Что такое варикап диод и как он работает. Какими основными характеристиками обладает варикап. Где применяются варикапы в электронике. Как выбрать подходящий варикап для схемы.
Что такое варикап диод и принцип его работы
Варикап (от англ. variable capacitance diode — диод с переменной емкостью) — это полупроводниковый диод, емкость которого меняется в зависимости от приложенного обратного напряжения. Другие названия этого элемента — варактор, емкостной диод.
Принцип работы варикапа основан на свойствах p-n перехода. При подаче на диод обратного напряжения в области p-n перехода образуется обедненный слой, который играет роль диэлектрика. Толщина этого слоя зависит от величины обратного напряжения — чем оно больше, тем шире обедненный слой. А емкость p-n перехода обратно пропорциональна ширине обедненного слоя.
Таким образом, изменяя обратное напряжение на варикапе, можно плавно менять его емкость. Обычно емкость варикапа может меняться в пределах от единиц до сотен пикофарад.
Основные характеристики варикапов
Основными параметрами, характеризующими варикап, являются:
- Номинальная емкость — емкость варикапа при определенном обратном напряжении (обычно 4 В)
- Диапазон изменения емкости — отношение максимальной емкости к минимальной
- Максимальное допустимое обратное напряжение
- Добротность — отношение реактивного сопротивления к активному на рабочей частоте
- Температурный коэффициент емкости
- Обратный ток утечки
Где применяются варикапы в электронике
Варикапы нашли широкое применение в различных схемах, где требуется электронная перестройка частоты или фазы. Основные области применения варикапов:
1. Генераторы, управляемые напряжением (ГУН)
В ГУН варикап включается в колебательный контур генератора. Изменяя напряжение на варикапе, можно плавно менять частоту генерации. ГУН на варикапах используются в системах фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), синтезаторах частот и других устройствах.
2. Перестраиваемые фильтры
Варикапы позволяют создавать фильтры с электронной перестройкой частоты. Такие фильтры применяются во входных цепях радиоприемников для отслеживания частоты принимаемого сигнала.
3. Частотные и фазовые модуляторы
В ЧМ модуляторах варикап включается в контур генератора, а модулирующий сигнал подается на варикап, вызывая изменение частоты. В фазовых модуляторах варикап используется в фазосдвигающей цепи.
4. Умножители частоты
Нелинейные свойства варикапа позволяют использовать его для умножения частоты в некоторых схемах.
Как выбрать варикап для конкретной схемы
При выборе варикапа для применения в электронной схеме нужно учитывать следующие факторы:
- Требуемый диапазон емкостей
- Рабочая частота схемы
- Допустимое обратное напряжение
- Необходимая добротность
- Температурная стабильность
- Линейность характеристики емкость-напряжение
Для высокочастотных схем важно выбирать варикапы с высокой добротностью и малой паразитной индуктивностью. В прецизионных схемах обращают внимание на температурную стабильность.
Преимущества и недостатки варикапов
Основные преимущества варикапов:
- Возможность электронной перестройки емкости
- Отсутствие подвижных частей
- Малые габариты
- Возможность дистанционного управления
- Высокая надежность
К недостаткам можно отнести:
- Нелинейность характеристики емкость-напряжение
- Ограниченный диапазон перестройки емкости
- Зависимость параметров от температуры
- Относительно низкая добротность на высоких частотах
Современные тенденции в разработке варикапов
Основные направления совершенствования варикапов:
- Увеличение добротности на СВЧ
- Расширение диапазона перестройки емкости
- Улучшение линейности характеристики
- Повышение температурной стабильности
- Снижение паразитных параметров
- Интеграция варикапов в состав монолитных СВЧ микросхем
Разрабатываются варикапы на основе новых полупроводниковых материалов, например, нитрида галлия. Это позволяет создавать варикапы с уникальными характеристиками для применения в СВЧ и миллиметровом диапазоне.
Как правильно использовать варикапы в схемах
При использовании варикапов в электронных схемах нужно соблюдать ряд правил:
- Варикап всегда должен быть включен в обратном направлении.
- Необходимо обеспечить развязку по постоянному току между управляющим напряжением и ВЧ сигналом.
- Для линеаризации характеристики часто используют последовательное или параллельное включение нескольких варикапов.
