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
|
