Особености на използването на варикапи
"Документация" - техническа информация за използването на електронни компоненти, конструктивни характеристики на различни радио и електронни схеми, както и документация за спецификата на работа с инженерния софтуер и нормативни документи (GOST).
Напрегнати променливи полупроводникови кондензатори - варикапи - устройства със силна нелинейност. Поради тази причина във вериги, където към варикапа се прилага променливо напрежение с относително голяма амплитуда, той може да изненада.
По принцип варикапът е полупроводников диод с обратен пристрастие. Директният клон на неговата характеристика на токово напрежение, който е основен за основната цел на диода (коригиране, откриване), е незначителен за варикап. В общия случай като варикап може да се използва (и на практика това често се прилага) диод и дори колектор или емитерно кръстовище на биполярен транзистор.
За разлика от полупроводниковите диоди, варикапите са нормализирали (и, разбира се, осигуряват се по време на производството) капацитета на pn прехода при определено напрежение на отклонение върху него и Q фактор. Имайте предвид, че не е лесно да се постигне качествен фактор на варикап, който значително надвишава коефициента на качество на контурна намотка. Това се дължи на факта, че при варикап, както при всеки диод, съпротивлението на основната област на полупроводника винаги е свързано последователно с pn прехода и паралелно е еквивалентното съпротивление поради обратния ток през прехода . Относително ниският качествен фактор на варикапа предполага по-специално необходимостта да се вземе предвид при изчисляването на качествения фактор на трептящата верига.
Зависимостта на капацитета на p-n прехода от приложеното към него обратно напрежение има степенно-законен характер от вида C = U-n, където стойността на параметъра n може да варира от 0,33 до 0,5 (определена от технологията на производство на прехода). На фиг. 1 показва типична характеристика на капацитет-напрежение на варикап D902, нанесена в линейни координати. Подобни характеристики могат да бъдат намерени в справочната литература. Те ви позволяват да определите капацитета на варикапа при различни стойности на напрежението на отклонението.
Фигура: 1. Типична характеристика на капацитет-напрежение на варикапа D902
Въпреки това, за предпочитане е да се работи с характеристиката на капацитет-напрежение на варикапа, нанесена в "двойна" (т.е. по двете оси) логаритмична скала. Известно е, че степенната функция изглежда в такъв мащаб като права линия, а тангенсът на нейния ъгъл към оста на ординатите е числено равен на степента на функцията. На фиг. 2 показва тази графика за варикапа D902. Чрез измерване на страните на правоъгълен триъгълник ABC с обикновена линийка, получаваме за модула на степенната стойност 0,5 (AB/BC). Падащият характер на характеристиката показва, че този индикатор има знак минус. По този начин зависимостта на капацитета на варикапа D902 от приложеното напрежение има вид C = U -0,5 .
Фигура: 2. Характеристика на капацитет-напрежение на варикап, изграден на "двойна" логаритмична скала
Горното се отнася за "класически" варикапи. За да се увеличи ефективността на управлението на съвременните варикапи, се вземат специални технологични мерки при тяхното производство, поради което характеристиките на капацитетното напрежение може вече да не са толкова прости.
Тъй като характеристиката на капацитет-напрежение на варикап е нелинейна, използването му в оборудването неизбежно води до изкривяване. Германският радиолюбител Улрих Граф (DK4SX) е измерил интермодулационно изкривяване от втори и трети ред в различни лентови филтри, съдържащи полупроводникови диоди (Ulrich Graf. Intermodulation an passiven Schaltungsteilen. - CQ DL, 1996, No. 3, pp. 200-205). Той прилага към входа на филтъра (входен импеданс 50 Ohm) два сигнала с ниво +3 dB (10 mV при съпротивление 50 Ohm) и анализира спектъра на изходния сигнал. Стойностите на честотата на входните сигнали са избрани от графиката, така че продуктите за интермодулация да попаднат в лентата на пропускане на филтъра.
В един от експериментите с двуконтурен входящ лентов филтър постоянните кондензатори, влизащи в осцилаторните вериги, бяха заменени с варикапи. В същото време компонентите за интермодулация от втори ред на изхода на филтъра се увеличиха на ниво с 10 dB, а третият - с почти 50 dB!
С други думи, варикапите във входните вериги на приемниците могат да влошат реалната им селективност, въпреки че най-вероятно те ще "работят" по този начин само в относително висок клас оборудване (комуникационно оборудване). В приемника от среден клас обаче интермодулацията на входния варикап може да стане значима, ако приемникът работи близо до предавателни устройства.
