Варикап схема включения. Варикап: схемы включения и особенности применения в радиотехнике

Что такое варикап и как он работает. Какие существуют основные схемы включения варикапов. Как компенсировать температурную зависимость варикапов. Какие преимущества дает применение варикапов в радиоаппаратуре.

Принцип работы и характеристики варикапов

Варикап представляет собой полупроводниковый диод, емкость которого зависит от приложенного обратного напряжения. Эта зависимость описывается следующим соотношением:

C ≈ K / (U_обр + φ_к)ⁿ

где:

• C — емкость варикапа
• K — постоянная, зависящая от размеров и свойств p-n перехода
• U_обр — приложенное обратное напряжение
• φ_к — контактная разность потенциалов (0,8-0,9 В для кремния)
• n — показатель степени (обычно менее 0,5)

Эквивалентная схема варикапа включает барьерную емкость C_б, последовательное сопротивление R_п и шунтирующее сопротивление R_ш. Добротность варикапа зависит от соотношения этих сопротивлений и емкости:

Q = 1 / (ωC_бR_п + 1/ωC_бR_ш)

Основные схемы включения варикапов

Существует несколько базовых схем включения варикапов в колебательный контур:

1. Параллельное включение варикапа к контуру
2. Последовательное включение варикапа с элементами контура
3. Комбинированное включение с частичным шунтированием

Выбор конкретной схемы зависит от требуемого диапазона перестройки и добротности контура. Для расширения диапазона перестройки варикап включают параллельно контуру. Для повышения добротности — последовательно с дополнительным конденсатором.

Температурная компенсация варикапов

Емкость варикапа зависит от температуры из-за изменения контактной разности потенциалов и диэлектрической проницаемости полупроводника. Для компенсации этих эффектов применяются следующие методы:

• Включение прямосмещенного диода для компенсации изменения контактной разности потенциалов
• Использование термистора в цепи управляющего напряжения для компенсации изменения диэлектрической проницаемости
• Комбинация обоих методов для более точной компенсации

Правильная температурная компенсация позволяет существенно повысить стабильность работы схем с варикапами в широком диапазоне температур.

Преимущества применения варикапов в радиоаппаратуре

Использование варикапов для электронной перестройки частоты дает ряд важных преимуществ по сравнению с механическими методами:

• Малые габариты узла настройки
• Возможность одновременной перестройки нескольких контуров
• Отсутствие подвижных частей, повышение надежности
• Легкость сочетания плавной и дискретной настройки
• Хорошее согласование с цепями АПЧ
• Возможность дистанционного и автоматизированного управления

Эти преимущества обусловили широкое применение варикапов в современной радиоаппаратуре.

Особенности применения варикапов на высоких частотах

При работе на высоких частотах необходимо учитывать ряд особенностей варикапов:

• Снижение добротности с ростом частоты из-за потерь в полупроводнике
• Нелинейность вольт-фарадной характеристики, приводящая к искажениям сигнала
• Зависимость параметров от амплитуды высокочастотного сигнала

Для минимизации этих эффектов применяются специальные схемотехнические решения, например встречное включение двух варикапов. Это позволяет существенно улучшить линейность и снизить искажения.

Применение варикапов для регулировки полосы пропускания

Помимо перестройки частоты, варикапы эффективно используются для регулировки полосы пропускания фильтров и других избирательных цепей. Основные способы такой регулировки:

• Включение варикапа в качестве емкости связи между контурами полосового фильтра
• Изменение коэффициента включения варикапа в контур для регулировки его добротности
• Использование варикапов в цепях отрицательной обратной связи для изменения полосы усилителей

Это позволяет реализовать электронное управление шириной полосы пропускания в широких пределах.

Выбор варикапов для конкретных применений

При выборе варикапов для использования в радиоаппаратуре необходимо учитывать следующие основные параметры:

• Диапазон изменения емкости
• Добротность на рабочей частоте
• Температурный коэффициент емкости
• Максимально допустимое обратное напряжение
• Собственная резонансная частота

Правильный выбор типа варикапа с учетом всех этих факторов позволяет оптимизировать характеристики разрабатываемого устройства.

Заключение

Варикапы являются важным элементом современной радиоаппаратуры, позволяющим реализовать электронную перестройку частоты и другие виды регулировок. Правильное применение варикапов с учетом их особенностей дает возможность создавать эффективные схемотехнические решения для широкого круга задач.

Шпионские штучки, или Секреты тайной радиосвязи / Арсенал-Инфо.рф

Основные схемы включения варикапа

Одним из основных способов осуществления модуляции в транзисторных микропередатчиках является воздействие модулирующего НЧ-сигнала на параметры селективного элемента ВЧ-генератора. Селективный элемент обычно представляет собой резонансный контур, образованный параллельно включенными катушкой индуктивности и конденсатором. Изменение параметров входящей в состав контура катушки индуктивности в миниатюрных радиопередатчиках довольно затруднительно, поскольку соответствующие схемотехнические решения весьма сложны, а их реализация трудоемка. В то же время применение варикапа, доступного и дешевого полупроводникового элемента, емкость которого можно изменять, непосредственно подавая на его выводы модулирующее напряжение, значительно упрощает решение задачи. Поэтому схемотехнические решения модуляторов на варикапах, обеспечивающие частотную модуляцию ЧМ-сигнала с весьма приемлемыми параметрами, пользуются особой популярностью.

