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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Características del uso de varicaps. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / diseñador radioaficionado Los condensadores semiconductores de capacitancia variable controlados por voltaje (varicaps) son dispositivos con una no linealidad muy pronunciada. Por esta razón, en circuitos donde se aplica un voltaje alterno de amplitud relativamente grande al varicap, puede presentar una sorpresa. Básicamente, un varicap es un diodo semiconductor con polarización inversa. La rama directa de su característica corriente-tensión, que es fundamental para el objetivo principal del diodo (rectificación, detección), no tiene importancia para un varicap. En el caso general, como varicap se puede utilizar un diodo e incluso un colector o unión de unión de un transistor bipolar (y en la práctica esto se implementa a menudo). A diferencia de los diodos semiconductores, para los varicaps, la capacitancia de la unión p-n a un cierto voltaje de polarización a través de ella y el factor de calidad están estandarizados (y, por supuesto, se proporcionan durante la producción). Tenga en cuenta que no es fácil lograr un factor de calidad varicap que sea notablemente superior al factor de calidad de una bobina de bucle. Esto se explica por el hecho de que en un varicap, como en cualquier diodo, la resistencia de la región base del semiconductor siempre está conectada en serie con la unión pn, y en paralelo hay una resistencia equivalente debido a la corriente inversa a través del unión. El factor de calidad relativamente bajo del varicap implica, en particular, la necesidad de tenerlo en cuenta al calcular el factor de calidad del circuito oscilatorio. La dependencia de la capacitancia de la unión p-n del voltaje inverso que se le aplica tiene un carácter de ley de potencia de la forma C-Un, donde el valor del parámetro n puede variar de 0,33 a 0,5 (determinado por la tecnología de fabricación de la unión). En la Fig. La Figura 1 muestra una característica típica de capacitancia-voltaje de un varicap D902, trazada en coordenadas lineales. Se pueden encontrar características similares en la literatura de referencia. Le permiten determinar la capacitancia del varicap a diferentes valores del voltaje de polarización.
Sin embargo, es preferible trabajar con la característica capacitancia-voltaje de un varicap, representada en una escala logarítmica “doble” (es decir, en ambos ejes). Se sabe que una función de potencia parece una línea recta en esta escala, y la tangente de su ángulo de inclinación al eje de ordenadas es numéricamente igual al exponente de la función. En la Fig. La Figura 2 muestra este gráfico para el varicap D902. Midiendo los lados de un triángulo rectángulo ABC con una regla regular, obtenemos un valor de 0,5 para el módulo del exponente (AB/BC). La caída de la característica indica que este indicador tiene un signo negativo. Por tanto, la dependencia de la capacitancia del varicap D902 del voltaje aplicado tiene la forma C = U-0.5.
Lo anterior se aplica a los varicaps "clásicos". Para aumentar la eficiencia de control de los varicaps modernos, se toman medidas tecnológicas especiales durante su fabricación, por lo que es posible que las características de capacitancia-voltaje ya no tengan una forma tan simple. Dado que la característica capacitancia-voltaje de un varicap no es lineal, su uso en equipos conduce inevitablemente a distorsión. El radioaficionado alemán Ulrich Graf (DK4SX) llevó a cabo mediciones de distorsiones de intermodulación de segundo y tercer orden en varios filtros de paso de banda que contienen diodos semiconductores (Ulrich Graf. Intermodulation an passivn Schaltungsteilen. - CQ DL, 1996, n.° 3, pág. 200- 205). Aplicó dos señales con un nivel de +50 dB (3 mV a una resistencia de 10 ohmios) a la entrada del filtro (resistencia de entrada de 50 ohmios) y analizó el espectro de la señal de salida. Graph seleccionó los valores de frecuencia de las señales de entrada para que los productos de intermodulación cayeran dentro de la banda de paso del filtro. En uno de los experimentos en un filtro de paso de banda de entrada de doble circuito, los condensadores fijos incluidos en los circuitos oscilantes fueron reemplazados por varicaps. ¡Los componentes de intermodulación de segundo orden en la salida del filtro aumentaron de nivel en 10 dB y los de tercer orden en casi 50 dB! En otras palabras, los varicaps en los circuitos de entrada de los receptores pueden empeorar su selectividad real, aunque lo más probable es que "funcionen" de esta manera sólo en equipos de clase relativamente alta (equipos de comunicación). Sin embargo, incluso en un receptor de clase media, la intermodulación en el varicap de entrada puede llegar a ser significativa si el receptor se opera cerca de dispositivos transmisores. Sin embargo, hay nodos en los que, en principio, se debe suministrar una tensión alterna relativamente grande al varicap; estamos hablando de generadores. En la Fig. La Figura 3 muestra un circuito ampliamente utilizado para conectar un varicap al circuito oscilante de un generador, y la Fig. 4 - características de capacitancia-voltaje (C) y corriente-voltaje (I) del varicap y voltaje instantáneo a través del varicap (Ur) en dos valores del voltaje de control (Uynp). Tenga en cuenta que para mayor claridad en el gráfico, la escala a lo largo del eje "U" a la derecha de cero y a lo largo del eje "I; C" hacia abajo desde cero está ampliada. Mientras el voltaje de control sea alto (Uynp1) en comparación con la amplitud del voltaje alterno (Ur), el varicap funciona normalmente. Pero a medida que disminuye la tensión de control (Ucontrol2), pueden llegar momentos en los que, en los picos de la media onda negativa de la tensión, el punto de funcionamiento del varicap se acercará a la rama directa de la característica corriente-tensión y comenzará para rectificar la tensión alterna que se le aplica.