Съществуват обаче възли, в които по принцип към варикапа трябва да се подава относително голямо променливо напрежение - говорим за генератори. На фиг. 3 показва широко разпространена схема за свързване на варикап към трептящата верига на генератор, а на фиг. 4 - волт-фарад (С) и волт-ампер (I) характеристики на варикапа и моментното напрежение в варикапа (Ug) при две стойности на управляващото напрежение (Uynp). Моля, обърнете внимание, че за яснота на графиката, мащабът по оста "U" вдясно от нулата и по оста "I; C" надолу от нулата се увеличава. Докато управляващото напрежение е високо (Ucont1) в сравнение с амплитудата на променливото напрежение (Ug), варикапът работи в нормален режим. Но с намаляване на управляващото напрежение (Uynp2) могат да възникнат моменти, когато при пиковете на отрицателната полувълна на напрежението работната точка на варикапа ще влезе в директния клон на характеристиката на токовото напрежение и тя ще започнете да коригирате променливото напрежение, приложено към него.
Фигура: 3. Схема за свързване на варикап към трептящата верига на генератора
Фигура: 4. Характеристики на токовото напрежение и токовото напрежение на варикапа и моментното напрежение през варикапа при две стойности на управляващото напрежение
Как да се определи границата на нормалната работна зона на варикапа в генератора? Можете например да измерите променливото напрежение в варикапа и да го сравните с контролното. Това изисква RF волтметър с висок входен импеданс и нисък входен капацитет (така че връзката му да не променя режима на работа на генератора).
Минимално допустимото управляващо напрежение на варикапа може да бъде определено, без да се нарушава режимът на работа на генератора и с помощта на честотомер. Той е свързан към изхода на генератора и зависимостта на наклона на управлението на генератора от управляващото напрежение се премахва.
Контролният наклон е съотношението на промяната на честотата на генератора към даденото изменение на управляващото напрежение, което го е причинило - dF/dU. При пълното включване на варикапа във веригата наклонът може например да се опише с функция на мощността (поне за D902), чийто индикатор зависи от вида на характеристиката на капацитет-напрежение на варикапа. Спомнете си (вижте по-горе), че такава функция, ако е начертана на „двойна“ логаритмична скала, е права линия. Ако варикапът започне да излиза от нормална работа, естеството на зависимостта на наклона от управляващото напрежение ще се промени. Това важи и в по-общ случай, когато варикапът не е напълно включен във веригата или неговата характеристика на капацитет-напрежение не е функция на мощността.
Тъй като характеристиката на капацитет-напрежение е нелинейна, измерванията трябва да се извършват в определена последователност. След като настроите известно управляващо напрежение Ucont, определете честотата на генератора Fg. След това първо това напрежение се намалява до Ucont-dUcont, а след това се увеличава до Uynp + dUcont и съответните честотни стойности Fg1 и Fg2 се отчитат от дисплея на честотомера.
Контролният наклон при управляващото напрежение Ucontr се изчислява по формулата dF/dU = (Fg2-Fg1)/2dUcont. Абсолютната стойност на промяната на напрежението dUcontr трябва да бъде минимална, но такава, че да е възможно надеждно да се отчете промяната в честотата на генератора. След това задайте различна стойност на управляващото напрежение и след това повторете измерванията. Тази техника намалява влиянието на нелинейността на характеристиката на капацитет-напрежение на варикапа върху точността на измерване на контролния наклон.
Резултатите от измерването на наклона на регулирането на честотата на генератора с пълното включване на варикапа във веригата (вж. Фиг. 3) са показани на фиг. 5. Видно е, че когато управляващото напрежение на варикапа е под 3,5 V, то излиза от нормалния режим. С други думи, за посочения генератор това напрежение ще бъде критично.
При по-нататъшно намаляване на управляващото напрежение наклонът на кривата може да промени изцяло своя знак! Това се дължи на вече споменатото коригиране на високочестотното напрежение, приложено към варикапа. Изправеното напрежение се изважда от управлението и започва да надделява над него.
Фигура: 5. Измервания на стръмността на регулирането на честотата на генератора с пълно включване на варикапа в контура
Ако описаната ситуация се случи например с локалния осцилатор на вашия приемник, ще бъде изненадващо. Представете си - когато завъртите копчето на променливия резистор "Настройка" в същата посока, честотата на приемане първо се променя в една посока, след това практически спира да се променя и след това може да се върне.
Автор: Б. СТЕПАНОВ, Москва