|
ЭНЦИКЛОПЕДИЯ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ И ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ Особенности применения варикапов
Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Радиолюбителю-конструктору 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
журналы Ремонт и сервис (годовые архивы) книга Фотодиоды и фототриоды. Туркулец В.И., Удалов Н.П., 1962 книга Экономичный любительский телевизор. Пилтакян А.М., 1966 статья Чем занимается кровь в организме? статья Эксплуатация водоэлектронагревателей. Типовая инструкция по охране труда справочник Вхождение в режим сервиса зарубежных телевизоров. Книга №30
|