В советской радиоэлектронной промышленности варакторные диоды (более известные в отечественной терминологии как варикапы или параметрические диоды) сыграли колоссальную роль в развитии техники высоких частот․ Эти уникальные полупроводниковые приборы стали незаменимыми элементами при проектировании осцилляторов (генераторов) ВЧ диапазона, позволив реализовать дистанционную и автоматическую перестройку частоты, частотную модуляцию и создание генераторов, управляемых напряжением (ГУН)․
Физические принципы и конструкция варактора
Варактор (от английского variable capacitor, переменный конденсатор) представляет собой полупроводниковый диод, который работает при обратном смещении и используется исключительно для своей барьерной емкости․ Принцип действия основан на изменении толщины обедненной области p-n-перехода под действием приложенного обратного напряжения․
Как известно из физики, p-n-переход можно уподобить плоскому конденсатору, где обедненная область выступает в роли диэлектрика, а легированные области, в роли обкладок․ При увеличении обратного напряжения ширина обедненной области увеличивается, что приводит к уменьшению емкости․ Именно эта вольт-фарадная зависимость делает варактор идеальным элементом для настройки колебательных контуров․
Советские варакторы для ВЧ-приложений изготавливались преимущественно по эпитаксиально-планарной технологии․ Если для низкочастотных применений использовался кремний, то для работы в высокочастотных осцилляторах применялся арсенид галлия (GaAs), который обеспечивал значительно меньшие потери и высокую добротность на частотах до десятков гигагерц․ Область p-n-перехода, выходящая на поверхность, защищалась специальной диэлектрической пленкой или окисью кремния (SiO2) для предотвращения пробоя и стабилизации параметров․
Ключевые параметры советских варакторов
При проектировании ВЧ осцилляторов инженеры тщательно подбирали варикапы по ряду критических параметров, которые всегда указывались в советских справочниках:
- Номинальная емкость (Cн) — емкость при фиксированном обратном напряжении (обычно измерялась на частоте 1 МГц)․ Варьировалась от единиц до десятков пикофарад․
- Коэффициент перекрытия по емкости (Cmax/Cmin), соотношение максимальной и минимальной емкости․ У советских варикапов этот показатель обычно составлял от 3 до 6․
- Добротность (Q) — критически важный параметр для ВЧ осцилляторов․ Определяется как Q = 1 / (2π × Cj × Rs), где Cj — емкость перехода, Rs — последовательное сопротивление потерь․ Чем выше добротность, тем меньше вносимые потери и тем стабильнее работает генератор․
- Максимальное обратное напряжение (Uобр max) — определяло пределы управляющего напряжения․
- Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) — важен для термостабильности осциллятора․
Особенности применения в осцилляторах ВЧ диапазона
В осцилляторах (LC-генераторах) варактор выполняет функцию перестраиваемого конденсатора колебательного контура․ Изменяя управляющее напряжение на варикапе, можно плавно менять резонансную частоту контура и, следовательно, частоту генерации․
Проблема нелинейности и встречно-параллельное включение
При использовании одного варактора в ВЧ осцилляторе возникает серьезная проблема: переменное высокочастотное напряжение самого колебательного контура воздействует на p-n-переход варикапа так же, как и управляющее постоянное напряжение․ В положительный полупериод ВЧ-сигнала емкость варикапа увеличивается, а в отрицательный — уменьшается․ Это приводит к нелинейным искажениям, паразитной амплитудно-фазовой модуляции и сдвигу частоты генерации․
Для решения этой проблемы в советской схемотехнике применялось встречно-параллельное (спина к спине) включение двух варакторов․ В такой схеме переменное напряжение колебательного контура вызывает увеличение емкости одного диода и одновременное уменьшение емкости другого․ В результате общая емкость цепочки остается неизменной, а нелинейные эффекты взаимно компенсируются․
Поскольку параметры варакторов должны быть максимально идентичными, советская промышленность выпускала сдвоенные варикапы (варикапные сборки), изготовленные на одном кристалле в едином технологическом процессе․ Примером таких решений служат сборки КВС111 и 2ВС118, которые широко применялись в прецизионных ВЧ генераторах․
Влияние последовательного конденсатора
В типовой схеме параллельного LC-контура варактор подключается последовательно с разделительным конденсатором․ Это необходимо, чтобы индуктивность контура не замкнула управляющее постоянное напряжение на общий провод․ Однако такое последовательное соединение уменьшает общий диапазон перестройки частоты․ Если требовался максимальный диапазон, емкость разделительного конденсатора увеличивали, но это приводило к снижению добротности, так как крупные конденсаторы часто вносят потери․ Это всегда был компромисс для советских радиоинженеров․
Знаменитые советские варакторные диоды
Для работы в осцилляторах ВЧ и СВЧ диапазонов в СССР была разработана специальная номенклатура приборов, обладающих минимальным сопротивлением потерь и высокой добротностью:
- Серия Д401, Д402, Д403 — классические кремниевые варикапы, применявшиеся в аппаратуре КВ и нижнего УКВ диапазона․ Отличались хорошей повторяемостью параметров․
- Серия КВ102, КВ104, КВ109 — мощные варикапы, способные работать при высоких обратных напряжениях и значительных ВЧ мощностях, что позволяло использовать их не только в управляемых осцилляторах, но и в умножителях частоты․
- Серия КВ121, КВ122 — арсенидгаллиевые варакторы, предназначенные для работы в СВЧ осцилляторах․ Обладали феноменальной добротностью на частотах свыше 1 ГГц․
- Параметрические диоды (1И101, 1И103 и др․) — специализированные варакторы, созданные исключительно для параметрических усилителей и СВЧ генераторов, где требовалась экстремально низкая шумность и минимальные потери․
Советские варакторные диоды стали фундаментом для создания целого поколения высокочастотной аппаратуры: от радиолокационных станций и станций помех до бытовых телевизоров и УКВ-приемников․ Грамотное использование вольт-фарадных характеристик, применение арсенида галлия для снижения потерь и изобретение сдвоенных сборок для компенсации нелинейности позволили советским инженерам создавать надежные и высокостабильные ВЧ осцилляторы, многие схемы которых остаются актуальными и в современной радиотехнике․