В транзисторных LC-генераторах варикап в качестве элемента с емкостным характером комплексного сопротивления может быть подключен к резонансному контуру как параллельно, так и последовательно.

Упрощенные принципиальные схемы включения варикапа параллельно резонансному контуру (без цепей формирования напряжения смещения варикапа) приведены на рис. 4.1. Отличительной особенностью схемотехнического решения, изображенного на рис. 4.1б, является включение варикапа вместо конденсатора параллельного резонансного контура.

Рис. 4.1. Принципиальные схемы включения варикапа параллельно резонансному контуру (а) и вместо конденсатора резонансного контура (б)

При разработке модулятора на варикапе не следует забывать о том, что для функционирования этого полупроводникового прибора в штатном режиме на его выводы следует подавать напряжение смещения определенной величины. Поэтому в состав модулирующего каскада необходимо включить соответствующую цепь формирования напряжения смещения варикапа. Такая цепь в миниатюрных транзисторных передатчиках обычно выполняется на резисторах. Принципиальная схема параллельного колебательного контура с цепью формирования напряжения смещения варикапа приведена на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Принципиальная схема параллельного колебательного контура с цепью формирования напряжения смещения варикапа

Параллельный колебательный контур образован катушкой индуктивности L1 и емкостью варикапа VD1. Резонансная частота контура может изменяться при изменении величины обратного напряжения на варикапе, которое зависит от положения движка потенциометра R2. Для того чтобы уменьшить шунтирующее влияние потенциометра R2 на добротность контура, в цепь включен резистор R1, имеющий сравнительно большое сопротивление. Также в состав цепи включен разделительный конденсатор С1, без которого варикап VD1 оказался бы замкнут накоротко через катушку L1.

Упрощенные принципиальные схемы включения варикапа последовательно с элементами резонансного контура (без цепей формирования напряжения смещения варикапа) приведены на рис.  4.3. При этом варикап может быть включен как последовательно с конденсатором контура, так и последовательно с катушкой индуктивности.

Рис. 4.3. Принципиальные схемы включения варикапа последовательно с конденсатором (а) и последовательно с катушкой индуктивности (б) контура

Помимо этого известны схемотехнические решения, в которых варикап подключается комбинированно, с частичным включением. Упрощенная принципиальная схема такого контура приведена на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Принципиальная схема комбинированного включения варикапа

Аналогичные схемы включения варикапа используются и в транзисторных трехточечных LC-генераторах. Широкое распространение получили схемотехнические решения, в которых варикап подключается параллельно катушке индуктивности (в индуктивных трехточках), а также параллельно одному из конденсаторов емкостного делителя ВЧ-генератора (в емкостных трехточках).

Весьма разнообразны схемотехнические решения модуляторов с применением варикапа, предназначенные для модуляции сигнала генераторов с кварцевой стабилизацией частоты. При создании таких конструкций приходится, с одной стороны, добиваться высокой стабильности частоты генератора с помощью кварцевого резонатора, а с другой – обеспечивать возможность изменения этой частоты по закону модулирующего сигнала. Обычно при разработке транзисторных микропередатчиков для ВЧ-генератора с кварцевой стабилизацией частоты выбираются осцилляторные схемы, в которых кварцевый резонатор используется в качестве элемента с индуктивным характером комплексного сопротивления в резонансном контуре. В этом случае варикап, как элемент с изменяемой по закону модуляции емкостью, может быть подключен как последовательно, так и параллельно кварцевому резонатору.

Более подробную информацию о способах включения варикапа в контурах LC-генераторов и генераторов с кварцевой стабилизацией частоты заинтересованный читатель может найти в специализированной литературе и в сети Интернет.

Похожие книги из библиотеки

Воздушные извозчики вермахта. Транспортная авиация люфтваффе 1939–1945

Изначально этот род авиации, оснащенный в основном неуклюжими с виду трехмоторными самолетами Ju-52, был создан в Третьем рейхе для обслуживания парашютно-десантных войск. Впервые воздушные десанты были использованы во время Польской кампании. Затем, период захватов Дании, Норвегии, Голландии, Бельгии, Греции, транспортная авиация люфтваффе буквально «силами одного парашютно-десантного полка» захватывала аэродромы, крепости и стратегически важные мосты. Парашютисты внезапно опускались с небес прямо на голову противника, подготавливая плацдармы для выгрузки основного десанта. Уже в мае 1940 года транспортным самолетам впервые пришлось снабжать по воздуху отрезанные во вражеском тылу войска. В дальнейшем эта их функция стала основной. Демянск, Холм, Сталинград, Тунис, Кубань, Крым, Корсунь, Каменец-Подольский и многие другие котлы, образовавшиеся вследствие гитлеровской стратегии «стоять до последнего», неизменно снабжались с помощью пресловутых «воздушных мостов». На последнем этапе войны к ним прибавились многочисленные города-«крепости»: Будапешт, Кёнигсберг, Бреслау, Дюнкерк, Лорьян и многие другие.

