Что такое варактор и как он работает

Варактор (варикап) — это полупроводниковый диод, ёмкость которого изменяется в зависимости от приложенного к нему обратного напряжения. В отличие от обычных диодов, варактор специально спроектирован так, чтобы его барьерная ёмкость p-n-перехода использовалась как управляемый реактивный элемент.

Основные особенности варактора:

• нелинейная вольт-ёмкостная характеристика;
• очень малые токи утечки в обратном направлении;
• малая барьерная ёмкость (у СВЧ-приборов — до 3–10 пФ);
• высокая добротность в рабочем диапазоне частот.

При увеличении обратного напряжения обеднённый слой перехода расширяется, и ёмкость уменьшается. Именно это свойство позволяет использовать варактор как электрически перестраиваемый конденсатор в колебательных контурах генераторов.

Применение варакторов в ВЧ-осцилляторах

В задающем генераторе высокой частоты варактор подключается к колебательному контуру и изменяет его суммарную ёмкость. Тем самым обеспечивается:

1. Электронная перестройка частоты — без механических переменных конденсаторов;
2. Частотная модуляция (ЧМ) — модулирующий сигнал подаётся на варактор и изменяет частоту генератора;
3. Системы автоматической подстройки частоты (АПЧ), напряжение ошибки с фазового детектора стабилизирует частоту;
4. Генераторы, управляемые напряжением (ГУН / VCO) — основа синтезаторов частот.

Типовая схема включения: варактор через разделительный конденсатор подключается к контуру генератора (например, собранного по схеме ёмкостной трёхточки на биполярном транзисторе), а управляющее напряжение подаётся через резистор или дроссель, отделяющий цепь управления от ВЧ-сигнала.

Обзор советских варакторных диодов

В СССР выпускалась широкая номенклатура варикапов. Ниже приведены наиболее распространённые серии, пригодные для ВЧ-диапазона.

Серия КВ101

Кремниевые варикапы общего применения. Основные параметры:

• ёмкость при обратном напряжении 4 В: порядка 25–35 пФ (в зависимости от буквенного индекса А/Б);
• коэффициент перекрытия по ёмкости: около 2,5–3 при изменении напряжения от 4 до 30 В;
• максимальное обратное напряжение: до 30 В;
• добротность: не менее 100–200 на частоте 50 МГц.

Хорошо подходят для перестройки контуров КВ-диапазона (3–30 МГц) и УКВ.

Серия КВ102

Аналогичны КВ101, но с меньшей начальной ёмкостью (порядка 10–15 пФ). Применяются в контурах УКВ и в ГУН диапазона 50–150 МГц.

Серия КВ109

Двойные (сдвоенные) варикапы с общим катодом. Удобны для симметричных схем и балансных контуров, а также для построения ГУН с пониженным уровнем паразитной модуляции. Ёмкость каждой секции — около 20–30 пФ.

Серия КВ111

Варикапы с повышенной добротностью для УКВ-диапазона. Начальная ёмкость — единицы пикофарад, что позволяет работать на частотах до нескольких сотен мегагерц.

Серии КВ121, КВ122, КВ123

Специализированные варикапы для блоков УКВ-настройки тюнеров и радиоприёмников. Обеспечивают перекрытие диапазона 65–108 МГц при изменении управляющего напряжения от 3 до 25 В.

Серии 2В101, 2В102, 2В109

Более ранние (германиевые и кремниевые) приборы с аналогичным назначением, встречаются в старой аппаратуре.

Практические рекомендации по применению

Выбор варактора

• Для КВ-диапазона (1–30 МГц) подойдут КВ101, КВ109 — с большой ёмкостью и широким перекрытием.
• Для УКВ (30–300 МГц) — КВ102, КВ111, КВ121 с малой ёмкостью и высокой добротностью.
• Для ЧМ-передатчиков важна линейность участка вольт-ёмкостной характеристики — её подбирают экспериментально, выбирая рабочую точку смещения.

Схемотехнические советы

1. Стабилизируйте управляющее напряжение. Любые пульсации напряжения на варакторе превращаются в паразитную частотную модуляцию. Используйте параметрический стабилизатор (стабилитрон) и RC-фильтры.
2. Развязывайте цепи по ВЧ. Управляющее напряжение подавайте через резистор 10–100 кОм или ВЧ-дроссель, чтобы не шунтировать контур.
3. Используйте разделительный конденсатор между варактором и контуром, он не должен пропускать постоянную составляющую на катушку индуктивности.
4. Для уменьшения влияния ВЧ-напряжения на ёмкость применяйте встречно-последовательное включение двух варикапов (например, КВ109), это снижает нелинейные искажения и уменьшает девиацию от самого ВЧ-сигнала.
5. Учитывайте температурный дрейф. Ёмкость варактора зависит от температуры, поэтому в стабильных генераторах применяют термокомпенсацию или АПЧ.

Пример расчёта перестройки

Пусть контур генератора содержит катушку индуктивности 1 мкГн, а варактор КВ101 изменяет ёмкость от 30 пФ (при 4 В) до 10 пФ (при 25 В). Тогда резонансная частота по формуле Томсона f = 1 / (2π√(LC)) изменится примерно:

• при 30 пФ: f ≈ 29 МГц;
• при 10 пФ: f ≈ 50 МГц.

Таким образом, одним варактором можно перекрыть диапазон почти в полторы октавы.

Достоинства и недостатки советских варикапов

Достоинства:

• высокая добротность и стабильность параметров;
• широкий выбор номиналов ёмкости;
• низкая стоимость и доступность на вторичном рынке;
• ремонтопригодность и документированность (справочники с полными характеристиками).

Недостатки:

• относительно большие габариты корпусов по сравнению с современными SMD-аналогами;
• разброс параметров внутри одной партии, требуется подбор при построении симметричных схем;
• ограниченная верхняя граница частот у ранних серий.

Советские варакторные диоды серий КВ101–КВ123 остаются отличным выбором для построения перестраиваемых ВЧ-осцилляторов, ГУН, ЧМ-модуляторов и систем АПЧ в любительской и учебной радиоаппаратуре. Их высокая добротность, предсказуемые характеристики и доступность делают их достойной альтернативой современным компонентам, особенно в диапазонах КВ и УКВ. Правильный выбор рабочей точки, качественная стабилизация управляющего напряжения и грамотная развязка по ВЧ позволяют добиться стабильной и чистой работы генератора.