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:

Выращены томаты без косточек 19.07.2025

Современное сельское хозяйство все чаще обращается к молекулярной биологии, чтобы преодолеть вызовы, связанные с климатом, сроками хранения и требованиями рынка. Один из таких прорывов связан с выращиванием плодов без семян - давно востребованных как в пищевой промышленности, так и среди потребителей. Пока обезкосточенные бананы и виноград стали привычными, новое внимание ученых сосредоточено на других культурах. Индийские исследователи уверенно двигаются в этом направлении, предложив инновационный подход к созданию томатов без косточек. Исследование было проведено на кафедре ботаники факультета естественных наук Университета Маунтин-Си в индийском городе Вадодара. Руководство проектом осуществлял профессор Сунил Сингх, а финансирование обеспечивал Совет по научным и инженерным исследованиям. Ученые сосредоточились на изучении так называемых каспазоподобных генов, которые играют ключевую роль в развитии растений, в частности - в вегетативных и репродуктивных функциях. По словам п ...>>

Сахар из углекислого газа 19.07.2025

Новая разработка китайских исследователей в этой области может радикально изменить подход к производству сахара и других органических соединений. В условиях, когда Китай, несмотря на подходящий климат, ежегодно вынужден импортировать до пяти миллионов тонн сахара - около трети от общего объема потребления - поиск альтернативных способов получения этого ресурса становится особенно актуальным. Расширение посевных площадей под сахарную свеклу и тростник приводит к деградации почв и нарушению экосистем, а значит, необходимо искать более экологически безопасные решения. Ответ на этот вызов предложили ученые Тяньцзинского института промышленной биотехнологии при Китайской академии наук. Им удалось разработать метод, позволяющий превращать углекислый газ в сложные углеводы - такие как фруктоза, глюкоза, амилоза и другие сахара, пригодные для пищевой и химической промышленности. Как подчеркивает издание South China Morning Post, эта технология может одновременно снизить выбросы парниковы ...>>

Умные очки для плаванья Form Smart Swim 2 18.07.2025

Новое поколение умных очков от компании Form обещает превратить каждую тренировку в интеллектуальный и высокоточный процесс, совмещая комфорт, аналитику и навигацию в одном устройстве. На рынок поступили обновленные умные очки для плавания Smart Swim 2. Очки Smart Swim 2 стали развитием предыдущей модели, получив целый ряд усовершенствований. Устройство не только стало на 15% компактнее и легче, но и обзавелось новыми функциями, среди которых - встроенный пульсометр и цифровой компас. Миниатюрный электронный блок с аккумулятором, оптическим датчиком и прочими компонентами теперь можно закрепить как с левой, так и с правой стороны, что добавляет гибкости в использовании. Одной из наиболее примечательных функций стала возможность измерения частоты сердечных сокращений в режиме реального времени. Для профессионалов это дает возможность максимально точно контролировать нагрузку, не выходя из воды. А те, кто предпочитает плавание в открытых водоемах, смогут оценить встроенный компас, ...>>

Случайная новость из Архива Качественное выращивание на кремнии полупроводниковых лазеров 26.03.2016 Группа ученых из ряда британских университетов сообщила о новой методике выращивания на кремниевой подложке высоконадежного полупроводникового лазера на квантовых точках. Разработка направлена на развитие кремниевой фотоники - на интеграцию лазеров и оптических интерфейсов в микросхемы. Уход от передачи данных по медным соединениям сэкономит на потреблении и ускорит внутричиповый обмен информацией. Да и сопряжение с внешними оптическими каналами станет проще. Серьезным препятствием на пути коммерческого внедрения технологии выращивания полупроводниковых лазеров на кремнии было значительное число дефектов в кристаллической решетке в месте перехода кремния в лазер. Уточним, сегодня для лазера обычно используется комбинация арсенида галлия и арсенида индия (металлы из III-V групп периодической таблицы Менделеева). В этом плане ничего нового предложено не было. Более того, британские ученые не первые, кто предложил для бездефектоного выращивания лазера использовать промежуточный слой, предварительно нанесенный на кремниевую пластину - это так называемый зародышевый слой (nucleation layer). Открытие заключается в том, что предложен зародышевый слой с качественными практическими характеристиками. Тесты выращенного таким образом опытного 1,3-мкм лазера показали стабильность рабочих характеристик даже при нагреве до 120 градусов по Цельсию. Утверждается, что на рабочей мощности 105 мВт лазер может работать свыше 100 тыс. часов на отказ. Это примерно 11 лет эксплуатации, чего с головой хватит для коммерческого оборудования. Лазеры с длиной волны 1,3 мкм (1300 нм) хорошо зарекомендовали себя в традиционном телекоммуникационном оборудовании. Ожидается, что они также смогут проявить себя в кремниевой фотонике. На новом этапе исследований ученые будут учиться выпускать лазеры с разной длиной волны и интегрировать их в микросхемы.

Другие интересные новости:

▪ Пули с лазерным наведением

▪ Новый фильтр отделит нефть от воды

▪ Или рыба, или хлеб

▪ Занятия в старых спортзалах эффективнее, чем в современных

▪ Металлические пузыри для защитной упаковки

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Видеотехника. Подборка статей

▪ статья Ландау Григорий Адольфович. Знаменитые афоризмы

▪ статья Что такое коэффициент интеллекта? Подробный ответ

▪ статья Разработка перечня работ с повышенной опасностью

▪ статья Приготовление машинного масла. Простые рецепты и советы

▪ статья SONY PLAYSTATION - ремонт блока адаптации. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025