§Æc tuyÕn cã d¹ng tïy thuéc v μ o sù ph©n bè t¹p chÊt trong diode biÕn dung... Varicap cã ®iÖn trë nèi tiÕp rÊt bÐ do ®ã c«ng suÊt tiªu thô l μ..[r]
(1)45
Ch−¬ng
øng dơng Varicap trong đIện tử thông tin
4.1 Kh¸i niƯm
Varicap lμ linh kiện bán dẫn có điện dung thay đổi theo điện áp đặt vμo mối nối p-n Varicap đ−ợc ứng dụng nhiều thu phát sóng VHF vμ UHF, dùng để thay đổi tần số cộng h−ởng để lựa chọn kênh sóng, để nhân vμ chia tần số, tự động kiểm soát tần số, điều chế AM, FM sử dụng máy đo tần số cao vμ máy đo c−ờng độ tr−ờng
Varicap đợc ký hiệu nh sau:
Hình 4.1 Mạch tơng đơng Varicap:
CC LS RS
RP
CJ
H×nh 4.2
Ls: điện cảm dây dẫn kết hợp với cấu trúc bán dẫn Rs: điện trở nối tiếp Cj: điện dung bên varicap, có giá trị thay đổi theo phân áp đặt vμo
Rp: điện trở thay đổi theo điện áp vμo, có giá trị lớn varicap phân cực nghịch vμ nhỏ varicap phân cực thuận
(2)46
Mạch tơng đơng varicap thờng đợc sử dụng phân cực ngợc: RS CJ
Hỡnh 4.3 mạch t−ơng đ−ơng đơn giảnVaricap Công thức tiêu biểu để tính điện dung theo điện áp phân cực: γ
ϕ + =
) (V
K
CV (4.1)
Cv: điện dung tơng ®−¬ng víi ®iƯn thÕ vμo
V: điện áp đặt lên varicap gồm điện áp phân cực vμ điện áp tín hiệu xoay chiều V =VPC +VAC
γ: hƯ sè phơ thc vμo vËt liƯu γ=1/3 1/2
K: hƯ sè phơ thc cÊu tróc b¸n dÉn hiệu điện tiếp xúc = 0,5 ữ 0,65 Đặc tuyến varicap tiêu biểu Varicap
Hình 4.4 Đặc tuyÕn cña Varicap V pF
10 15 20 25 30 100
50 150 200 250
Điện áp phân cực nghịch Cv
(3)47
VÝ dơ ph©n cùc cho Varicap:
Tªn : BA 163
Điện áp ng−ợc từ –1V đến –12V C−ờng độ dòng điện thuận cực đại: 0V
BA163
33
ILvmax = 12/33k = 0,4 mA K
ữ-12V -1V
4.2 Các tiêu kü thuËt cña varicap
1 Điện lμm việc cực đại varicap: MWV (Maximum Working Voltage) lμ
điện áp lμm việc cao DC vμ AC đỉnh, điện áp nμy varicap hỏng Điện áp nμy điện áp phân cực, thay đổi tùy loại varicap từ -7V ữ -200V
2 Điện áp đánh thủng: BRV (Breakdown Voltage) lμ điện áp lμm cho dòng phân cực gia tăng nhanh gây h− hỏng (đánh thủng)
3 Dòng điện ng−ợc cực đại: lμ dòng điện ứng với điện ng−ợc lμm việc cực đại, tùy thuộc vμo loại vμ cách cấu tạo varicap mμ dòng điện nμy thay đổi từ: 0,005μA→5μA
4 Công suất tiêu tán Pd lμ công suất cực đại mμ varicap tiêu tán đ−ợc Tùy theo loại công suất nμy th−ờng thay đổi từ 200mW đến 2,5W
5 Điện dung định mức C: lμ điện dung danh định varicap, đ−ợc xác định điện áp nμo vμ tần số xác định, giá trị lμ vμi pF đến 2000pF Các varicap có điện dung định mức thấp th−ờng đ−ợc sử dụng máy thu phát viba
Các giá trị điện dung định mức nh− sau: .2 .3 .4 .5 .6 1PF
3 6,5 6,6 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 HƯ sè phÈm chÊt Q : lμ tû sè ®iƯn kháng v điện trở nối tiếp
s
CR Q
ω
1