В этой книге на основе многочисленных, в основном зарубежных источников и архивных документов впервые подробно рассказано практически обо всех невероятных по накалу и драматизму операциях транспортной авиации люфтваффе с 1939 по 1945 г.

Снайперская война

Впервые в отечественной литературе!

Глубокое исследование снайперской войны на протяжении двух столетий – с позапрошлого века до наших дней. Анализ развития снайперского дела в обеих мировых войнах и многочисленных локальных конфликтах, на поле боя и в тайных операциях спецслужб. Настоящая энциклопедия снайперского искусства – не ремесла, а именно искусства! – ведь точность выстрела зависит от десятков факторов: времени суток и температуры воздуха, скорости и направления ветра, расстояния до цели, как падет свет, куда перемещаются тени и т. д., и т. п. Исчерпывающая информация о вооружении и обучении стрелков, их тактике и боевом применении, снайперских дуэлях и контрснайперской борьбе, о прошлом, настоящем и будущем самого жестокого из воинских искусств.

Главные мифы о Второй Мировой

?Усилиями кинематографистов и публицистов создано множество штампов и стереотипов о Второй мировой войне, не выдерживающих при ближайшем рассмотрении никакой критики.

Ведущий российский военный историк Алексей Исаев разбирает наиболее нелепые мифы о самой большой войне в истории человечества: пресловутые «шмайсеры» и вездесущие пикирующие бомбардировщики, «неуязвимые» «тридцатьчетверки» и «тигры», «непреодолимая» линия Маннергейма, заоблачные счета асов Люфтваффе, реактивное «чудо-оружие», атаки в конном строю на танки и многое другое – эта книга не оставляет камня на камне от самых навязчивых штампов, искажающих память о Второй мировой, и восстанавливает подлинную историю решающей войны XX века.

?Книга основана на бестселлере Алексея Исаева «10 мифов о Второй мировой», выдержавшем 7 переизданий. Автор частично исправил и существенно дополнил первоначальный текст.

Неизвестный Лангемак. Конструктор «катюш»

Он был одним из величайших конструкторов XX века, главным инженером первого в мире Реактивного института, пионером космонавтики (именно Г.Э. Лангемак ввел этот термин), соавтором легендарной «Катюши» – но звание Героя Социалистического Труда получил лишь посмертно.

Его арестовали по доносу подчиненного, осудили как «вредителя», «заговорщика» и «врага народа» и казнили в январе 1938 года. Полвека спустя маршал Устинов сказал: «Если бы Лангемака не расстреляли, я был бы у него замом, а первым космонавтом стал бы не Гагарин, а Титов». Успей Георгий Эрихович завершить свои разработки – мы бы сейчас осваивали систему Юпитера, а на Луну летали бы (как мечтал Королев) «по профсоюзным путевкам».

Почему все эти великие начинания пошли прахом? Кто погубил великого конструктора и присвоил его открытия? Как разгромили Реактивный институт, замедлив развитие космонавтики на десятилетия? Воздавая должное гению Лангемака, эта фундаментальная биография проливает свет на самые героические и трагические страницы родной истории.

Особенности применения варикапов — Club155.ru

 

В настоящее время практически во всех перестраиваемых по частоте узлах электронной аппаратуры вместо устаревших механических методов перестройки используется электронная перестройка с помощью варикапов — полупроводниковых приборов с емкостью, зависящей от величины приложенного напряжения. Основными преимуществами данного метода являются: малые габариты узла настройки; возможность очень просто увеличить количество одновременно перестраиваемых контуров; отсутствие габаритных механических элементов, позволяющее размещать варикапы непосредственно около контурных катушек; возможность снижения паразитных излучений от элементов гетеродинов и т.п. за счет введения качественной экранировки каждого каскада; легкое сочетание плавной настройки и фиксированной, которая обеспечивается подачей на варикапы заранее установленных управляющих напряжений; хорошее согласование с цепями АПЧ; большое сопротивление механическим воздействиям, а следовательно, большая надежность и полное отсутствие микрофонного эффекта; возможность дистанционного управления и автоматизированного поиска нужной частоты без применения механических узлов.

