6.4. Параметрические диоды и варикапы

Варикапом называют элемент, обладающий электрически управляемой емкостью. Существует три разновидности: на основе p-n перехода, барьера Шоттки, и МДП- структуры. Предназначены для параметрического усиления и генерации СВЧ-сигналов, умножения частоты, электронной перестройки частоты колебательных контуров, в качестве смесителей.

Известно, что проблема повышения чувствительности приемной аппаратуры сводится к задаче о понижении уровня собственных шумов предусилителя. Одним из путей решения ее является использование параметрических усилителей. Параметрическим усилителем принято называть колебательный контур, в котором один или несколько реактивных параметров меняются во времени по определенному закону. Подробная теория таких систем была развита в работах школы Л.И. Мандельштама и Н.Д. Папалекси, в которых было показано, что если, например, емкость колебательного контура меняется по закону , то в систему вносится отрицательное сопротивление

. В формулах для С и R_– параметр имеет смысл глубины модуляции периодически меняющегося реактивного параметра. Если вносимое отрицательное сопротивление R_– полностью компенсирует потери в контуре, то контур возбуждается, то есть его можно использовать в качестве генератора переменного тока. При частичной компенсации потерь такие системы можно использовать для создания усилителей.

П ринцип действия параметрического усилителя сводится к следующему. Предположим, что в колебательном контуре (рисунок 6.16), в котором возбуждены электрические колебания, емкость конденсатора уменьшается каждый раз, когда напряжение на нем достигает максимума, и увеличивается до исходной величины, когда напряжение переходит через нуль. Тогда из выражения для падения напряжения на конденсаторе V_C = Q/C следует, что при каждом уменьшении емкости V_C должно увеличиваться при неизменном Q. Увеличение емкости до исходной величины при нулевом напряжении на конденсаторе не приведет к каким-либо изменениям электрической энергии, запасенной в колебательном контуре. Периодическая подкачка энергии в колебательный контур за счет изменения величины емкости конденсатора приводит к увеличению амплитуды колебаний в контуре (рисунок 6.17). Из рисунка видно, что частота изменения емкости при этом должна вдвое превышать частоту усиливаемых колебаний.

С

C₀

L C

t

U_C

a)

t

б)

Рисунок 6.16 - Схема колебательного Рисунок 6.17 - Зависимость от времени

контура (а) и обозначение варикапа (б) емкости конденсатора и падения напряжения

на нем в колебательном контуре

В настоящее время наиболее перспективными параметрическими усилителями являются такие, в которых в качестве переменной емкости используется емкость обратносмещенного полупроводникового диода с p-n переходом или барьером Шоттки. Роль управляемой емкости параметрического усилителя выполняет зарядная емкость p-n перехода. Периодическое изменение емкости p-n перехода можно осуществить, подавая на диод кроме постоянного смещения переменное напряжение, которое называется напряжением накачки. В общем случае для получения эффекта параметрического усиления не обязательно, чтобы частота напряжения накачки вдвое превышала частоту усиливаемого сигнала. В принципе частота напряжения накачки может быть даже ниже частоты усиливаемого сигнала. В этом случае условию параметрического усиления будут удовлетворять гармонические составляющие сигнала накачки.

Полупроводниковые диоды, используемые в параметрических усилителях в качестве переменной емкости, называются параметрическими диодами.

Вольтфарадная характеристика (ВФХ) варикапа на основе p-n перехода имеет следующий вид:

, (6.7)

где С₀ – емкость при нулевом смещении; n – показатель потенциальной зависимости; n = 2, для резкого p-n перехода ; n = 3, для плавного p-n перехода; n < 2, для сверхрезкого p-n перехода.

Параметры варикапа:

1. C_max (U_min) – максимальная емкость при заданном U_min (рисунок 6.18).

2. C_min (U_max) – минимальная емкость при заданном U_max .

3. К_пер = - коэффициент перекрытия емкости.

4. К_с = - коэффициент нелинейности емкости.

5. ТКС = - температурный коэффициент емкости.

6. Q = - добротность варикапа.

7. ТКQ = - температурный коэффициент добротности.

8. Фактор шума – F_ш = [дБ] – доля мощности шума, вносимого

усилительным элементом.

Коэффициент перекрытия определяется структурой p-n перехода (сверхрезкий) и максимально допустимым напряжением

.

Для сверхрезких p-n переходов К_пер = [4÷16].

К_с n=1

1

n=2

0,5

U

Рисунок 6.18 - ВФХ варикапа Рисунок 6.19 - Зависимость коэффициента

нелинейности емкости от напряжения

Коэффициент нелинейности определяет чувствительность емкости к изменению напряжения (рисунок 6.19).

.

З нак минус означает, что с увеличением напряжения чувствительность падает. Для увеличения коэффициента нелинейности емкости необходимо использовать структуру на основе сверхрезкого p-n перехода. В сверхрезком p-n переходе концентрация в базе уменьшается с координатой. В этом случае толщина ОПЗ с ростом напряжения увеличивается по более сильному закону, чем для резкого p-n перехода (рисунок 6.20). Одинаковому изменению dU соответствует большая величина dx из-за уменьшения объемной концентрации примесей с координатой. Кроме того, ослабляется температурная зависимость емкости, обусловленная уменьшением контактного потенциала с увеличением температуры, вследствие более высокой концентрации примесей в плоскости p-n перехода.

C

dU dU

+ +

dx x dx х

- - U

а) б) в)

Рисунок 6.20 - Изменение ОПЗ в резком (а), сверхрезком переходе (б) и ВФХ для n = 1 и n = 2

Из (6.7) емкость при нулевом смещении

,

где – контактный потенциал.

Температурный коэффициент емкости также уменьшается при увеличении обратного смещения (6.7).

Чувствительность параметрического усилителя определяется уровнем собственных шумов варикапа. В отличие от других активных элементов у варикапа отсутствуют дробовые шумы и другие виды, связанные с протеканием постоянного тока. Поэтому у него проявляется только тепловой шум.

,

где r – омическое сопротивление базы, – полоса частот.

Использование p⁺-n-n⁺ структуры позволяет уменьшить сопротивление базы до долей Ома и снизить уровень теплового шума. Охлаждение варикапа до азотных температур дополнительно позволяет повысить чувствительность приемника.