=
(4)48
7 Điện trở nối tiếp Rs: tạo chủ yếu điện trở mối nối bán dẫn, từ cấu trúc bán dẫn đến đầu Tuy tỷ lệ với tần số f nh−ng không đáng kể
8 Tần số cắt fCo: lμ f Q = 1, thơng th−ờng fCo= 50MHz đến 500MHz
9 Tần số cộng h−ởng riêng: lμ tần số thân varicap cộng h−ởng khơng có thμnh phần bên ngoμi Th−ờng điện cảm vμ điện dung varicap tạo nên Thông th−ờng từ 150MHz đến 2GHz Đối với varicap hoạt động tần số thấp dịng điện thuận If lμ dòng varicap cho phép rơi vμo điều kiện phân cực thuận Khi điệp áp ng−ợc đặt vμo diode cμng lớn khoảng cách d tiếp giáp cμng tăng vμ Cv giảm
4.3 Hoạt động varicap
4.3.1 Varicap mạch lọc
V
R1
CV R2 +
VPC Vo V
R2 VPC+
R1 Vo
H×nh 4.5 CV
Trong hai sơ đồ ta chọn: R2>>R1 để R2 không ảnh h−ởng đến thông số mạch
läc A A
ω ω
v
C R1
1
v
C R1
1
(5)49
4.3.2 Varicap dïng m¹ch läc nhiƠu
4.3.3 GhÐp c¸c varicap
R1 Cv R2 VPC +_
H×nh 4.7
=
Cv1 Rp1 Cv2 Rp2 Cv3 Rp3 Cvr Rpr Cvtd Rptd
Hình 4.8
4.3.4.Varicap mạch cộng hởng
a Céng h−ëng nèi tiÕp
L
Cv
R
Vc +
_
Cv L
(6)50
b Céng h−ëng song song
Vc +
_
Cv R
L C1
L Cv
Hình 4.10
4.3.5 Varicap nhân tÇn
f1 fn
VPC
Vo Vi
Läc Läc
H×nh 4.11
CV R1
Varicap đ−ợc sử dụng nhân tần có −u điểm lμ đơn giản mạch nhân tần dùng BJT, FET nhân tần dùng varicap hầu nh− không cần cung cấp l−ợng
(7)51
do thμnh phần kháng lμ chủ yếu, mát thấp dùng varicap có hiệu suất cao, thơng th−ờng lμ 90% (so với BJT hay FET hiệu suất cỡ 50%)
4.4 øng dơng Varicap c¸c m¸y thu
Mỗi varicap có điện dung danh định khác nhau, với điện áp phân cực thay đổi cho ta giá trị CVmin→ CVmax Tùy thuộc vμo hệ số trùm băng băng sóng (K=fmax/fmin) ta chọn varicap thích hợp dựa vμo công thức sau đây:
min max
max
C C f
f
=
LC f
π
2
=
fmax øng víi CVmin vμ fmin ứng với CVmax
4.4.1 VARICAP mắc đẩy kéo (cộng h−ëng c©n b»ng)
L
R
VPC CV
CV VAC
H×nh 4.12
(8)52
mạch gần nh− không đổi theo điện áp cao tần Tuy nhiên mạch có nh−ợc điểm lμ lμm giảm giá trị CVtđ, phai chọn varicap có điện dung danh định lớn
4.4.2.Varicap dùng mạch cộng h−ởng đơn tầng
C1
L1 Cv
R L2
C2
VPC
Rv V
Hình 4.13a Varicap cộng h−ởng đơn
L1
CV1
R L2
C2
Rv V
CV2
Hình 4.13b Varicap đẩy kéo/ cân VPC
R: trë ph©n cùc
L1, CV: khung cộng hởng
RV: chỉnh điện áp phân cực cho Varicap
(9)53
4.4.3 Varicap dïng mạch cộng hởng nhiều tầng
RFAMP MIX
OSC CV2 L
2 CV3 L3
L1 CV1
CV4 L4 fc
fa
fc – fa = fIF
H×nh 4.14
L5
C1
Cv1
L1 R1
C5
L2 R
Rv
Cv2 L6 C2
L3 L4
R3 R4
C3 C4
Cv3 Cv4
L7 L8
(10)54
L5
V
Rv
L1
L2
L3
L4
R1
R2
R3
R4
L6
L7
L8 CV2
CV1
CV3
CV4
CV5
CV6
CV7
CV8 H×nh 4.16
4.4.4 Mạch tự động kiểm soát tần số AFC (Automatic Frequency
Control) Th−êng dïng cho c¸c m¸y thu FM
RFAMP MIX
OSC
K§TT DETECTOR AF
fIF 10,7 MHz
L Cv C2
C1 R1 L1 R2
Mạch AFC fa
fo
Hình 4.17
RP1