Chuong 4(Varricap) pps

Chơng 4 ứng dụng Varicap trong thiết bị thu phát 4.1 Khái niệm Varicap là một linh kiện bán dẫn có điện dung thay đổi theo điện áp đặt vào mối nối p-n của nó. Varicap đợc ứng dụng nhiều trong các bộ thu phát sóng VHF và UHF, dùng để thay đổi tần số trong các bộ cộng hởng để lựa chọn các kênh sóng, để nhân và chia tần số, tự động kiểm soát tần số, điều chế AM, FM hoặc sử dụng trong các máy đo tần số cao và các máy đo cờng độ trờng. Varicap đợc ký hiệu nh sau: Mạch tơng đơng Varicap: L s : điện cảm do dây dẫn kết hợp với cấu trúc bán dẫn. R s : điện trở nối tiếp. C j : điện dung bên trong varicap, có giá trị thay đổi theo phân áp đặt vào. R p : điện trở thay đổi theo điện áp vào, có giá trị lớn nhất khi varicap phân cực nghịch và rất nhỏ khi varicap phân cực thuận. C c : điện dung tiếp xúc do dây dẫn. Mạch tơng đơng varicap thờng đợc sử dụng: Công thức tiêu biểu để tính điện dung theo điện áp phân cực: )( + = V K C V (4.1) C v : điện dung tơng đơng với điện thế vào Hình 4.1 C C L S R S R P C J Hình 4.2 R S C J Hình 4.3 mạch t ơng đ ơng của đơn giảnVaricap V: điện áp đặt lên varicap gồm điện áp phân cực và điện áp tín hiệu xoay chiều ACPC VVV += : hệ số phụ thuộc vào vật liệu =1/3 1/2 K: hệ số phụ thuộc cấu trúc bán dẫn : hiệu điện thế tiếp xúc = 0,5 ữ 0,65 Đặc tuyến varicap tiêu biểu của Varicap Ta nhận thấy điện dung varicap đều thay đổi khi phân cực thuận và phân cực nghịch thay đổi. Tuy nhiên, khi phân cực thuận thì dòng qua varicap là dòng thuận sẽ thay đổi rất lớn và R p có trị số nhỏ, điều này làm giảm phẩm chất của mạch cộng hởng. Trong điều kiện phân cực nghịch, dòng qua varicap rất bé, R p rất lớn, varicap đợc xem nh không tiêu tán năng lợng (Q). Do đó varicap thờng đợc phân cực nghịch để làm việc. Đặc tuyến có dạng tùy thuộc vào sự phân bố tạp chất trong diode biến dung. Ví dụ phân cực cho Varicap: Tên : BA 163 Điện áp ngợc từ 1V đến 12V Cờng độ dòng điện thuận cực đại: I Lvmax = 12/33k = 0,4 mA 4.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật của varicap 1. Điện thế làm việc cực đại của varicap: MWV (Maximum Working Voltage) là điện áp làm việc cao nhất DC và AC ở đỉnh, quá điện áp này varicap sẽ hỏng. Điện áp này bằng điện áp phân cực, thay đổi tùy từng loại varicap từ -7V ữ -200V 2. Điện áp đánh thủng: BRV (Breakdown Voltage) là điện áp làm cho dòng phân cực gia tăng nhanh gây h hỏng (đánh thủng). Hình 4.4 Đặc tuyến của Varicap V pF 0 5 10 15 20 25 30 100 50 150 200 250 Điện áp phân cực nghịch Cv 0V BA16 3 33K -1Vữ-12V 3. Dòng điện ngợc cực đại: là dòng điện ứng với điện thế ngợc làm việc cực đại, tùy thuộc vào loại và cách cấu tạo varicap mà dòng điện này thay đổi từ: 0,005àA5àA. 4. Công suất tiêu tán P d là công suất cực đại mà varicap có thể tiêu tán đợc. Tùy theo từng loại công suất này thờng thay đổi từ 200mW đến 2,5W. 5. Điện dung định mức C: là điện dung danh định của varicap, nó đợc xác định ở một điện áp nào đó và tần số xác định, giá trị có thể là vài pF đến 2000pF. Các varicap có điện dung định mức thấp thờng đợc sử dụng trong các máy thu phát viba. Các giá trị điện dung định mức nh sau: .1 .2 .3 .4 .5 .6 .9 1PF 3 4 5 6,5 6,6 7 8 8,2 10 12 PF 14 15 18 20 22 22,5 24 27 33 35PF 