Параметры варикапов.

Несмотря на то, что варикап разработан на базе диода, это всё-таки конденсатор и именно параметры, связанные с ёмкостью и являются основными. Вот лишь некоторые из них:

Максимальное обратное постоянное напряжение ( U_{обр. max} _.). Измеряется в вольтах (В). Это максимальное напряжение, которое можно подавать на варикап. Напомним, что ёмкость варикапа уменьшается при увеличении обратного напряжения на нём.
Номинальная ёмкость варикапа ( С_В ). Это ёмкость варикапа при фиксированном обратном напряжении. Поскольку варикапы выпускаются на различные значения ёмкости, начиная от долей пикофарады и до сотен пикофарад, то их ёмкость измеряют, подавая определённую величину обратного напряжения на варикап. Оно может быть равным 4 и более вольтам, и, как правило, указывается в справочных данных.

Также может указываться минимальная и максимальная ёмкость варикапа ( C_min и C_maх ). Это связано с тем, что параметры выпускаемых варикапов могут несколько отличаться. Поэтому в справочных данных указывают минимально- и максимально- возможную ёмкость варикапа при фиксированном обратном напряжении ( U_обр ). Это и есть C_max и C_min.

У импортных варикапов обычно указывается только одна величина C_d (или C_д ) – ёмкость варикапа при обратном напряжении, близком к максимальному. Например, для импортного варикапа BB133 ёмкость C_d = 2, 6 pF (пФ) при обратном напряжении V_R = 28 V.

Коэффициент перекрытия по ёмкости ( К_с ). Этот параметр показывает отношение максимальной ёмкости варикапа к минимальной. Считается так:

Например, для отечественного варикапа КВ109А коэффициент перекрытия Кс равен 5, 5. Ёмкость при Uобр = 25 В составляет 2, 8 пФ (Это – C_min ). Так как диапазон обратного напряжения для варикапа КВ109А составляет 3 – 25 вольт, то используя формулу, можно узнать ёмкость этого варикапа при обратном напряжении в 3 вольта. Оно составит 15, 4 пФ. (Это – C_max ).

В документации на импортные варикапы так же указывается коэффициент перекрытия. Он называется capacitanceratio. Формула, по которой считается этот параметр, выглядит так (для варикапа BB133).

Как видим, берётся ёмкость варикапа при обратном напряжении в 0, 5 V и в 28 V. Так как ёмкость варикапа уменьшается при увеличении обратного напряжения на нём, то становиться ясно, что эта формула расчёта аналогична той, что применяется для расчёта Кс.

Все остальные параметры можно считать несущественными. В некоторых случаях необходимо обратить внимание на граничную частоту, но это не столь важно, поскольку варикапы уверенно работают во всём радио и телевизионном диапазоне.

Характеристика зарядной емкости варикапа от напряжения на ней показана на рис. 2. 29. На диоде действуют два напряжения: обратное смещение U_упр и напряжение радиочастоты u_ω= U_ωcosω t, как часть напряжения на контуре [3]. В процессе работы диод должен оставаться обратно смещенным, т. е. , иначе диод откроется, в контур будет внесено активное нелинейное сопротивление, что приведет к недопустимому увеличению шумов ГУНа.

Для наиболее часто используемых кремниевых диодов контактная разность потенциалов j ≈ 0, 7 В, а управляющее напряжение меняют в пределах от – 4 до – 10 В.

Рис. 2. 29. Вольт-фарадная характеристика варикапа

Схемы частных модуляторов различают главным образом способом связи варикапа с резонатором автогенератора. Наиболее типовые схемы – это транзисторный АГ по схеме Клаппа (рис. 3) и АГ с кварцем в контуре (рис. 4).

Рис. 3. Схема управляемого по частоте автогенератора по схеме Клаппа (а) и эквивалентная схема его контура(б).

Рис. 4. Схема управляемого по частоте автогенератора с кварцем в контуре (а) и эквивалентная схема его контура (б).

Рис. 5. Частотный модулятор (а) и его эквивалентная схема (б).

Расчет частного модулятора проведем для наиболее простой реализации схемы с емкостной связью (рис. 5) на биполярном транзисторе по схеме Клаппа.

Варикап связан с колебательным контуром с помощью емкости Постоянное напряжение на варикап поступает от источника питания через делитель модулирующее напряжение – через разделительную емкость Схема успешно применяется, если где граничная частота транзистора. Если 0, 5 то используются корректирующую цепочку.

Рассмотрим порядок расчета частного модулятора.

1. Сначала рассчитывается автогенератор по методике, известной из расчета задающих генераторов. Определяются следующие параметры схемы:

· Амплитуда первой гармоники напряжения на базе

· Амплитуда первой гармоники напряжения на коллекторе

· Коэффициент включения контура к выходу эмиттера транзистора p;

· Параметры контура L где суммарная емкость Б и Э; С- полная емкость контура, пересчитанная к индуктивности.

2. Потом следует выбрать варикап с возможно большей средней емкостью для уменьшения нелинейных искажений. Тогда и Максимальное значение ограничено двумя факторами:

· С ростом спадает граничная частота и, следовательно, его добротность для уменьшения влияния варикапа на стабильность необходимо, чтобы Q> 50…100;

· С ростом становиться нелинейной ДМХ модулятора.

3. Далее рассчитывается режим варикапа в следующей последовательности:

· Рабочий диапазон на варикапе – это диапазон напряжений, при которых p-nпереход закрыт: , где максимально допустимое напряжение. Напряжение выбирается произвольно при выполнении условий:

· Амплитуду модулирующих колебаний определяют из выражения по заданному и выбранному . Если U задано, то находят

· Полезное изменение емкости варикапа

· Коэффициент и рассчитывают, используя следующие зависимости: , .

· Амплитуда первой гармоники ВЧ напряжения на варикапе , где Значения и p(коэффициент связи контура с коллектором транзистора) известны из расчета автогенератора.

4. Затем определяется емкость и В соответствии с рис. 5, (б)

, откуда ;

Порядок использования уравнений для расчета ЧМ на варикапе следующий: 1) ; 2) 3) 4) 5) 6) 7) / 8)

Пример. Рассчитать частотный модулятор со следующими параметрами: несущая частота относительная девиация частоты коэффициент гармоники диапазон модулирующих частот 300…3400 Гц. Схема ЧМ изображена на рис. 5.

Из расчета автогенератора известны следующие его параметры: .

Выбираем варикап КВ104Е, емкость которого при и добротность на частоте 10 МГц (т. е. на частоте Предельные параметры варикапа: Степень нелинейности вольт-фарадной характеристики Чтобы смещение на варикап можно было подавать от источника коллекторного питания транзистора выбираем постоянное смещение на варикапе, близкое этому значению. Пусть тогда ;

Рассчитаем делитель в цепи смещения варикапа, учитывая следующие условия: 1) 2) Второе условие вводится для того, чтобы нагрузка источника модулирующего сигнала была постоянной в полосе частот Пусть тогда

Нелинейные искажения в ЧМ на варикапе характеризуются коэффициентом гармоник, определяемым выражением

где и - амплитуды первой и n-й гармоник.

Значение не должно превышать заданное (допустимое). Определим выражение для расчета его значения. Используя ВФХ варикапа Cδ (u п)= Cδ ( ) / , получаем

где - емкость варикапа при напряжении; - номинированная амплитуда модулирующих колебаний; – нормированная амплитуда ВЧ колебаний; - контактная разница потенциалов; v = 0, 2 … 1, 0 (обычно v = 1/3).

Учитывая, что обычно , представив функцию в виде степенного ряда, ограничившись первыми членами разложения и отбросив ВЧ составляющие, получим

;

Как видим, емкость варикапа изменяется во времени около среднего значения . Полезные изменения происходят с амплитудой. Нелинейные искажения определяются третьим слагаемым . Тогда

где ; ; .

Отсюда следует, что для получения минимального значения необходимо:

· Применять варикапы с возможно большими значениями степени нелинейности ВФХ v, т. е. с резкими и сверхрезкими переходами, где v =1;

· Увеличивать коэффициент вклада варикапа в суммарную емкость резонатора;

· Уменьшить девиацию частоты;

Основные достоинства модуляторов на варикапах: малые габаритные размеры, ничтожная мощность источника управляющего напряжения.

Недостатки таких модуляторов:

· При > 0 дифференциальное сопротивление R мало и шунтирует барьерную емкость, что затрудняет использование варикапа для управления частотой;

· Большой уровень нелинейных искажений и паразитной АМ связан с изменением добротности варикапа в процессе ЧМ.

Для уменьшения нелинейных искажений в ЧМ необходимо:

· Применять варикапы с возможно большим значением v (резкие и сверхрезкиеp-nпереходы);

· Применять высокодобротные контура;

· Уменьшить индекс модуляции M;

· Увеличивать коэффициент вклада варикапа в суммарную емкость контура.

На практике для получения малых выбирают = 1 и М = 15 … 20.

На рисунке 5 для примера приведена схема Колпитца, выполненная на биполярном транзисторе.

Рисунок 5. Схема Колпитца, выполненная на биполярном транзисторе

В этой схеме усилительный элемент (транзистор VT1) включен в схему контура L1 C1 C2, резонансная частота которого и задаёт частоту генерации схемы. Глубина обратной связи задаётся соотношением ёмкостей C2 и C3 контура и коэффициентом усиления транзистора на заданной частоте самовозбуждения. Настройка гетеродина на требуемую частоту производится при помощи постоянного напряжения, поступающего на варикап VD1.

Развязывающий конденсатор C3 не дает индуктивности L1 закоротить базу транзистора VT1 на корпус схемы по постоянному току, поэтому цепи стабилизации тока транзистора по постоянному току можно рассматривать независимо.

В данной схеме применена схема эмиттерной стабилизации. Как известно, в эмиттерной стабилизации ток через резисторный делитель напряжения R1, R2 выбирается больше тока базы транзистора VT1 (как минимум в пять раз). В этом случае напряжение на базе транзистора не будет зависеть от температуры. При увеличении коллекторного, а, значит, и эмиттерного, тока транзистора VT1 (например, из-за увеличения температуры) увеличивается падение напряжения на резисторе R3. Это приводит к уменьшению напряжения U_кэ, т. к. по закону Киргофа напряжение на базе может быть описано следующим образом:

откуда можно выразить напряжение U_кэ:

Уменьшение напряжения U_кэ приводит к уменьшению тока базы транзистора и в конечном итоге к стабилизации тока покоя транзистора VT1.

Варикап VD1 в этой схеме предназначен для перестройки гетеродина в заданном диапазоне частот. Конденсатор C1 не позволяет индуктивности L1 замкнуть напряжение настройки гетеродина на корпус и, кроме того, может быть использован для уменьшения диапазона перестройки частот гетеродина.

В качестве еще одного примера принципиальной схемы гетеродина, на рисунке 6 приведена схема Клаппа, выполненная на биполярном транзисторе

Рисунок 6. Схема Клаппа, выполненная на биполярном транзисторе

В этой схеме, как и в схеме, приведенной на рисунке 5, применена схема эмиттерной стабилизации по постоянному току. В ней базовый делитель напряжения собран на резисторах R2 и R3, а эмиттерный резистор — это R1. В остальном схема включения транзистора по постоянному току не отличается от схемы включения транзистора, приведенной на рисунке 5.

В схеме гетеродина, приведенной на рисунке 6, транзистор включен по схеме с общей базой. Как и в схеме включения транзистора с общим коллектором, она не инвертирует входной сигнал, поэтому для самовозбуждения колебаний достаточно подать на вход часть энергии колебаний из выходного контура. Частотно-задающий параллельный контур в данной схеме составляют элементы L1, C1, C2. Глубина обратной связи определяется соотношением емкостей конденсаторов C1 и C2. Развязывающий конденсатор большой емкости C4 обеспечивает заземление верхнего по схеме конца индуктивности L1. Конденсатор C3 обеспечивает заземление базы транзистора VT1 по переменному току.

⇐ Предыдущая 12