Варикап — полупроводниковый элемент, в котором используется свойство электронно-дырочного перехода изменять свою емкость в зависимости от приложенного напряжения. Предназначен для использования в качестве управляемой напряжением емкости. Работает при обратном напряжении, приложенном к p-n переходу. Емкость меняется в широких пределах.
Варикапы — приборы с сильно выраженной нелинейностью, по сути — это обратносмещенный полупроводниковый диод. Прямая ветвь его вольтамперной характеристики, принципиальная для основного назначения диода (выпрямление, детектирование), для варикапа несущественна. В общем случае как варикап можно использовать (и на практике это нередко реализуют) диод и даже коллекторный или эмиттерный переход биполярного транзистора.
На рисунке показана типичная 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 лучше иметь дело с вольт-фарадной характеристикой варикапа, построенной в «двойном» (то есть по обеим осям) логарифмическом масштабе. Известно, что статическая функция выглядит в таком масштабе как прямая линия, причем тангенс угла ее наклона к оси ординат численно равен показателю степени функции.
Сказанное выше касается «классического» варикапа. Для увеличения эффективности управления современными варикапа при их изготовлении принимают специальные технологические мероприятия, в результате их вольт-фарадные характеристики могут иметь уже не столь простой вид.
Поскольку вольт-фарадные характеристики варикапа нелинейные, его использование в аппаратуре неизбежно приводит к появлению искажений.
Есть такие узлы, в которых к варикапу должно быть подведено переменное напряжение — речь идет о генераторах. В таком случае варикап используется обычно для создания частотной модуляции сигнала генератора.
На рисунке показана распространенная схема включения варикапа в колебательный контур генератора:
Как же определить границу зоны нормальной работы варикапа в генераторе? Можно, например, измерять переменное напряжение на варикапе и сравнивать его с управляющим. Для этого необходимо иметь ВЧ вольтметр с высоким входным сопротивлением и малой входной емкостью (чтобы его подключения не меняло режима работы генератора).
Минимально допустимое управляющее напряжение на варикапе можно определить, не нарушая режим работы генератора, и с помощью частотомера. Его подключают к выходу генератора и снимают зависимость крутизны управления генератором от управляющего напряжения.
dF/dU
Результаты измерений крутизны управления частотой генератора с полным включением варикапа в контур представлены на рисунке. Видно, что при управляющем напряжении на варикапе ниже 3,5 В 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.