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. 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.

Рис. 1. Типовая вольт-фарадная характеристика варикапа Д902

   Однако предпочтительнее иметь дело с вольт-фарадной характеристикой варикапа, построенной в "двойном" (т. е. по обеим осям) логарифмическом масштабе. 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^-0,5.

Рис. 2. Вольт-фарадной характеристика варикапа, построенной в "двойном" логарифмическом масштабе

   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 (Ulrich Graf. Intermodulation an passiven Schaltungsteilen. - CQ DL, 1996, № 3, s. 200-205). 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 двукон-турном 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!

   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. 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 (U_г) при двух значениях управляющего напряжения (U_ynp). 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 (U_упр1) по сравнению с амплитудой переменного напряжения (U_г), варикап работает в нормальном режиме. Но при уменьшении управляющего напряжения (U_ynp2) 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.

Рис. 3. Схема включения варикапа в колебательный контур генератора

Рис. 4. Вольт-фарадная и вольт-амперная характеристики варикапа и мгновенное напряжение на варикапе при двух значениях управляющего напряжения

   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 - dF/dU. 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 U_упр, определяют частоту генератора F_г. Затем сначала уменьшают это напряжение до U_упр-dU_упр, а потом увеличивают до U_ynp+dU_упр и считывают по табло частотомера соответствующие значения частоты F_г1 и F_г2.

   Крутизну управления при управляющем напряжении U_упр рассчитывают по формуле dF/dU=(F_г2-F_г1)/2dU_упр. Абсолютное значение изменения напряжения dU_упр должно быть минимальным, но таким, при котором можно надежно фиксировать изменение частоты генератора. Затем устанавливают другое значение управляющего напряжения иупри 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 3,5 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.

Рис. 5. Измерения крутизны управления частотой генератора с полным включением варикапа в контур

   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.