- В высокочастотных схемах нужно минимизировать паразитные индуктивности выводов.
- При работе на высоких частотах следует учитывать изменение добротности варикапа.
Правильное применение варикапов позволяет создавать эффективные схемы с электронной перестройкой параметров для различных областей электроники.

Варикап.
В современной электронике появляется всё больше электронных компонентов управляемых напряжением. Это связано с активным развитием цифровой техники. Ранее электронная аппаратура управлялась всевозможными ручками регулировки, кнопками, многопозиционными переключателями, т.е. руками.
Цифровая техника избавила нас от этого, а взамен дала возможность управлять и настраивать устройства посредством кнопок и экранного меню. Всё это было бы невозможно без электронных компонентов, управляемых напряжением. К одному из таких электронных компонентов можно отнести варикап.
Варикап – это полупроводниковый диод, который изменяет свою ёмкость пропорционально величине приложенного обратного напряжения от единиц до сотен пикофарад. Так изображается варикап на принципиальной схеме.
Как видим, его изображение очень напоминает условное изображение полупроводникового диода. И это не случайно. Дело в том, что 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.
Положительные качества варикапа.
У варикапов очень маленькие потери электрической энергии и малый ТКЕ (температурный коэффициент ёмкости) поэтому их с успехом применяют даже на очень высоких частотах, где ёмкость конденсатора измеряется долями пикофарад. Это очень важно, так как если бы ёмкость варикапа была нестабильна из-за утечек (потери электрической энергии) и температуры (ТКЕ), то частота колебательного контура «уходила» и «гуляла», т.е. менялась. А это недопустимо! Познакомьтесь с колебательным контуром, и вы сразу поймёте насколько это важно.
Как работает варикап?
На рисунке показана типовая схема управления варикапом.
R2 – переменный резистор. С помощью винта по рабочей поверхности этого резистора перемещается ползунок, который плавно изменяет сопротивление, а, соответственно, и величину обратного напряжения (Uобр), подаваемого на варикап.
Конденсатор С1 препятствует попаданию на индуктивность L1 постоянного напряжения.
Постоянный резистор R1 уменьшает шунтирующее действие резистора R2 на контур, что позволяет сохранить резонансные свойства контура. Как видим, ёмкость варикапа входит в состав колебательного контура. Меняя ёмкость варикапа, мы изменяем параметры колебательного контура и, следовательно, частоту его настройки. Так реализуется электронная настройка.
В современных цветных телевизорах есть такая функция – автонастройка (автопоиск) телеканалов. Нажимаем на кнопку, и весь диапазон сканируется на предмет наличия вещательных программ – телеканалов. Так вот этой функции просто бы не существовало, если бы не было варикапа.
В телевизоре управляющей схемой формируется плавно меняющееся напряжение настройки, которое и подаётся на варикап. За счёт этого меняются параметры колебательного контура приёмника (тюнера) и он настраивается на тот или иной телеканал. Затем происходит запоминание напряжения настройки на каждый из найденных телеканалов, и мы можем переключаться на любой из них, когда захотим.
Кроме обычных варикапов очень часто используют сдвоенные и строенные варикапы с общим катодом. Вот такой вид они имеют на принципиальных схемах.
Они используются, как правило, в радиоприёмных устройствах, где необходимо одновременно перестраивать входной контур и гетеродин с помощью одного потенциометра. Имеются так же обычные сборки, когда в одном корпусе размещается несколько варикапов электрически не связанные между собой.
Параметры варикапов.
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 измеряют, 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 V
R = 28V. - Коэффициент перекрытия по ёмкости (Кс).
Этот параметр показывает отношение максимальной ёмкости варикапа к минимальной. Считается так:
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. Формула, по которой считается этот параметр, выглядит так (для варикапа BB133).
Как видим, берётся ёмкость варикапа при обратном напряжении в 0,5V и в 28V. 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.
