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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Características do uso de varicaps. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Designer de rádio amador Capacitores semicondutores controlados por tensão de capacitância variável - varicaps - dispositivos com uma não linearidade fortemente pronunciada. Por esta razão, em circuitos onde uma tensão alternada de amplitude relativamente grande é aplicada ao varicap, ele é capaz de surpreender. Essencialmente, um varicap é um diodo semicondutor com polarização reversa. O ramo direto de sua característica corrente-tensão, que é fundamental para o objetivo principal do diodo (retificação, detecção), é insignificante para um varicap. No caso geral, um diodo e até mesmo uma junção de coletor ou emissor de um transistor bipolar podem ser usados \uXNUMXb\uXNUMXbcomo varicap (e na prática isso é frequentemente implementado). Ao contrário dos diodos semicondutores, para varicaps eles normalizam (e, é claro, fornecem durante a produção) a capacitância da junção p-n em uma certa tensão de polarização e o fator de qualidade. Observe que não é fácil obter um fator de qualidade de um varicap que exceda significativamente o fator de qualidade de uma bobina de contorno. Isso se explica pelo fato de que em um varicap, como em qualquer diodo, a resistência da região de base do semicondutor é sempre conectada em série com a junção p-n e em paralelo - a resistência equivalente devido à corrente reversa através da junção . O fator de qualidade relativamente baixo do varicap implica, em particular, a necessidade de levá-lo em consideração ao calcular o fator de qualidade do circuito oscilatório A dependência da capacitância da junção p-n da tensão reversa aplicada a ela tem um caráter de lei de potência da forma C-Un, onde o valor do parâmetro n pode estar na faixa de 0,33 a 0,5 (determinado pela junção Tecnologia de manufatura). Na fig. 1 mostra uma característica típica de capacitância-tensão do varicap D902 construído em coordenadas lineares. Características semelhantes podem ser encontradas na literatura de referência. Eles permitem determinar a capacitância do varicap em diferentes valores da tensão de polarização.
No entanto, é preferível lidar com a característica capacitância-tensão do varicap, construída em uma escala logarítmica "dupla" (isto é, em ambos os eixos). Sabe-se que uma função de potência se parece com uma linha reta em tal escala, e a tangente do ângulo de sua inclinação ao eixo y é numericamente igual ao expoente da função. Na fig. 2 mostra este gráfico para o varicap D902. Tendo medido os lados de um triângulo retângulo ABC com uma régua comum, obtemos um valor de 0,5 (AB / BC) para o módulo do expoente. A natureza de queda da característica indica que este indicador tem um sinal de menos. Assim, a dependência da capacitância do varicap D902 da tensão aplicada tem a forma С = U-0.5.
O acima se aplica a varicaps "clássicos". Para aumentar a eficiência de controle dos varicaps modernos, medidas tecnológicas especiais são tomadas durante sua fabricação, portanto, as características capacitância-tensão podem não ter mais uma forma tão simples. Como a característica capacitância-tensão de um varicap não é linear, seu uso em equipamentos inevitavelmente leva à distorção. O rádio amador alemão Ulrich Graf (DK4SX) mediu a distorção de intermodulação de segunda e terceira ordem em vários filtros passa-banda contendo diodos semicondutores (Ulrich Graf. Intermodulação passivan Schaltungsteilen. - CQ DL, 1996, No. 3, s. 200-205). Ele aplicou à entrada do filtro (resistência de entrada 50 ohms) dois sinais com nível de +3 dB (10 mV a 50 ohms) e analisou o espectro do sinal de saída. Graf escolheu os valores de frequência dos sinais de entrada para que os produtos de intermodulação caíssem na banda passante do filtro. Em um dos experimentos em um filtro passa-banda de entrada de dois circuitos, os capacitores constantes incluídos nos circuitos oscilatórios foram substituídos por varicaps. Nesse caso, os componentes de intermodulação de segunda ordem na saída do filtro aumentaram de nível em 10 dB e o terceiro - em quase 50 dB! Em outras palavras, os varicaps nos circuitos de entrada dos receptores podem piorar sua seletividade real, embora, provavelmente, "funcionem" dessa maneira apenas em equipamentos de classe relativamente alta (equipamentos de comunicação). No entanto, mesmo em um receptor de classe média, a intermodulação no varicap de entrada pode se tornar significativa se o receptor for operado próximo a transmissores. Existem, no entanto, nós nos quais, em princípio, uma tensão alternada relativamente grande deve ser fornecida ao varicap - estamos falando de geradores. Na fig. 3 mostra um esquema amplamente utilizado para incluir um varicap no circuito oscilatório do gerador, e na fig. 4 - características de capacitância-tensão (C) e corrente-tensão (I) do varicap e tensão instantânea através do varicap (Ur) em dois valores da tensão de controle (Uynp). Observe que, para maior clareza no gráfico, a escala ao longo do eixo "U" à direita do zero e ao longo do eixo "I; C" abaixo do zero é ampliada. Enquanto a tensão de controle for alta (Uynp1) em comparação com a amplitude da tensão CA (Ur), o varicap opera normalmente. Mas com a diminuição da tensão de controle (Ucontrol2), pode haver momentos em que, nos picos da meia onda negativa de tensão, o ponto de operação do varicap entrará no ramo direto da característica corrente-tensão e começar a retificar a tensão alternada aplicada a ele.