 

Зависимость емкости варикапа \(C\) от приложенного обратного напряжения \(U_{обр}\) приблизительно определяется соотношением:

\( C \approx \cfrac{K}{ {\left( U_{обр} + \varphi_к \right)}^n } \),

где:

\(K\) — постоянная величина, зависящая от геометрических размеров и физических свойств перехода (диэлектрической проницаемости материала),

\(\varphi_к\) — контактная разность потенциалов перехода, равная 0,8. ..0,09 В для кремниевых варикапов и 0,35…0,45 для германиевых;

\(n\) — показатель, зависящий от концентрации примесей в переходе, т.е. от технологии изготовления диода.

 

В наиболее распространенных в настоящее время варикапах \(n\) < 0,5. Большие значения встречаются в диодах, которые имеют повышенный коэффициент перекрытия по емкости.

 

Эквивалентная схема варикапа при работе в режиме обратного смещения представлена на рис. 3.6-52 (в схеме не показаны индуктивность выводов и емкость корпуса).

 

Рис. 3.6-52. Эквивалентная схема варикапа

 

Здесь:

\(R_ш\) — сопротивление потерь запирающего слоя,

\(R_п\) — последовательное сопротивление потерь материала полупроводника и контактов,

\(C_б\) — барьерная емкость перехода.

 

Добротность варикапа зависит от сопротивления материала и от сопротивления потерь запирающего слоя (сопротивления утечки). 2 R_п R_ш + 1} \)

 

В общем случае значения \(R_п\) и \(R_ш\) также зависят от частоты сигнала. На низких частотах преобладающими являются потери в переходе, которые падают с увеличением частоты, т.е. добротность варикапа растет. На высоких частотах значительными становятся потери в материале полупроводника, а добротность варикапа падает. Частота, на которой добротность варикапа имеет максимальное значение:

\( f_0 = \cfrac{1}{2 \pi \sqrt{R_п R_ш}}\) 

 

при этом выражение для максимальной добротности:

\( Q_{max} = \cfrac{1}{2} \sqrt{\cfrac{R_ш}{R_п}}\)

 

Обычно варикапы используются на частотах приблизительно на порядок выше \(f_0\) .

 

Добротность варикапа существенно зависит от емкости перехода, которая, в свою очередь, зависит от величины приложенного напряжения. В результате с увеличением этого напряжения добротность варикапа увеличивается. Верхней границей управляющего напряжения является максимально допустимое обратное напряжение перехода, а нижняя определяется моментом открывания перехода. Чтобы переход все время оставался обратно смещенным, минимальная величина управляющего напряжения в предельном случае должна быть не меньше амплитуды переменного напряжения ВЧ сигнала на перестраиваемом контуре. Кроме того, минимально допустимое управляющее напряжение определяется величиной допустимых искажений формы резонансной кривой контура. В случае, если амплитуда сигнала соизмерима с величиной управляющего напряжения, средняя емкость варикапа не будет равна емкости, измеренной при малом сигнале, так как емкость за один полупериод ВЧ сигнала будет изменяться больше, чем за другой (рис. 3.6-53). Поэтому с ростом амплитуды сигнала контур расстраивается и его добротность падает.

 

Рис. 3.6-53. Искажение сильного сигнала при малом значении управляющего напряжения

 

Поскольку, как было показано выше, с увеличением управляющего напряжения добротность варикапа увеличивается, целесообразно выбирать возможно более высокие величины управляющих напряжений. Однако с увеличением управляющего напряжения крутизна вольт-фарадной характеристики варикапа уменьшается, т.е. при больших величинах управляющих напряжений для перекрытия заданного диапазона частот необходим больший диапазон изменения управляющего напряжения. Коэффициент перекрытия рабочего диапазона частот дополнительно уменьшается из-за наличия собственной емкости контурной катушки и других подключаемых параллельно контуру конденсаторов (для подстройки, для компенсации разброса параметров контура и т.п.).

 

Возможные схемы включения варикапа в контур (без цепей смещения по постоянному току) показаны на рис. 3.6-54. Когда необходимо обеспечить перекрытие заданного диапазона частот при минимальном возможном диапазоне управляющих напряжений, варикап в контур включают по схеме рис. 3.6-54а. Требуемый коэффициент перекрытия рабочего диапазона частот достигается соответствующим выбором емкости \(C_0\) и емкостей \(C_{min}\) и \(C_{max}\) варикапа, определяемых типом варикапа и диапазоном изменения управляющего напряжения на нем. Чем меньше значение \(C_0\), тем большее перекрытие по частоте можно обеспечить при заданном диапазоне управляющих напряжений (уменьшение \(C_0\) обычно возможно только до определенного предела, поскольку при этом для сохранения резонансной частоты контура на прежнем уровне приходится изменять намоточные данные индуктивности, входящей в контур, что увеличивает ее собственную емкость и влияет на общую добротность контура).