39 47 50 53 56 65 68 70 71 82PF 100 150 250 350 500 1000 2000PF 6. Hệ số phẩm chất Q : là tỷ số điện kháng và điện trở nối tiếp s CR Q 1 = Q đợc ghi rõ ở tần số và điện thế nhất định, Q thờng có giá trị từ 3 đến 100 7. Điện trở nối tiếp R s : tạo ra chủ yếu do điện trở mối nối bán dẫn, từ cấu trúc bán dẫn đến đầu ra. Tuy nó cũng tỷ lệ với tần số f nhng không đáng kể. 8. Tần số cắt f Co : là f tại đó Q = 1, thông thờng f Co = 50MHz đến 500MHz 9. Tần số cộng hởng riêng: là tần số bản thân varicap cộng hởng không có thành phần bên ngoài. Thờng do các điện cảm và điện dung trong varicap tạo nên. Thông thờng từ 150MHz đến 2GHz. Đối với varicap hoạt động ở tần số thấp thì dòng điện thuận I f là dòng của varicap cho phép khi nó rơi vào điều kiện phân cực thuận. Khi điệp áp ngợc đặt vào diode càng lớn thì khoảng cách d của tiếp giáp càng tăng và C v giảm. 4.3 Hoạt động của varicap 4.3.1 Varicap trong các mạch lọc V i R 1 C V R 2 + _ V PC V o V i R 2 V PC _ + R 1 V o Hình 4.5 C V Trong hai sơ đồ trên ta chọn: R 2 >>R 1 để R 2 không ảnh hởng đến các thông số mạch lọc. 4.3.2. Varicap dùng trong mạch lọc nhiễu 4.3.3. Ghép các varicap 4.3.4.Varicap trong mạch cộng hởng a. Cộng hởng nối tiếp A v A v v CR 1 1 v CR 1 1 Hình 4.6. Mạch lọc thông thấp và lọc thông cao R 1 C v R 2 V PC + _ Hình 4.7 =Cv 1 R p1 Cv 2 R p3 R p2 R pr R ptd Cv 3 Cv r Cv td Hình 4.8 L C v R V c + _ C v L Hình 4.9 b. Cộng hởng song song 4.3.5. Varicap trong các bộ nhân tần Varicap đợc sử dụng trong các bộ nhân tần có u điểm là đơn giản hơn các mạch nhân tần dùng BJT, FET vì trong bộ nhân tần dùng varicap hầu nh không cần cung cấp năng lợng. Tín hiệu V i qua bộ lọc f 1 tạo ra dòng điện qua varicap. Do đặc tuyến không thẳng của varicap nên sẽ sinh ra các hài bậc cao của f 1 . ở đầu ra của bộ lọc thứ hai có f n = nf 1 sẽ cho ra tín hiệu là nf 1 . Varicap có điện trở nối tiếp rất bé do đó công suất tiêu thụ là do thành phần kháng là chủ yếu, sự mất mát rất thấp do đó dùng varicap có hiệu suất rất cao, thông thờng là 90% (so với BJT hay FET hiệu suất cỡ 50%). 4.4. ứng dụng Varicap trong các máy thu V c + _ C v R L C 1 L C v Hình 4.10 f 1 f n V PC V o V i Lọc Lọc Hình 4.11 C V R 1 Mỗi varicap có điện dung danh định khác nhau, với điện áp phân cực thay đổi sẽ cho ta giá trị C Vmin C Vmax . Tùy thuộc vào hệ số trùm băng của mỗi băng sóng (K=f max /f min ) ta chọn varicap thích hợp dựa vào công thức sau đây: min max min max C C f f = LC f 2 1 = f max ứng với C Vmin và f min ứng với C Vmax 4.4.1. VARICAP mắc đẩy kéo (cộng hởng cân bằng) Thông thờng chúng ta dùng một varicap để cộng hởng. Trong một số trờng hợp đối với tín hiệu xoay chiều varicap sẽ rơi vào vùng phân cực thuận làm tăng dòng phân cực, giảm hệ số phẩm chất của mạch, đồng thời làm quan hệ giữa C V và V không còn tuyến tính. Để khắc phục nhợc điểm này ngời ta dùng hai varicap mắc đẩy kéo nh hình vẽ. Hai Varicap đợc phân cực đồng thời nhờ điện áp phân cực đa vào mạch qua điện trở R. Khi tín hiệu cao tần áp vào 2 Varicap giống nhau, nó sẽ lái chúng đến những giá trị điện dung cao thấp luân phiên nhau. Do đó điện dung tơng đơng của mạch gần nh không đổi theo điện áp cao tần. Tuy nhiên mạch có nhợc điểm là làm giảm giá trị C