Главная » Радиоэлектроника для начинающих » Текущая страница
Также Вам будет интересно узнать:
Принцип работы и область применения варикапов
Обновлена: 24 Ноября 2022 8369 0
Поделиться с друзьями
|
Варикап – полупроводниковый диод, главным параметром которого является изменяемая под напряжением емкость. В устройстве применяется зависимость емкости p-n перехода и приложенного обратного напряжения. Среди основных характеристик варикапа:
Область примененияРабота варикапа актуальна при перестройке частоты узлов в электроаппаратуре. Устройства используются в частотозадающих электронных цепях, поскольку позволяют быстро и просто изменять рабочую частоту. Такое возможно, благодаря изменению емкости системы, которая меняется при изменении управляющего напряжения. Варикапы включены в схемы радиоприемников и беспроводных модулей для передачи данных, используются в устройствах, где задействованы частотозависимые цепи. Преимуществами использования полупроводниковых диодов с емкостью, зависящей от приложенного напряжения, являются:
Схемы подключения варикапаВ LC-генераторах транзисторного типа это устройство работает в качестве элемента емкостного сопротивления. Подключается к резонансному контуру последовательно или параллельно. Упрощенная схема подразумевает включение вместо конденсатора в параллельно резонансном контуре. Если разрабатывается модулятор, нужно предусмотреть подачу напряжения смещения величины на его выводы. В состав каскада включают цепь формирования напряжения смещения. Данный вид цепи в мини-передатчиках зачастую выполняется на резисторах. Схема параллельного колебательного контура образуется катушкой и емкостью полупроводника. Также в цепь включают разделительный конденсатор. Последовательное подключение подразумевает включение полупроводника последовательно с конденсатором контура или катушкой индуктивности. Применяются схемы, в которых варикап подключается комбинированно, с частичным включением. Маркировка отечественных варикаповОбозначение включает буквы и цифры. За что отвечает вариакапЭлектронно-дырочный, или p-n переход, если к нему приложено обратное сопротивление, имеет свойства конденсатора. При изменении напряжения, изменяется и толщина p-n перехода, а значит емкость между слоями полупроводника. Сам переход выступает диэлектриком. Данное явление описывает принцип работы варикапа (varicap). Устройство используется в качестве конденсатора переменной емкости, которая зависит от напряжения на переходе. При изменении напряжения можно изменить и емкость. Была ли статья полезна?Да Нет Оцените статью Что вам не понравилось? Другие материалы по темеАнатолий Мельник Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. |
Варакторный диод — варикапный диод » Electronics Notes
Варикапный диод или варакторный диод обеспечивает способ или наличие переменной емкости, регулируемой напряжением, в цепи.
Варактор / варикап Учебное пособие Включает:
Варактор / варикап
Резкие и гиперрезкие варакторы
Характеристики варактора (техническое описание)
Схемы варакторных диодов
Другие диоды: Типы диодов
Варикапы или варикапы используются в основном в радиочастотных или радиочастотных схемах для обеспечения переменной емкости, управляемой напряжением.
Эти электронные компонентыa могут использоваться самыми разными способами, когда уровень емкости должен контролироваться напряжением, и без них многие возможности, которыми мы пользуемся в радиоприемниках, мобильных телефонах и многих других устройствах, были бы невозможны.
Варакторные диоды могут использоваться не только для аналогового управления напряжением, например, в контуре фазовой автоподстройки частоты, но также могут использоваться в сочетании с микропроцессорами, где напряжение может генерироваться в цифровом виде, а затем преобразовываться в аналоговое напряжение для управления диод с помощью цифро-аналогового преобразователя, АЦП.
На самом деле области применения варакторных диодов почти безграничны, и они используются во множестве различных схем для различных целей, как для проектирования общих электронных схем, так и для радиочастот.
Хотя используются оба названия: варактор и варикап, оба они представляют собой один и тот же вид диода. Название варактор означает переменный реактор или реактивное сопротивление, а варикап означает переменную емкость (вари-кап).
Хотя даже обычные диоды с PN-переходом можно использовать в качестве варакторных диодов, электронные компоненты, приобретаемые в качестве варакторов, были специально оптимизированы для получения требуемых изменений емкости, которые, как правило, больше, чем у большинства стандартных диодов с PN-переходом.
Варакторные диоды
Варакторные диодышироко используются во многих радиочастотных конструкциях. Они обеспечивают метод изменения емкости в цепи путем приложения управляющего напряжения.
Это дает им почти уникальные возможности, и в результате варакторные диоды широко используются во многих конструкциях радиочастотных цепей.
Они являются важным электронным компонентом для множества радиочастотных устройств.