 

Рис. 3.6-54. Схемы включения варикапа в контур

 

В некоторых случаях при использовании для перестройки контуров варикапов важным фактором является обеспечение высокой добротности избирательных цепей. При этом для уменьшения влияния потерь в варикапе искусственно уменьшают долю емкости варикапа в полной емкости за счет введения дополнительных конденсаторов постоянной емкости (\(C1\) на рис. 3.6-54б) с малыми потерями. Однако для сохранения прежнего коэффициента перекрытия по частоте необходимо расширять пределы изменения управляющего напряжения варикапа и заходить в область более низких добротностей самого варикапа, так что выигрыш в добротности избирательной цепи возможен лишь при определенных соотношениях между емкостями варикапа и дополнительных конденсаторов. Наибольший выигрыш в добротности на нижнем конце диапазона частот получается при всяческом уменьшении величин емкостей конденсаторов контура.

 

При конструировании схем с варикапами следует иметь в виду, что при изменении температуры окружающей среды емкость (и добротность) варикапов меняется. Это обусловлено изменениями контактной разности потенциалов и диэлектрической проницаемости используемого полупроводникового материала. Изменение емкости происходит в направлении увеличения общей емкости с повышением температуры, т.е. температурный коэффициент емкости варикапа (\(\alpha_C\)) положителен и зависит от величины приложенного управляющего напряжения.

Изменение контактной разности потенциалов при изменении температуры почти линейно во всем рабочем диапазоне температур варикапа (уменьшается приблизительно на 2,3 мВ при повышении температуры на 1 °C). При малых значениях управляющих напряжений контактная разность потенциалов достаточно велика по сравнению с общим напряжением смещения на переходе, что приводит к значительному изменению емкости варикапа при колебаниях температуры. По мере увеличения управляющего напряжения изменения емкости становятся менее значительными. Для кремниевых варикапов в интервале управляющих напряжений 2…10 В значение \(\alpha_C\) примерно обратно пропорционально величине управляющего напряжения.

При значениях управляющих напряжений, больших чем 15…20 В, величина \(\alpha_C\) почти не зависит от приложенного напряжения и определяется температурной зависимостью диэлектрической проницаемости материала перехода, которая остается постоянной во всем диапазоне изменения управляющего напряжения.

Поскольку изменение емкости варикапа под влиянием температуры окружающей среды возникает за счет двух несвязанных между собой факторов, лучшая температурная компенсация достигается, если обеспечить отдельную компенсацию обоих эффектов.

В зависимости от выбранного диапазона управляющих напряжений и от требований к точности компенсации \(\alpha_C\) в схему могут вводиться различные элементы, компенсирующие влияние температуры либо на изменение контактной разности потенциалов, либо на изменение диэлектрической проницаемости полупроводникового материала перехода, либо одновременно на то и другое. Простые методы температурной компенсации, когда в контур включаются конденсаторы с отрицательным температурным коэффициентом емкости, могут использоваться лишь в схемах с малыми пределами изменения управляющих напряжений (не более 1,5…2 раза).

Для компенсации изменения контактной разности потенциалов достаточно добавить дополнительный источник управляющего напряжения (корректирующее напряжение), включив его последовательно с основным источником. Такое корректирующее напряжение должно иметь противоположную полярность и не зависеть от величины основного управляющего напряжения, но зависеть от температуры также, как и величина контактной разности потенциалов варикапа. Требуемую характеристику можно получить от прямосмещенного кремниевого диода. На рис. 3.6‑55 показана схема, обеспечивающая компенсацию температурных изменений контактной разности потенциалов варикапа с помощью кремниевого диода, на который подано напряжение прямого смещения.

 

Рис. 3.6-55. Схема компенсации температурного изменения контактной разности потенциалов варикапа с помощью прямосмещенного диода

 

Ток смещения диода \(VD2\) в схеме рис. 3.6‑55 должен быть выбран достаточно высоким с тем, чтобы не сказывалось влияние обратного тока варикапа (значения порядка 50…100 мА можно считать вполне достаточными для большинства случаев применения данной схемы, они обеспечивают приемлемую компенсацию вплоть до 150 °C). Компенсирующий диод должен иметь ту же самую температуру, что и варикап, а управляющее напряжение должно быть больше, чем напряжение, которое падает на диоде \(VD2\).

 

Для компенсации изменения диэлектрической проницаемости материала перехода от температуры в цепь питания варикапа вводят термосопротивление с отрицательным температурным коэффициентом. Такая схема компенсации показана на рис. 3.6-56. изменение сопротивления термистора должно быть таким, чтобы обеспечить необходимое изменение напряжения на регулировочном потенциометре. При необходимости введения более точной температурной компенсации используют оба рассмотренных метода.

 

Рис. 3.6-56. Схема компенсации температурного изменения диэлектрической проницаемости полупроводникового материала перехода варикапа с помощью терморезистора

 

Дополнительным источником температурной нестабильности является обратный ток варикапа, который у кремниевых диодов при нормальной комнатной температуре бывает порядка 0,01 мкА. С повышением температуры он значительно возрастает. Для подачи управляющего напряжения на варикап могут использоваться последовательная (рис. 3.6-57а) и параллельная (рис. 3.6-57б) схемы. Наличие влияния обратного тока возможно только в схеме на рис. 3.6-57б.

