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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Merkmale der Verwendung von Varicaps. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Funkamateur-Designer Spannungsgesteuerte Halbleiterkondensatoren variabler Kapazität – Varicaps – Geräte mit stark ausgeprägter Nichtlinearität. Aus diesem Grund kann es in Schaltkreisen, in denen eine Wechselspannung mit relativ großer Amplitude an den Varicap angelegt wird, zu Überraschungen kommen. Grundsätzlich handelt es sich bei einem Varicap um eine in Sperrrichtung vorgespannte Halbleiterdiode. Der direkte Zweig seiner Strom-Spannungs-Kennlinie, der für den Hauptzweck der Diode (Gleichrichtung, Erkennung) von grundlegender Bedeutung ist, ist für einen Varicap unbedeutend. Im Allgemeinen kann eine Diode und sogar ein Kollektor- oder Emitterübergang eines Bipolartransistors als Varicap verwendet werden (und in der Praxis wird dies häufig implementiert). Im Gegensatz zu Halbleiterdioden normalisieren sie bei Varicaps die Kapazität des pn-Übergangs bei einer bestimmten Vorspannung und den Qualitätsfaktor (und stellen sie natürlich während der Produktion bereit). Beachten Sie, dass es nicht einfach ist, einen Qualitätsfaktor einer Varicap zu erreichen, der deutlich über dem Qualitätsfaktor einer Konturspule liegt. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass bei einem Varicap, wie bei jeder Diode, der Widerstand des Basisbereichs des Halbleiters immer in Reihe mit dem pn-Übergang und parallel geschaltet ist – der äquivalente Widerstand aufgrund des Rückstroms durch den Übergang . Der relativ niedrige Gütefaktor des Varicaps impliziert insbesondere die Notwendigkeit, ihn bei der Berechnung des Gütefaktors des Schwingkreises zu berücksichtigen Die Abhängigkeit der Kapazität des pn-Übergangs von der an ihn angelegten Sperrspannung hat einen Potenzgesetzcharakter der Form C-Un, wobei der Wert des Parameters n im Bereich von 0,33 bis 0,5 liegen kann (bestimmt durch den Übergang). Herstellungstechnologie). Auf Abb. 1 zeigt eine typische Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie des D902-Varicaps in linearen Koordinaten. Ähnliche Merkmale finden sich in der Referenzliteratur. Mit ihnen können Sie die Kapazität des Varicaps bei verschiedenen Werten der Vorspannung bestimmen.
Es ist jedoch vorzuziehen, sich mit der Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie des Varicaps zu befassen, die auf einer „doppelten“ (dh auf beiden Achsen) logarithmischen Skala aufgebaut ist. Es ist bekannt, dass eine Potenzfunktion auf einem solchen Maßstab wie eine gerade Linie aussieht und der Tangens des Winkels ihrer Neigung zur y-Achse numerisch gleich dem Exponenten der Funktion ist. Auf Abb. 2 zeigt dieses Diagramm für das D902-Varicap. Nachdem wir die Seiten eines rechtwinkligen Dreiecks ABC mit einem gewöhnlichen Lineal gemessen haben, erhalten wir einen Wert von 0,5 (AB / BC) für den Modul des Exponenten. Der fallende Charakter des Merkmals weist darauf hin, dass dieser Indikator ein Minuszeichen hat. Somit hat die Abhängigkeit der Kapazität des D902-Varicaps von der angelegten Spannung die Form С = U-0.5.
Das oben Gesagte gilt für „klassische“ Varicaps. Um die Steuerungseffizienz moderner Varicaps zu erhöhen, werden bei ihrer Herstellung besondere technologische Maßnahmen ergriffen, sodass die Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie möglicherweise nicht mehr so einfach ist. Da die Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie eines Varicaps nichtlinear ist, führt seine Verwendung in Geräten zwangsläufig zu Verzerrungen. Der deutsche Funkamateur Ulrich Graf (DK4SX) hat Intermodulationsverzerrungen zweiter und dritter Ordnung in verschiedenen Bandpassfiltern mit Halbleiterdioden gemessen (Ulrich Graf. Intermodulation an passiven Schaltungsteilen. - CQ DL, 1996, Nr. 3, S. 200-205). Er legte am Filtereingang (Eingangswiderstand 50 Ohm) zwei Signale mit einem Pegel von +3 dB (10 mV an 50 Ohm) an und analysierte das Spektrum des Ausgangssignals. Graf wählte die Frequenzwerte der Eingangssignale so, dass die Intermodulationsprodukte in den Durchlassbereich des Filters fallen. In einem der Experimente mit einem Eingangsbandpassfilter mit zwei Schaltkreisen wurden die in den Schwingkreisen enthaltenen Konstantkondensatoren durch Varicaps ersetzt. In diesem Fall stieg der Pegel der Intermodulationskomponenten zweiter Ordnung am Filterausgang um 10 dB und der dritte um fast 50 dB! Mit anderen Worten, Varicaps in den Eingangskreisen von Empfängern können deren tatsächliche Selektivität verschlechtern, obwohl sie höchstwahrscheinlich nur in relativ hochwertigen Geräten (Kommunikationstechnik) auf diese Weise „funktionieren“. Allerdings kann selbst bei einem Empfänger der Mittelklasse die Intermodulation am Eingangsvaricap erheblich werden, wenn der Empfänger in der Nähe von Sendern betrieben wird. Es gibt jedoch Knoten, bei denen grundsätzlich eine relativ große Wechselspannung an den Varicap angelegt werden muss – die Rede ist von Generatoren. Auf Abb. In Abb. 3 zeigt ein weit verbreitetes Schema zum Einbinden eines Varicaps in den Schwingkreis des Generators, und in Abb. 4 - Kapazitäts-Spannungs- (C) und Strom-Spannungs-Kennlinien (I) des Varicaps und Momentanspannung am Varicap (Ur) bei zwei Werten der Steuerspannung (Uynp). Bitte beachten Sie, dass der Übersichtlichkeit halber in der Grafik die Skala entlang der „U“-Achse rechts vom Nullpunkt und entlang der „I; C“-Achse abwärts vom Nullpunkt vergrößert ist. Solange die Steuerspannung hoch (Uynp1) im Vergleich zur Amplitude der Wechselspannung (Ur) ist, arbeitet der Varicap normal. Bei einem Absinken der Steuerspannung (Ucontrol2) kann es jedoch vorkommen, dass der Arbeitspunkt des Varicaps an den Spitzen der negativen Halbwelle der Spannung in den direkten Zweig der Strom-Spannungs-Kennlinie eintritt und dies auch der Fall ist beginnen, die anliegende Wechselspannung gleichzurichten.