Como determinar o limite da zona de operação normal do varicap no gerador? Você pode, por exemplo, medir a tensão CA no varicap e compará-la com a tensão de controle. Isso requer um voltímetro de RF com alta impedância de entrada e baixa capacitância de entrada (para que sua conexão não altere o modo de operação do gerador). A tensão de controle mínima permitida no varicap pode ser determinada sem violar o modo de operação do gerador e usando um medidor de frequência. Ele é conectado à saída do gerador e a dependência da inclinação de controle do gerador na tensão de controle é removida. Inclinação do controle - é a razão entre a mudança na frequência do gerador e a mudança dada na tensão de controle que o causou - ΔF / ΔU. Quando o varicap está totalmente incluído no circuito, a inclinação pode, por exemplo, ser descrita por uma função de potência (pelo menos para D902), cujo expoente depende do tipo de característica capacitância-tensão do varicap. Lembre-se (veja acima) que tal função, se plotada em uma escala logarítmica "dupla", é uma linha reta. Se o varicap começar a sair do modo normal de operação, a natureza da dependência da inclinação da tensão de controle mudará. Isso também é verdade em um caso mais geral, quando o varicap não está completamente incluído no circuito ou sua característica capacitância-tensão não é uma função de potência. Como a característica capacitância-tensão não é linear, as medições devem ser realizadas em uma determinada sequência. Ao definir alguma tensão de controle Uynp, a frequência do oscilador Fr é determinada. Então, primeiro, essa tensão é reduzida para Uypr - ΔUynp e, em seguida, é aumentada para Uynp + ΔUynp e os valores de frequência correspondentes Fr1 e Fr2 são lidos no visor do medidor de frequência. A rampa de controle na tensão de controle Uypr é calculada pela fórmula ΔF/ΔU = (Fr2-Fr1)/2ΔUynp. O valor absoluto da mudança de tensão ΔUypr deve ser mínimo, mas de forma que seja possível registrar com segurança a mudança na frequência do gerador. Em seguida, defina outro valor da tensão de controle Ucontrol e repita as medições. Esta técnica reduz a influência da não linearidade da característica capacitância-tensão do varicap na precisão da medição da curva de controle. Os resultados das medições da inclinação do controle de frequência do gerador com a inclusão total do varicap no circuito (ver Fig. 3) são mostrados na fig. 5. Pode-se observar que quando a tensão de controle no varicap está abaixo de 3,5 V, ele sai do modo normal. Em outras palavras, para o gerador especificado esta tensão será crítica.
Com uma diminuição adicional na tensão de controle, a inclinação da curva pode até mudar de sinal! Isso ocorre devido à já mencionada retificação da tensão de alta frequência aplicada ao varicap. A tensão retificada é subtraída da tensão de controle e começa a dominá-la. Se a situação descrita acontecer, por exemplo, com o oscilador local do seu receptor, haverá algo para se surpreender. Imagine - quando você gira o botão do resistor variável "Configuração" na mesma direção, a frequência de recepção muda primeiro em uma direção, depois praticamente para de mudar e depois pode voltar. Autor: B.Stepanov, Moscou
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