Хотя варакторные диоды или варикапы могут использоваться во многих различных схемах, они находят применение в двух основных областях:
- Генераторы, управляемые напряжением, ГУН: Генераторы, управляемые напряжением, используются во многих различных радиочастотных конструкциях. Одной из основных областей является осциллятор внутри фазированных замкнутых контуров. В свою очередь, их можно использовать в качестве ЧМ-демодуляторов или в синтезаторах частоты. Варакторный диод является ключевым компонентом генератора, управляемого напряжением.
- ВЧ-фильтры: Использование варикапов позволяет настраивать фильтры. Отслеживающие фильтры могут потребоваться во входных цепях приемника, где они позволяют фильтрам отслеживать частоту входящего принятого сигнала. Опять же, этим можно управлять с помощью управляющего напряжения. Обычно это может осуществляться под управлением микропроцессора через цифро-аналоговый преобразователь.
-
Частотные и фазовые модуляторы: Варакторные диоды могут использоваться в частотных и фазовых модуляторах. В частотных модуляторах их можно поместить на резонансный элемент внутри генератора, а звук подавать на диод. Таким образом, его емкость будет изменяться в соответствии со звуком, вызывая сдвиг частоты сигнала вверх и вниз в соответствии с изменениями емкости и, следовательно, в соответствии со звуком.
Для фазовой модуляции сигнал фиксированной частоты может быть пропущен через фазовращающую цепь, а диод встроен в него. Опять же, на диод подается звук, и это вызывает сдвиг фазы в соответствии с изменениями звука.
Что касается цепей, в которых используются варакторные диоды, они включают в себя генераторы контуров фазовой автоподстройки частоты и, следовательно, многие типы синтезаторов частоты.
Ввиду того, что эти электронные компоненты позволяют управлять многими радиочастотными цепями от переменного напряжения с помощью цифро-аналогового преобразователя, ЦАП или D2A, это позволяет микропроцессору управлять многими из этих электронных схем, фильтрами, генераторами и т.
д.
Варакторные диоды можно использовать даже в некоторых типах схем умножителей гармоник.
Работа переменного конденсатора
Ключом к пониманию того, как работает варактор или варикап, является рассмотрение того, что такое конденсатор и что может изменить емкость. Как видно из приведенной ниже схемы, конденсатор состоит из двух пластин с изолирующим диэлектриком между ними.
. . . емкость и количество заряда, который может быть сохранен, зависят от площади пластин и расстояния между ними. . . .
Емкость конденсатора зависит от площади пластин — чем больше площадь, тем больше емкость, а также расстояние между ними — чем больше расстояние, тем меньше уровень емкости.
Диод с обратным смещением не имеет тока между областями P-типа и областями N-типа. Область N-типа и область P-типа могут проводить электричество, и их можно рассматривать как две пластины, а область между ними — область обеднения — изолирующий диэлектрик.
Это точно так же, как конденсатор выше.
Как и в случае любого диода, при изменении обратного смещения меняется и размер обедненной области. При увеличении обратного напряжения на варакторе или варикапе область обеднения диода увеличивается, а при уменьшении обратного напряжения на варакторе область обеднения сужается. Следовательно, изменяя обратное смещение на диоде, можно изменить емкость.
Изменение емкости варакторного диода при обратном смещенииВаракторный диод имеет нелинейную кривую емкости — емкость варакторного диода обратно пропорциональна квадратному корню из напряжения на нем. Это означает, что начальные изменения обратного напряжения дают гораздо большее изменение емкости, чем при более высоких напряжениях.
Типичная кривая напряжения и емкости для варакторного диодаСимвол варакторной или варикапной цепи
Варакторный диод или варикапный диод показан на принципиальных схемах или схемах с использованием символа, который сочетает в себе символы диода и конденсатора.
Таким образом, очевидно, что он используется как переменный конденсатор, а не как выпрямитель.
При работе с любой электронной схемой необходимо обеспечить, чтобы варакторный диод оставался смещенным в обратном направлении. Это означает, что катод будет положителен по отношению к аноду, т. е. катод варактора будет более положителен, чем анод. Таким образом, варактор будет действовать как конденсатор, а не как диод в цепи.
Эквивалентная схема варакторного диода
Как и любой другой компонент, варакторный диод не является идеальным конденсатором, а включает в себя различные паразитные элементы. Это верно для варакторного диода, и в результате полезно иметь возможность моделировать диод как эквивалентную схему. Конденсатор и паразитные элементы необходимо понимать и учитывать в конструкции электронной схемы.
