Особенности применения варикапов. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Радиолюбителю-конструктору

 Комментарии к статье

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 змиттерный 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.

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.

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 двуконтурном 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 (Ur) при двух значениях управляющего напряжения (Uynp). 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 (Uynp1) по сравнению с амплитудой переменного напряжения (Ur), варикап работает в нормальном режиме. Но при уменьшении управляющего напряжения (Uупр2) 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.

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 - зто отношение изменения частоты генератора к вызвавшему его заданному изменению управляющего напряжения - ΔF/ΔU. 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 Uynp, определяют частоту генератора Fr. Затем сначала уменьшают зто напряжение до Uyпр - ΔUynp, а потом увеличивают до Uynp + ΔUynp и считывают по табло частотомера соответствующие значения частоты Fr1 и Fr2.

Крутизну управления при управляющем напряжении Uyпр рассчитывают по формуле ΔF/ΔU = (Fr2-Fr1)/2ΔUynp. Абсолютное значение изменения напряжения ΔUyпp должно быть минимальным, но таким, при котором можно надежно фиксировать изменение частоты генератора. Затем устанавливают другое значение управляющего напряжения Uупр и 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.

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.

Автор: Б.Степанов, г.Москва

Смотрите другие статьи раздела Радиолюбителю-конструктору.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Самолет меняет вкус привычных продуктов 27.09.2026

Одна и та же еда может восприниматься совершенно по-разному на земле и на борту пассажирского самолета. На первый взгляд причина может показаться очевидной: качество продуктов или особенности приготовления. Однако специалисты утверждают, что значительную роль играют непосредственно условия полета. Шум двигателей, давление в герметичном салоне и даже звуковой фон способны изменять работу механизмов, отвечающих за восприятие вкуса и аромата пищи. Одним из наиболее интересных факторов оказался постоянный шум. Профессор Оксфордского университета Чарльз Спенс исследовал влияние громких звуков на вкусовые ощущения и обнаружил, что в шумной обстановке человек может слабее воспринимать сладость. Поэтому напиток или десерт, которые на земле кажутся достаточно насыщенными, во время полета способны восприниматься более пресными. При этом эффект не одинаков для всех вкусов. Особенно любопытно ведет себя умами - вкус, характерный, например, для помидоров, грибов и пармезана. В условиях полета ...>>

Новая нержавеющая сталь заменит титан в производстве водорода 27.09.2026

Производство водорода с помощью электролиза требует материалов, способных длительное время работать в агрессивной химической среде и при высоких электрических напряжениях. Даже нержавеющая сталь, которая обычно отличается высокой устойчивостью к коррозии, в таких условиях постепенно разрушается. Поэтому в наиболее ответственных элементах электролизеров приходится использовать гораздо более дорогие материалы, прежде всего титан. Исследователи из Университета Гонконга предложили новый сплав, который потенциально способен значительно сократить зависимость от титана. Материал получил название SS-H2, а его главное преимущество заключается в необычном механизме защиты поверхности. Обычная нержавеющая сталь сохраняет устойчивость благодаря тонкой пассивирующей пленке на основе оксида хрома. Этот слой изолирует металл от агрессивной среды и препятствует дальнейшему развитию коррозии. Однако при достаточно высоком электрическом напряжении защитная пленка может разрушаться, после чего традици ...>>

Кораллы, устойчивые к потеплению, хуже справляются с болезнями 26.09.2026

Коралловые рифы существуют в условиях постоянного взаимодействия множества факторов окружающей среды, поэтому способность переживать один вид стресса еще не гарантирует общей устойчивости организма. Особенно важной эта проблема становится на фоне потепления океана, которое уже приводит к массовому обесцвечиванию кораллов. Исследователи Бостонского университета обнаружили, что симбиоз с теплостойкими водорослями рода Durusdinium действительно помогает кораллам переносить кратковременное повышение температуры, но одновременно может повышать их уязвимость к бактериальным инфекциям. Жизнь кораллов во многом зависит от микроскопических водорослей, которые обитают внутри их тканей. Благодаря фотосинтезу эти симбионты обеспечивают организм-хозяин значительной частью питательных веществ. Однако при чрезмерном нагревании воды нормальное взаимодействие нарушается: водоросли могут покидать ткани коралла, из-за чего он теряет окраску и белеет. Массовое обесцвечивание сегодня считается одной из ...>>

Случайная новость из Архива Китайских детей ограничат в пользовании гаджетами 28.07.2023 Правительство Китайской Народной Республики продолжает ввводить меры по строгим ограниченияи на использование цифровых устройств среди подростков. Если в 2021 году страна ограничила время игр для молодежи до 18 лет всего лишь 3 часами в неделю, то сейчас обсуждается новая инициатива, касающаяся даже более жестких ограничений на использование смартфонов, исходя из информации, полученной от Mezha Media. Управление киберпространства Китая выдвинуло на обсуждение проект правил, в соответствии с которыми подросткам до 18 лет рекомендуется ограничивать время использования смартфонов всего двумя часами в день. Для возрастной группы от 8 до 15 лет ограничение составляет один час в день, в то время как для детей до восьми лет предполагается ограничение в 40 минут. Помимо этого, новые правила также предлагают запрет на использование смартфонов в промежуток с 22:00 до 6:00. Каждый мобильный телефон должен быть оснащен режимом родительского контроля, который будет позволять родителям регулировать доступ детей к определенному контенту, а также давать провайдерам интернет-услуг возможность предоставлять контент, соответствующий возрасту пользователя. На самых младших - детей до трех лет, будет распространяться ограничение на аудиоконтент, такой как песни и другие аудиоформаты, в то время как дети в возрасте от 12 лет и старше смогут получать доступ к образовательному и новостному контенту. Несмотря на то что проект находится в стадии обсуждения и его окончательное утверждение еще неизвестно, следует помнить, что это касается КНР, и вероятность внедрения этих мер довольно высока. Возникают вопросы относительно механизмов реализации данных ограничений. Пока неясно, будет ли ответственность за обеспечение детского режима лежать на производителях оборудования или на разработчиках операционных систем. Если эти ограничения будут введены, то китайским разработчикам программного обеспечения, таким как ByteDance (создатели TikTok и его китайской версии Douyin) и Tencent (WeChat и многие другие популярные игры), придется адаптировать свои приложения и контент под новые стандарты.

Другие интересные новости:

▪ Сенсоры с жидкими кристаллами, меняющими цвет

▪ Новые высокоточные малопотребляющие акселерометры

▪ Nvidia Parker - однокристальная система нового поколения для автомобильного сегмента

▪ Семидюймовый смартфон Samsung Galaxy J Max

▪ Обоняние поможет диагностировать состояние мозга

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Чудеса природы. Подборка статей

▪ статья Переделка стиральной машины под слабый напор воды. Советы домашнему мастеру

▪ статья Как вначале использовали обнаруженную на Урале платину? Подробный ответ

▪ статья Настольный универсал. Домашняя мастерская

▪ статья Высоковольтный трансформатор. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Растирающиеся узлы. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026