¿Cómo determinar el límite de la zona de funcionamiento normal de un varicap en un generador? Puede, por ejemplo, medir la tensión alterna en un varicap y compararla con la de control. Para hacer esto, necesita un voltímetro de RF con una impedancia de entrada alta y una capacitancia de entrada baja (para que su conexión no cambie el modo de funcionamiento del generador). El voltaje de control mínimo permitido en el varicap se puede determinar sin alterar el modo de funcionamiento del generador y utilizando un frecuencímetro. Está conectado a la salida del generador y se elimina la dependencia de la pendiente de control del generador del voltaje de control. La pendiente de control es la relación entre el cambio en la frecuencia del generador y el cambio dado en el voltaje de control que lo causó: ΔF/ΔU. Cuando un varicap está completamente incluido en el circuito, la transconductancia puede, por ejemplo, describirse mediante una función de potencia (al menos para D902), cuyo indicador depende del tipo de característica capacitancia-voltaje del varicap. Recordemos (ver arriba) que dicha función, si se representa en una escala logarítmica “doble”, representa una línea recta. Si el varicap comienza a salir de su modo de funcionamiento normal, la naturaleza de la dependencia de la pendiente del voltaje de control cambiará. Esto también es cierto en un caso más general, cuando el varicap no está completamente incluido en el circuito o su característica capacitancia-voltaje no es una función de potencia. Dado que la característica capacitancia-voltaje no es lineal, las mediciones deben realizarse en una secuencia determinada. Al establecer un cierto voltaje de control Uynp, se determina la frecuencia del generador Fr. Luego, este voltaje se reduce primero a Uypr - ΔUynp, y luego se aumenta a Uynp + ΔUynp y los valores de frecuencia correspondientes Fr1 y Fr2 se leen en la pantalla del frecuencímetro. La pendiente de control en el voltaje de control Uypr se calcula usando la fórmula ΔF/ΔU = (Fr2-Fr1)/2ΔUynp. El valor absoluto del cambio de voltaje ΔUyпp debe ser mínimo, pero tal que el cambio en la frecuencia del generador pueda registrarse de manera confiable. Luego establezca otro valor de la tensión de control Ucontrol y repita las mediciones. Esta técnica reduce la influencia de la no linealidad de la característica capacitancia-voltaje del varicap en la precisión de la medición de la pendiente de control. Los resultados de medir la pendiente del control de frecuencia del generador con la inclusión completa de un varicap en el circuito (ver Fig. 3) se presentan en la Fig. 5. Se puede observar que cuando el voltaje de control en el varicap es inferior a 3,5 V, sale del modo normal. En otras palabras, para el generador especificado este voltaje será crítico.
¡Con una nueva disminución de la tensión de control, la pendiente de la curva puede cambiar completamente de signo! Esto sucede debido a la ya mencionada rectificación del voltaje de alta frecuencia aplicado al varicap. La tensión rectificada se resta de la tensión de control y comienza a dominarla. Si la situación descrita ocurre, por ejemplo, con el oscilador local de su receptor, se sorprenderá. Imagínese: cuando gira la perilla de resistencia variable "Configuración" en la misma dirección, la frecuencia de recepción primero cambia en una dirección, luego prácticamente deja de cambiar y luego puede regresar. Autor: B. Stepanov, Moscú
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