коэффициент нелинейности уменьшается.

Поскольку барьерная емкость нелинейна, то ее величина измеряется при малых переменных напряжениях.

. Метод измерения емкости варикапов

Емкость варикапа можно измерять с помощью схемы, показанной на рисунке 11.

Рисунок 11 - Схема замещения для измерения ёмкости варикапа

На делитель напряжения, представляющий собою последовательно включенные резистор R и комплексное сопротивления диода , от генератора G подается переменное напряжение . Сопротивление источника постоянного напряжения Е2 мало для переменного тока и не учитывается. Тогда схема замещения будет иметь вид как на рисунке 11.

Зная величину входного напряжения на делителе . и напряжение на резисторе , можно определить величину емкости стабилитрона. Напряжения в цепи отличаются по фазе и поэтому они записываются в комплексном виде, как и ток. Для входной цепи закон Ома имеет вид:

 (13)

Для резистора R закон Ома имеет вид:

 (14)

Приравняв (13) и (14) получим:

 или

. Тогда .

Отношение модулей напряжений равно

Возведем уравнение в квадрат, учтем, что  и получим формулу для расчета емкости  варикапа:

 (15)

. Рабочий диапазон частот варикапа. Добротность

Барьерная емкость не зависит от частоты во всем радиотехническом диапазоне (вплоть до миллиметровых волн). Однако во всяком полупроводниковом диоде, помимо емкости, имеется сопротивление утечки Rш p-n перехода и последовательное сопротивление Rп , складывающееся из сопротивления материала полупроводника и сопротивления контактов. На рис. 12 приведена эквивалентная схема запертого полупроводникового диода.

Рис. 12 Эквивалентная схема запертого полупроводникового диода.

 - барьерная емкость р-п перехода; Rш- резистор, шунтирующий барьерную емкость р-п перехода, сопротивление которого равно сопротивлению утечки р-п перехода; Rп- последовательное сопротивление материала полупроводника и контактов варикапа.

Значение барьерной емкости для различных типов варикапов лежит в пределах от десятых долей пикофарады (для диапазона сверхвысоких частот) до десятых долей микрофарады (для диапазона низких частот). Значение сопротивления Rш запертого р-п перехода обычно лежит в пределах от нескольких сотен килоом до нескольких десятков мегом. Значение последовательного сопротивления Rп обычно лежит в пределах от нескольких десятых долей Ома до нескольких Ом.

От величины барьерной емкости и от частоты зависит реактивное сопротивление варикапа. А величина сопротивления материала полупроводника и контактов варикапа Rп влияет на энергию, поглощаемую варикапом. Отношение реактивной мощности варикапа к его активной (рассеиваемой) мощности называется добротностью. Другой вариант определения добротности варикапа - это характеристика варикапа, равная отношению реактивного сопротивления варикапа на данной частоте в активному сопротивлению при данной емкости (или при заданном напряжении на варикапе).

В схемах, как правило, требуется высокая добротность варикапа. На высоких частотах можно пренебречь шунтирующим действием сопротивления  Rш  р-п перехода. Тогда значение добротности  можно подсчитать по приближенной формуле:

, (16)

Таким образом, на высоких частотах наличие последовательного сопротивления Rп способствует убыванию добротности при увеличении частоты.

На низких частотах можно пренебречь влиянием последовательного сопротивления диода  Rп . Тогда добротности варикапа можно приближенно подсчитать по приближенной формуле:

, (17)

т. е. на низких частотах наличие шунтирующего сопротивления Rш способствует возрастанию добротности при увеличении частоты.

Таким образом, суммарное воздействие двух сопротивлений Rш и Rп на барьерную емкость р-п перехода приводит к образованию частотной зависимости добротности в форме резонансной кривой в некотором диапазоне частот.

Типичная зависимость добротности от частоты для высокочастотного варикапа показана на рисунке 13 (в логарифмическом масштабе по обеим осям координат). Добротность варикапа может быть высокой - порядка нескольких сотен единиц и выше. Рабочий диапазон частот варикапа ограничен допустимым уменьшением его добротности. Задаваясь некоторым минимальным значением добротности (например, Q=10), можно, используя рис. 13 или формулы (16) и (17), определить верхнюю и нижнюю граничные частоты fв и fн рабочего диапазона. Для приведенного примера fв=45 кГц и  fн=70 Гц. Максимальное значение добротности варикапа равно 1100 на частоте fo=2,2 кГц.

Рисунок 13 - Типичная зависимость добротности варикапа от частоты

Для каждого диапазона частот (область звуковых частот, сотни килогерц - мегагерцы, мегагерцы- десятков мегагерц и т.д. ) необходимо применять варикапы различных специально разработанных серий. Но, как правило, это кремниевые диоды, обладающие обратными токами значительно меньшими, чем у германиевых диодов.

Литература

1.   Пасынков В.В. Полупроводниковые приборы. С.-П.: Лань, 2009, 480.

2.      Электроника: Энциклопедический словарь. Гл. редактор В.Г. Колесников. М.:Советская энциклопедия. 2011. 688с.

.        Берман Л.С. Варикапы. М.: Массовая радиобиблиотека. Вып. 586. 1965. 41 с.

.        Валенко В.С. Полупроводниковые приборы и основы схемотехники электронных устройств. М.: Додэка XXI, 2011, 366 с.

.        Гусев В.Г. Электроника и микропроцессорная техника. М.: ВШ. 2003.

.        Барыбин А.А. Электроника и микроэлектроника. М.: Физматлит, 2006, 423 с.