 

Рис. 3.6-57. Последовательная (а) и параллельная (б) схемы подачи управляющего напряжения на варикап

 

Температурное изменение обратного тока варикапа может привести к изменению падения напряжения на любом сопротивлении, включенном последовательно между варикапом и источником питания, что в результате приведет к изменению напряжения смещения на диоде, изменению его емкости и расстройке контура. Таким образом, наличие обратного тока варикапа ограничивает максимально допустимое сопротивление в цепи подачи управляющего напряжения в схеме параллельного питания. Поэтому для питания варикапов следует применять источники управляющего напряжения с возможно меньшим внутренним сопротивлением (приемлемыми считаются величины порядка 1…10 кОм), а для развязки цепей питания вместо последовательных сопротивлений использовать ВЧ дроссели.

 

Как уже отмечалось, контур, перестраиваемый варикапом, при малых величинах управляющего напряжения и больших уровнях принимаемого сигнала имеет недостатки, выражающиеся в изменении емкости диода в такт с изменением переменного напряжения и в сдвиге среднего значения емкости в связи с тем, что положительная и отрицательная полуволны вызывают различное изменение мгновенного значения емкости. Из-за изменения мгновенного значения емкости переменное напряжение ВЧ сильно искажается. Кроме того, из-за изменения среднего значения емкости ухудшается стабильность настройки контура. Нелинейные эффекты в контуре с варикапом начинаются уже с момента, когда приложенное переменное напряжение достигает примерно 1/3 величины постоянного управляющего напряжения.

Характеристика контура с варикапом может быть значительно улучшена за счет применения двух варикапов, включенных по переменному току последовательно в противофазе, а по постоянному току — параллельно (рис. 3.6-58). В этом случае на каждый варикап приходится лишь половина величины общего переменного напряжения сигнала, т.е. в два раза улучшается соотношение величин постоянного и переменного напряжений на варикапе, а благодаря противофазному включению незначительные и противоположно направленные изменения мгновенной емкости взаимно компенсируют друг друга (т.е. мгновенное значение общей емкости контура остается практически постоянным).

 

Рис. 3.6-58. Встречное включение варикапов, компенсирующее нелинейные искажения ВЧ-сигнала в контуре

 

Очевидно, что используемые в схеме на рис. 3.6‑58 варикапы должны иметь максимально схожие вольт-фарадные характеристики. Для применения в таких случаях выпускаются варикапы специально подобранные в пары (тройки, четверки и т.д.), а также варикапные матрицы, в которых в одном корпусе собрано несколько варикапов с одинаковыми характеристиками. Кроме встречного включения в одном контуре такие приборы применяются там, где необходимо обеспечить идентичное управление несколькими сопряженными контурами.

 

Кроме рассмотренных выше способов использования варикапов для перестройки резонансных контуров, эти диоды могут также использоваться и для других регулировок, осуществляемых изменением емкости. Примером может служить применение варикапов для регулирования полосы пропускания тракта промежуточной частоты. Такое регулирование может осуществляться либо за счет механического изменения связи между контурами, либо за счет переключения емкостей связи. Для регулирования ширины полосы с помощью варикапов их можно включить в качестве емкости связи между двумя контурами полосового фильтра (рис. 3.6‑59).

 

Рис. 3.6-59. Использование варикапа для регулировки полосы пропускания полосового фильтра

 

В такой схеме при изменении управляющего напряжения на варикапе ширина полосы пропускания фильтра может изменяться в 2…3 раза. Однако наряду с изменением ширины полосы пропускания при изменении управляющего напряжения будет происходить и некоторое смещение средней частоты. Этот недостаток можно уменьшить за счет применения большего числа варикапов. На рис. 3.6-60 приведена схема с двумя варикапами. Здесь варикап \(VD2\) обеспечивает изменение ширины полосы за счет изменения связи между контурами, а получающееся при этом нежелательное смещение средней частоты в сторону меньших частот компенсируется перестройкой первого контура варикапом \(VD1\). Расширение полосы в такой схеме больше, чем в схеме с одним диодом при одинаковых управляющих напряжениях, а смещение средней частоты настройки значительно меньше.

 

Рис. 3.6-60. Регулировка полосы пропускания полосового фильтра с помощью двух варикапов

 

Для еще более точной компенсации ухода средней частоты, можно использовать три варикапа, т.е. аналогично \(VD1\) в первом контуре включить варикап во второй контур.

К сожалению, при прохождении ВЧ сигнала через последовательно включенный варикап его форма значительно искажается. Поэтому в высококачественных системах обычно используют более сложные схемы перестраиваемых фильтров, где несколько включенных встречно и противофазно варикапов осуществляют сопряженное управление несколькими контурами.

 

 

< Предыдущая		Следующая >

Схемы варикапа » Заметки по электронике

Варакторный диод можно использовать в различных схемах от генераторов до фильтров.

Ключевым моментом является знание того, как подавать управляющее напряжение.

---

Варактор / варикап Учебное пособие Включает:
Варактор / варикап Резкие и гиперрезкие варакторы Характеристики варактора (техническое описание) Схемы варакторных диодов

Другие диоды: Типы диодов

---

Использование варикапов в радиочастотных электронных схемах связано со многими аспектами. Конфигурация цепей варакторов может повлиять на их работу — некоторые небольшие изменения могут привести к значительным различиям в производительности.

В связи с тем, что ВЧ схемы не всегда легко оптимизировать, необходимо убедиться, что в схемах варакторов используются наилучшие методы управления варакторными диодами, а также наиболее удачные базовые схемы.

Управляющие варакторные диоды

Варакторный диод требует, чтобы обратное смещение прикладывалось к диоду таким образом, чтобы это не влияло на работу настроенной схемы, частью которой он является. Необходимо позаботиться о том, чтобы изолировать напряжение смещения от схемы настройки, чтобы не ухудшились ВЧ-характеристики.

Типичная схема генератора, управляемого напряжением, показанная ниже, показывает способ, которым варактор часто включается в схему.

Обычно катод заземлен или подключен к общему потенциалу постоянного тока. Затем к другому концу может быть приложен потенциал смещения. Схема смещения должна быть изолирована для радиочастотных сигналов от настроенной схемы, чтобы предотвратить любое ухудшение характеристик.

Схема генератора, управляемого напряжением

В этой схеме используются два диода. Один берется непосредственно на землю, а второй берется на постоянное напряжение земли с путем прохождения постоянного тока через индуктор. Наличие двух диодов, используемых таким образом, позволяет лучше сбалансировать изменения, вызванные самими ВЧ-колебаниями. Схема решает проблему радиочастотной модуляции напряжения настройки. Эффект нивелируется — при повышении ВЧ напряжения емкость на одном диоде будет увеличиваться, а на другом уменьшаться. Конфигурация «спина к спине» также вдвое уменьшает емкость одного диода, поскольку емкости двух диодов расположены последовательно друг с другом. Также следует помнить, что последовательное сопротивление удвоится, и это повлияет на Q.

При необходимости можно заменить D1 одним конденсатором. Если этого не сделать, то управляющее напряжение будет иметь путь постоянного тока к земле через дроссель, и схема не будет работать.

На место соединения двух диодов необходимо подать управляющее напряжение. Для этого можно использовать либо резистор, либо катушку индуктивности, поскольку диоды работают при обратном смещении и имеют высокое сопротивление постоянному току.

Катушки индуктивности

могут хорошо работать в некоторых ситуациях, поскольку они обеспечивают путь смещения с низким сопротивлением. Однако они могут вносить паразитную индуктивность и при некоторых обстоятельствах могут вызывать паразитные колебания при использовании в генераторе. Также можно использовать резисторы. Сопротивление должно быть достаточно высоким, чтобы изолировать схему смещения от настроенной схемы без снижения добротности. Оно также должно быть достаточно низким, чтобы управлять смещением на диоде против воздействия ВЧ, проходящего через диод. Значение 10 кОм часто является хорошей отправной точкой.

При проектировании схемы с использованием варикапов необходимо следить за тем, чтобы диоды не смещались в прямом направлении. Иногда, особенно при использовании низких уровней обратного смещения, сигнала в ВЧ-секции схемы может быть достаточно на некоторых участках цикла, чтобы преодолеть смещение и перевести диод в прямую проводимость. Это приводит к генерации ложных сигналов и другим неприятным нежелательным эффектам.

Другие электронные компоненты:
Батарейки конденсаторы Соединители Диоды полевой транзистор Индукторы Типы памяти Фототранзистор Кристаллы кварца Реле Резисторы ВЧ-разъемы Переключатели Технология поверхностного монтажа Тиристор Трансформеры Транзистор Клапаны/трубки
    Вернуться в меню «Компоненты». . .

Как работают варакторы (варикапы) диоды

Варакторный диод, также называемый варикапом, VVC (емкость, регулируемая напряжением, или подстроечный диод), представляет собой тип полупроводникового диода, который имеет переменную емкость, зависящую от напряжения, на его p-n переходе, когда устройство с обратным смещением.0009

Принцип работы варакторного диода зависит от существующей емкости на p-n переходе диода, когда он находится в режиме обратного смещения.

В этом состоянии мы обнаруживаем, что область непокрытых зарядов устанавливается поперек p-n сторон перехода, что вместе приводит к обедненной области поперек перехода.

Эта область истощения устанавливает ширину истощения в устройстве, обозначенную как Wd.

Переход емкости из-за объясненных выше изолированных непокрытых зарядов через p-n переход можно определить по формуле:

КТ = ε. A/Wd

, где ε — диэлектрическая проницаемость полупроводниковых материалов, A — площадь перехода p-n , а W d — ширина обеднения.