Эквивалентная схема варакторного диода Можно видеть, что эквивалентная схема варакторного диода состоит из нескольких элементов — различные элементы схемы представляют собой основные элементы, которые видны при использовании диода.
Различные элементы:
- C J (V): Этот элемент варакторного диода представляет фактическую переменную емкость перехода, которая является основным требуемым элементом диода.
- R S (V): Это последовательное сопротивление внутри диода, которое изменяется в зависимости от приложенного напряжения.
- C P : Эта схема представляет собой паразитную емкость, в основном возникающую из-за емкости вокруг основного диодного перехода. Этому способствуют соединительные провода внутри корпуса.
- L P : Эта последовательная емкость в основном возникает из-за связывания проводов в корпусе варакторного диода. Несмотря на небольшой размер, он все равно будет заметен в высокочастотных радиочастотных цепях.
Последовательное сопротивление выводов диода незначительно, особенно если диод работает при обратном смещении, а уровни емкости относительно малы, поэтому последовательное сопротивление не оказывает большого влияния.
Тип варакторного диода
При исследовании варакторных диодов с высокими рабочими характеристиками для конкретных ВЧ-приложений часто будут встречаться термины варакторные диоды резкого и резкого скачков напряжения.
Эти термины относятся к переходу и, следовательно, к характеристикам варакторного диода — сверхрезкие диоды, как следует из названия, имеют очень резкое изменение легирования, что приводит к очень резкому переходу — на самом деле это сверхрезкий переход!
Подробнее о . . . . Резкие и гиперрезкие варакторные диоды.
Характеристики варактора
Хотя варакторный диод состоит из PN-перехода и имеет те же основные характеристики, существуют некоторые специфические характеристики и параметры, которые необходимы для определения его характеристик в качестве переменной емкости.
Эти спецификации включают значение емкости и поведение при изменении емкости-напряжения.
Обратная характеристика пробоя также имеет большое значение, т.
к. часто нужны довольно высокие обратные напряжения, чтобы уменьшить емкость диода до минимальных значений.
Другим очень важным параметром является добротность или добротность диода, так как он может оказать существенное влияние на работу всей схемы. Низкий уровень добротности может снизить избирательность фильтра или негативно повлиять на фазовый шум генератора, использующего варактор.
Подробнее о . . . . Характеристики варактора.
Варакторные диоды— это очень полезные компоненты, которые можно использовать самыми разными способами, особенно в радиочастотных цепях. Возможность управления емкостью в цепи путем изменения напряжения имеет очень много применений и позволяет создавать такие элементы, как контуры фазовой автоподстройки частоты, непрямые синтезаторы частоты, различные типы частотных и фазовых модуляторов и многие другие схемы.
Другие электронные компоненты:
Батарейки
конденсаторы
Соединители
Диоды
полевой транзистор
Индукторы
Типы памяти
Фототранзистор
Кристаллы кварца
Реле
Резисторы
ВЧ-разъемы
Переключатели
Технология поверхностного монтажа
Тиристор
Трансформеры
Транзистор
Клапаны/трубки
Вернуться в меню «Компоненты».
. .
Диоды с переменной емкостью (варикап-диоды) | Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation
Эта страница частично использует JavaScript. Эта страница может работать неправильно, если эти функции не поддерживаются вашим браузером или настройка отключена.
Пожалуйста, ищите необходимую информацию на следующих страницах:
Диод с переменной емкостью представляет собой продукт, в котором используются характеристики емкости обедненного слоя. Слой обеднения возникает в p-n переходе диода при приложении напряжения в обратном направлении, а толщина изменяется пропорционально обратному напряжению.
Следовательно, по мере увеличения приложенного обратного напряжения емкость уменьшается. Это та же функция, что и увеличение расстояния между двумя электродами конденсатора. И наоборот, если обратное напряжение становится низким, емкость увеличивается.

Первая буква или цифра указывает на материал изготовления. Вторая – на тип по функциональному назначению (обозначается буквой «В»). Третья цифра указывает на электрические свойства. Четвертая и пятая цифры показывают порядковый номер разработки. Шестая буква обозначает параметры варикапа.
Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент.