варикап. ВАРИКАП. Изучение свойств варикапа
 Скачать 0.56 Mb.
|
|
11. Рабочий диапазон частот варикапа. Добротность Барьерная емкость не зависит от частоты во всем радиотехническом диапазоне (вплоть до миллиметровых волн). Однако во всяком полупроводниковом диоде, помимо емкости, имеется сопротивление утечки Rш  p-n перехода и последовательное сопротивление Rп  , складывающееся из сопротивления материала полупроводника и сопротивления контактов. На рис. 12 приведена эквивалентная схема запертого полупроводникового диода. Рис. 12 Эквивалентная схема запертого полупроводникового диода.  – барьерная емкость р-п перехода; Rш– резистор, шунтирующий барьерную емкость р-п перехода, сопротивление которого равно сопротивлению утечки р-п перехода; Rп– последовательное сопротивление материала полупроводника и контактов варикапа.Значение барьерной емкости для различных типов варикапов лежит в пределах от десятых долей пикофарады (для диапазона сверхвысоких частот) до десятых долей микрофарады (для диапазона низких частот). Значение сопротивления Rш запертого р-п перехода обычно лежит в пределах от нескольких сотен килоом до нескольких десятков мегом. Значение последовательного сопротивления Rп обычно лежит в пределах от нескольких десятых долей Ома до нескольких Ом.От величины барьерной емкости и от частоты зависит реактивное сопротивление варикапа. А величина сопротивления материала полупроводника и контактов варикапа Rп влияет на энергию, поглощаемую варикапом. Отношение реактивной мощности варикапа к его активной (рассеиваемой) мощности называется добротностью. Другой вариант определения добротности варикапа - это характеристика варикапа, равная отношению реактивного сопротивления варикапа на данной частоте в активному сопротивлению при данной емкости (или при заданном напряжении на варикапе). В схемах, как правило, требуется высокая добротность варикапа. На высоких частотах можно пренебречь шунтирующим действием сопротивления Rш р-п перехода. Тогда значение добротности  можно подсчитать по приближенной формуле: , (16)Таким образом, на высоких частотах наличие последовательного сопротивления Rп способствует убыванию добротности при увеличении частоты. На низких частотах можно пренебречь влиянием последовательного сопротивления диода Rп . Тогда добротности варикапа можно приближенно подсчитать по приближенной формуле: , (17)т. е. на низких частотах наличие шунтирующего сопротивления Rш способствует возрастанию добротности при увеличении частоты. Таким образом, суммарное воздействие двух сопротивлений Rш и Rп на барьерную емкость р-п перехода приводит к образованию частотной зависимости добротности в форме резонансной кривой в некотором диапазоне частот. Типичная зависимость добротности от частоты для высокочастотного варикапа показана на рисунке 13 (в логарифмическом масштабе по обеим осям координат). Добротность варикапа может быть высокой – порядка нескольких сотен единиц и выше. Рабочий диапазон частот варикапа ограничен допустимым уменьшением его добротности. Задаваясь некоторым минимальным значением добротности (например, Q=10), можно, используя рис. 13 или формулы (16) и (17), определить верхнюю и нижнюю граничные частоты fв  и fн рабочего диапазона. Для приведенного примера fв=45 кГц и  fн=70 Гц . Максимальное значение добротности варикапа равно 1100 на частоте fo=2,2 кГц . Рисунок 13 – Типичная зависимость добротности варикапа от частоты Для каждого диапазона частот (область звуковых частот, сотни килогерц – мегагерцы, мегагерцы- десятков мегагерц и т.д. ) необходимо применять варикапы различных специально разработанных серий. Но, как правило, это кремниевые диоды, обладающие обратными токами значительно меньшими, чем у германиевых диодов. 12.Область применения Работа варикапа актуальна при перестройке частоты узлов в электроаппаратуре. Устройства используются в частотозадающих электронных цепях, поскольку позволяют быстро и просто изменять рабочую частоту. Такое возможно, благодаря изменению емкости системы, которая меняется при изменении управляющего напряжения. Варикапы включены в схемы радиоприемников и беспроводных модулей для передачи данных, используются в устройствах, где задействованы частотозависимые цепи. Преимуществами использования полупроводниковых диодов с емкостью, зависящей от приложенного напряжения, являются: возможность увеличения количества одновременно перестраиваемых контуров; малые габариты узла настройки; снижение паразитных излучений, передаваемых от гетеродинов; возможность включения варикапов около контурных катушек; удобное сочетание фиксированной и плавной настройки, благодаря подаче ранее установленных управляющих напряжений; хорошее сопротивление механическому воздействию; согласованность с цепями АПЧ; надежность и отсутствие микрофонного эффекта; возможность автоматизированного поиска частоты и дистанционного управления. Схемы подключения варикапа В LC-генераторах транзисторного типа это устройство работает в качестве элемента емкостного сопротивления. Подключается к резонансному контуру последовательно или параллельно. Упрощенная схема подразумевает включение вместо конденсатора в параллельно резонансном контуре. Если разрабатывается модулятор, нужно предусмотреть подачу напряжения смещения величины на его выводы. В состав каскада включают цепь формирования напряжения смещения. Данный вид цепи в мини-передатчиках зачастую выполняется на резисторах. Схема параллельного колебательного контура образуется катушкой и емкостью полупроводника. Также в цепь включают разделительный конденсатор. Последовательное подключение подразумевает включение полупроводника последовательно с конденсатором контура или катушкой индуктивности. Применяются схемы, в которых варикап подключается комбинированно, с частичным включением. Маркировка отечественных варикапов Обозначение включает буквы и цифры. Первая буква или цифра указывает на материал изготовления. Вторая – на тип по функциональному назначению (обозначается буквой «В»). Третья цифра указывает на электрические свойства. Четвертая и пятая цифры показывают порядковый номер разработки. Шестая буква обозначает параметры варикапа. Расчет АГ с управителем частоты на варикапе Энергетический расчет АГ Схема автогенератора приведена на рис. 14. Для реализации автогенератора воспользуемся транзистором КТ610Б: граничная частота максимально допустимый напряжение база- эмиттер максимально допустимый ток коллектора максимальное напряжение коллектор-эмиттер емкость коллекторного перехода постоянно рассеиваемая мощность индуктивность эмиттерного вывода статический коэффициент передачи по току температура перехода постоянная времени коллекторной цепи Определяем крутизну проходной характеристики: где - коэффициент передачи по току на частоте генерации, - крутизна по базовому переходу.  Рис. 14 - Принципиальная схема автогенератора   , где - омическое сопротивление базы, - сопротивление рекомбинации.   , где - крутизна по эмиттерному переходу, .  В автогенераторах для получения высокой стабильности частоты рекомендуется выбирать , тогда Следовательно,     где - омическое сопротивление базы, - сопротивление рекомбинации. , где - крутизна по эмиттерному переходу, . В автогенераторах для получения высокой стабильности частоты рекомендуется выбирать , тогда Следовательно, Определим граничную частоту по крутизне:  Поскольку выполняется условие , то мы можем считать наш транзистор неинерционным и можем применять изложенную ниже методику расчета автогенератора. Выбираем напряжение источника питания Задаемся напряжением источника питания Задаемся углом отсечки , тогда Определим максимально допустимый коэффициент обратной связи:    Таким образом, наиболее жесткие требования по коэффициенту обратной связи определяются допустимым током. Как было сказано выше, в автогенераторах считается оптимальным режим с . Мы задались значением (при угле отсечки ), определим коэффициент обратной связи, необходимый для обеспечения данного режима:  Задаемся . Определим следующие параметры, характеризующие режим работы: Амплитуда напряжения возбуждения:  Амплитуда коллекторного напряжения:  Амплитуда первой гармоники коллекторного тока: Высота импульса коллекторного тока: Постоянный ток коллектора: Максимальное обратное напряжение между базой и эмиттером:  Мощность, отдаваемая цепью коллектора: Мощность, рассеиваемая коллектором:   Расчет управителя частоты на варикапе и КС АГ Теперь произведем расчет параметров колебательной системы. Эквивалентная схема автогенератора приведена на рис. 15.  Рис. 15 - Эквивалентная схема автогенератора Выбираем емкость колебательной системы Тогда индуктивность колебательной системы найдем по формуле:  Полученное значение удовлетворяет условию, что на частотах менее 150МГц индуктивность должна быть выполнена в виде катушек и иметь величину > 50нГн Тогда характеристическое сопротивление контура определится следующим образом:  Его величина должна укладываться , что тоже выполняется. Задаемся ненагруженной добротностью Тогда: ,  Находим коэффициент включения транзистора в контур:  частичное включение в контур варикапа влияние дестабилизирующих факторов. Определим затухания нагруженного контура:  Соответственно, добротность нагруженного контура составит:  для автогенераторов приемлемой считается добротность, т.е. наша колебательная система удовлетворяет этому требованию. Произведем расчет номиналов элементов колебательной системы:  Выбираем варикап: VD - КВ 110А. Отметим некоторые его параметры: Необходимое условие при выборе варикапа. Проверим эти условия:  . Задаемся емкостью варикапа  Тогда, т.к. ,то из следует, что и её   . Коэффициент перекрытия:  Определение относительной девиации частоты при неполном включении варикапа в КС:  где - показатель степени с учетом отрицательного знака.   - относительное модулирующее напряжение.    Условие, предъявляемое к девиации  , выполняется Коэффициент нелинейных искажений:  Относительное смещение частоты:  Определим требуемое сопротивление на нагрузку автогенератора:  Мощность на нагрузке  Условие выполняется, АГ рассчитан правильно. Литература Пасынков В.В. Полупроводниковые приборы. С.-П.: Лань, 2009, 480. Электроника: Энциклопедический словарь. Гл. редактор В.Г. Колесников. М.: Советская энциклопедия. 2011. 688с. Берман Л.С. Варикапы. М.: Массовая радиобиблиотека. Вып. 586. 1965. 41 с. Валенко В.С. Полупроводниковые приборы и основы схемотехники электронных устройств. М.: Додэка XXI, 2011, 366 с. Гусев В.Г. Электроника и микропроцессорная техника. М.: ВШ. 2003. Барыбин А.А. Электроника и микроэлектроника. М.: Физматлит, 2006, 423 с. ТуговН.М., Глебов Б.А. Полупроводниковые приборы-- М.:Энергоатомиздат,1990г.-- 576с. В.М. Малышев, Ю.А. Матвеев, А.Б. Никитин, А.В. Худяков МОДЕЛЬ ВАРИКАПА ДЛЯ РАЗРАБОТКИ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫХ ГЕНЕРАТОРОВ СВЧ. Chenakin A. Frequency synthesizers: Concept to Product. Artech House, Inc., 2011. 254 p. . Горевой А. Выбор генераторов для построения малошумящих СВЧ-синтезаторов // Компоненты и технологии. 2012. № 6. С. 87–92. Infineon BB837/BB857 Silicon Tuning Diode. Datasheet [электронный ресурс] /Infineon Technologies AG // URL: http://www.infineon.com |