Основную работу варикапа или варакторного диода можно понять с помощью следующего пояснения:

Когда варикап или варикап применяется с повышающимся обратным потенциалом смещения, это приводит к увеличению ширины обеднения устройства, что в свою очередь вызывает уменьшение его переходной емкости.

На следующем рисунке показана типичная характеристика варакторного диода.

Мы можем видеть резкое начальное падение CT в ответ на увеличение потенциала обратного смещения. Обычно диапазон приложенного напряжения обратного смещения VR для емкостного диода с переменным напряжением ограничен 20 В. / (ВТ + ВР) ⁿ

В этой формуле K — константа, определяемая типом используемого полупроводникового материала и его конструкцией.

VT — потенциал колена , как описано ниже:

VR — величина потенциала обратного смещения, приложенного к устройству.

n может иметь значение 1/2 для варикапов с переходом из сплава и 1/3 для диодов с диффузным переходом.

При отсутствии напряжения смещения или при нулевом напряжении смещения емкость C(0) как функцию VR можно выразить с помощью следующей формулы.

CT(VR) = C(0) / (1 + |VR/VT|) ⁿ

Эквивалентная схема варикапа

Стандартные символы (b) и эквивалентная приблизительная схема (a ) варикапа представлено на следующем изображении:

На правом рисунке показана приблизительная схема моделирования варикапа.

Поскольку диод находится в области обратного смещения, сопротивление эквивалентной схемы RR оказывается значительно большим (около 1 МОм), а геометрическое значение сопротивления Rs довольно мало. Значение CT может варьироваться от 2 до 100 пФ в зависимости от типа используемого варикапа.

Чтобы значение RR было достаточно большим, чтобы ток утечки был минимальным, для варикапа обычно выбирается кремниевый материал.

Поскольку предполагается, что варикапный диод будет специально использоваться в приложениях с чрезвычайно высокими частотами, индуктивность LS нельзя игнорировать, даже если она может показаться небольшой в наногенри.

Влияние этой малой на вид индуктивности может быть весьма значительным и может быть доказано с помощью следующего расчета реактивного сопротивления.

XL = 2πfL. Представим, что частота 10 ГГц и LS = 1 нГн будут генерировать в XLS = 2πfL = (6,28)(10 ¹⁰ Гц)( 10 ^-9 F) = 62,8 Ом. Это выглядит слишком большим, и, несомненно, именно поэтому варикапные диоды имеют строгое ограничение по частоте.

Если предположить, что диапазон частот подходящий, а значения RS, XLS низкие по сравнению с другими последовательными элементами, указанную выше эквивалентную схему можно было бы просто заменить переменным конденсатором.

Описание технического описания варикапа или варакторного диода

Полное техническое описание типичного варикапа можно изучить по следующему рисунку: применяется с обратным потенциалом смещения от 3 до 25 В. Отношение помогает нам быстро получить справку об уровне изменения емкости по отношению к приложенному обратному потенциалу смещения.

цифра Merit Q обеспечивает диапазон рассмотрения для реализации устройства для приложения, а также показатель отношения энергии, запасенной емкостным устройством за цикл, к энергии, теряемой или рассеиваемой за цикл.

Поскольку потеря энергии в основном рассматривается как отрицательное свойство, чем выше относительное значение коэффициента, тем лучше.

Другим аспектом в техническом описании является резонансная частота варикапа. А это определяется по формуле:

fo = 1/2π√LC

Этот коэффициент определяет область применения варикапа.

Температурный коэффициент емкости

Ссылаясь на приведенный выше график, температурный коэффициент емкости варикапа можно оценить по следующей формуле: на (T1 — T0), для конкретного потенциала обратного смещения.

Например, в таблице данных выше показано, что C0 = 29 пФ при VR = 3 В и T0 = 25 градусов Цельсия.

Используя приведенные выше данные, мы можем оценить изменение емкости варикапа, просто подставив новое значение температуры T1 и TCC из графика (0,013). Можно ожидать, что при наличии нового VR значение TCC изменится соответствующим образом. Возвращаясь к техническому описанию, мы обнаруживаем, что максимальная достигнутая частота будет равна 600 МГц.

Используя это значение частоты, реактивное сопротивление XL варикапа можно рассчитать как:

XL = 2πfL = (6,28)(600 x 10 ¹⁰ Гц) (2,5 x 10 ^-9 F) = 9,42 Ом

Результатом является величина, которая относительно мала, и ею можно пренебречь.

Применение варикапа

Немногие из высокочастотных областей применения варикапа или варикапа, определяемые низкой емкостью, включают регулируемые полосовые фильтры, устройства автоматической регулировки частоты, параметрические усилители и модуляторы ЧМ.

В приведенном ниже примере показан варикап, реализованный в схеме настройки.

Схема состоит из комбинации контуров LC-контура, резонансная частота которых определяется:

fp = 1/2π√LC’T (система с высокой добротностью), имеющей уровень C’T = CT + Cc , установленный приложенным потенциалом обратного смещения VDD.