Vtđ , do đó phai chọn varicap có điện dung danh định lớn hơn. 4.4.2.Varicap dùng trong mạch cộng hởng đơn tầng. L R V PC C V C V V DC Hình 4.12 C 1 L 1 C v R L 2 C 2 V PC R v V Hình 4.13a Varicap cộng h ởng đơn L 1 C V1 R L 2 C 2 R v V C V2 Hình 4.13b Varicap đẩy kéo/ cân bằng V PC R: trở phân cực L 1 , C V : khung cộng hởng R V : chỉnh đIện áp phân cực cho Varicap L 2 : cuộn cản cao tần, không cho tín hiệu cao tần từ khung cộng hởng trở về gây nhiễu nguồn cung cấp. C 2 : tụ thoát cao tần. 4.4.3. Varicap dùng trong mạch cộng hởng nhiều tầng. Hình 4.14 RFAMP MIX OSC C V2 L 2 C V3 L 3 L 1 C V1 C V4 L 4 f c f a f c f a = f IF L 5 C 1 C v1 L 1 R 1 C 5 L 2 R 2 R v C v2 L 6 C 2 L 3 L 4 R 3 R 4 C 3 C 4 C v3 C v4 L 7 L 8 Hình 4.15 4.4.4. M¹ch tù ®éng kiÓm so¸t tÇn sè AFC (Automatic Frequency Control) Thêng dïng cho c¸c m¸y thu FM L 5 V R v L 1 L 2 L 3 L 4 R 1 R 2 R 3 R 4 L 6 L 7 L 8 C V2 C V1 C V3 C V4 C V5 C V6 C V7 C V8 H×nh 4.16 RFAMP MIX OSC K§TT DETECTOR AF f IF 10,7 MHz L C v C 2 C 1 R 1 L 1 R 2 M¹ch AFC f a f o H×nh 4.17 R P1 R P2 v o 1 : Đặc tuyến chữ S thuận, 2: đặc tuyến chữ S nghịch. Khi f = f 0 : v 0 = 0, f 0 vẫn ở trị số ổn định. Khi f > f 0 : v 0 >0 hoặc v 0 <0 (tùy theo đặc tuyến chữ S). Khi f<f 0 : v 0 <0 hoặc v 0 >0 (tùy theo đặc tuyến chữ S). Mục đích là giữ ổn định f 0 . Gỉa sử f 0 thay đổi f 0 -f a = f IF thay đổi đầu ra bộ tách sóng sẽ có v i 0 làm thay đổi phân cực varicap làm khung cộng hởng trở về f 0 . Đây là phơng pháp đo tần số để đo các tần số rất lớn (cỡ 100MHz) Nếu L và C v đúng tần số khung L, C V cộng hởng mạnh tụ C 2 đợc nạp điện qua D àA chỉ giá trị cực đại khi đó đọc Lvà C V thì ta biết đợc tần số f x cần đo. Cách đo và đọc: máy đo có nhiều tầm đo tơng ứng với các cuộn dây L, L, L, L. Chẳng hạn: L tơng ứng: 10 MHz ữ 20MHz L tơng ứng: 20MHz ữ 50MHz Ltơng ứng: 50MHz ữ 100MHz L tuơng ứng: 100MHz ữ 300MHz Khi chọn một trong các cuộn dây thì tơng ứng với các bảng khắc độ f đợc khắc lên biến trở R V để chỉ trị số f cần đo. Giả sử cần đo một tần số f x nào đó, trớc tiên ta chọn tầm bằng cách chọn một trong các cuộn dây L, L, L, L, sau đó chỉnh biến trở R V đến lúc tơng ứng với àA chỉ giá trị cực đại đọc đợc giá trị của f x khắc trên bảng khắc độ của R V . Máy đo này có khung cộng hởng L, C V đợc nhận năng lợng từ một khung cộng hởng khác nên gọi là máy đo sóng hấp thụ. 4.4.8. Máy đo trờng L, C V là khung cộng hởng của 1 mạch dao động tự kích. Tín hiệu dao động quét có dạng răng ca (hình 1) sẽ cùng với V DC phân cực cho varicap C V làm cho điện áp phân cực tăng tuyến tính. Do đó khung dao động L, C V sẽ tạo tần số từ f 0min đến f 0max . Sau đó nếu ta đa tín hiệu V ra vào mạch tách sóng FM và đa vào mạch dao động ký ta sẽ có dạng đặc tuyến chữ S nh hình vẽ với điều kiện dải tần số f 0min f 0max đợc thiết kế trong khoảng trung tần FM, AM của máy thu. Máy này có thể kết hợp với máy đánh dấu và dao động ký để làm xuất hiện dạng sóng của đáp tuyến băng thông trung tần trong máy thu hình hệ FCC. Thiết bị này gọi là máy phát sóng quét và đánh dấu (sweep and marker). 4.4.10. Volkế DC Khóa K dùng để chuyển (tầm ảo) 15V, 150V, 1500V. 10.6 H 10.7 H 10.8 H f (MHz) V O Hình 4.23 39.75 41.25 45.75 47.25 f (MHz) A V Hình 4.24