Wie lässt sich die Grenze der Normalbetriebszone des Varicaps im Generator bestimmen? Sie können beispielsweise die Wechselspannung am Varicap messen und mit der Steuerspannung vergleichen. Dies erfordert ein HF-Voltmeter mit hoher Eingangsimpedanz und niedriger Eingangskapazität (damit sein Anschluss die Betriebsart des Generators nicht verändert). Die minimal zulässige Steuerspannung am Varicap kann ohne Verletzung des Betriebsmodus des Generators und mithilfe eines Frequenzmessers ermittelt werden. Es wird an den Generatorausgang angeschlossen und die Abhängigkeit der Generatorsteuersteilheit von der Steuerspannung wird aufgehoben. Steuersteilheit – ist das Verhältnis der Änderung der Frequenz des Generators zur gegebenen Änderung der Steuerspannung, die sie verursacht hat – ΔF / ΔU. Wenn der Varicap vollständig in den Schaltkreis eingebunden ist, kann die Steigung beispielsweise durch eine Leistungsfunktion beschrieben werden (zumindest für D902), deren Exponent von der Art der Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie des Varicaps abhängt. Denken Sie daran (siehe oben), dass eine solche Funktion, wenn sie auf einer „doppelten“ logarithmischen Skala aufgetragen wird, eine gerade Linie ist. Wenn der Varicap beginnt, den normalen Betriebsmodus zu verlassen, ändert sich die Art der Abhängigkeit der Steigung von der Steuerspannung. Dies gilt auch in einem allgemeineren Fall, wenn der Varicap nicht vollständig in den Stromkreis einbezogen ist oder seine Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie keine Leistungsfunktion ist. Da die Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie nichtlinear ist, müssen die Messungen in einer bestimmten Reihenfolge durchgeführt werden. Durch Einstellen einer Steuerspannung Uynp wird die Oszillatorfrequenz Fr bestimmt. Dann wird diese Spannung zunächst auf Uypr - ΔUynp reduziert, dann auf Uynp + ΔUynp erhöht und die entsprechenden Frequenzwerte Fr1 und Fr2 aus der Anzeige des Frequenzmessers abgelesen. Die Steuersteilheit bei der Steuerspannung Uypr wird nach der Formel ΔF/ΔU = (Fr2-Fr1)/2ΔUynp berechnet. Der Absolutwert der Spannungsänderung ΔUypr sollte minimal sein, jedoch so, dass die Änderung der Frequenz des Generators zuverlässig erfasst werden kann. Stellen Sie dann einen anderen Wert der Steuerspannung Ucontrol ein und wiederholen Sie die Messungen. Diese Technik reduziert den Einfluss der Nichtlinearität der Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie des Varicaps auf die Genauigkeit der Messung der Steuersteigung. Die Ergebnisse der Messungen der Steigung der Generatorfrequenzregelung bei vollständiger Einbeziehung des Varicaps in den Stromkreis (siehe Abb. 3) sind in Abb. 5 dargestellt. 3,5. Es ist ersichtlich, dass der Varicap den Normalmodus verlässt, wenn die Steuerspannung am Varicap unter XNUMX V liegt. Mit anderen Worten: Für den angegebenen Generator ist diese Spannung kritisch.
Bei einem weiteren Absinken der Steuerspannung kann die Steigung der Kurve sogar ihr Vorzeichen ändern! Dies geschieht aufgrund der bereits erwähnten Gleichrichtung der am Varicap anliegenden Hochfrequenzspannung. Die gleichgerichtete Spannung wird von der Steuerspannung abgezogen und beginnt diese zu überwiegen. Wenn die beschriebene Situation beispielsweise beim lokalen Oszillator Ihres Empfängers auftritt, gibt es etwas zu überraschen. Stellen Sie sich vor: Wenn Sie den Knopf des variablen Widerstands „Setting“ in die gleiche Richtung drehen, ändert sich die Empfangsfrequenz zunächst in eine Richtung, hört dann praktisch auf, sich zu ändern, und kann dann zurückgehen. Autor: B. Stepanov, Moskau
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