logo

Воскресенье 11 Декабрь 2016 (GMT+0300)

Главная Схемы обработки аналоговых сигналов Перестраиваемые фильтры на варикапах

Перестраиваемые фильтры на варикапах

Печать
Схемотехника - Схемотехника и конструирование схем

 

В настоящее время практически во всех перестраиваемых по частоте узлах электронной аппаратуры вместо устаревших механических методов перестройки используется электронная перестройка с помощью варикапов — полупроводниковых приборов с емкостью, зависящей от величины приложенного напряжения. Основными преимуществами данного метода являются: малые габариты узла настройки; возможность очень просто увеличить количество одновременно перестраиваемых контуров; отсутствие габаритных механических элементов, позволяющее размещать варикапы непосредственно около контурных катушек; возможность снижения паразитных излучений от элементов гетеродинов и т.п. за счет введения качественной экранировки каждого каскада; легкое сочетание плавной настройки и фиксированной, которая обеспечивается подачей на варикапы заранее установленных управляющих напряжений; хорошее согласование с цепями АПЧ; большое сопротивление механическим воздействиям, а следовательно, большая надежность и полное отсутствие микрофонного эффекта; возможность дистанционного управления и автоматизированного поиска нужной частоты без применения механических узлов.

 

Зависимость емкости варикапа \(C\) от приложенного обратного напряжения \(U_{обр}\) приблизительно определяется соотношением:

\( C \approx \cfrac{K}{ {\left( U_{обр} + \varphi_к \right)}^n } \),

где:

    \(K\) — постоянная величина, зависящая от геометрических размеров и физических свойств перехода (диэлектрической проницаемости материала),

    \(\varphi_к\) — контактная разность потенциалов перехода, равная 0,8...0,09 В для кремниевых варикапов и 0,35...0,45 для германиевых;

    \(n\) — показатель, зависящий от концентрации примесей в переходе, т.е. от технологии изготовления диода.

 

В наиболее распространенных в настоящее время варикапах \(n\) < 0,5. Большие значения встречаются в диодах, которые имеют повышенный коэффициент перекрытия по емкости.

 

Эквивалентная схема варикапа при работе в режиме обратного смещения представлена на рис. 3.6-52 (в схеме не показаны индуктивность выводов и емкость корпуса).

 

Эквивалентная схема варикапа

Рис. 3.6-52. Эквивалентная схема варикапа

 

Здесь:

    \(R_ш\) — сопротивление потерь запирающего слоя,

    \(R_п\) — последовательное сопротивление потерь материала полупроводника и контактов,

    \(C_б\) — барьерная емкость перехода.

 

Добротность варикапа зависит от сопротивления материала и от сопротивления потерь запирающего слоя (сопротивления утечки). Общее выражение для добротности варикапа:

\( Q = \cfrac{\omega C R_ш}{\omega^2 C^2 R_п R_ш + 1} \)

 

В общем случае значения \(R_п\) и \(R_ш\) также зависят от частоты сигнала. На низких частотах преобладающими являются потери в переходе, которые падают с увеличением частоты, т.е. добротность варикапа растет. На высоких частотах значительными становятся потери в материале полупроводника, а добротность варикапа падает. Частота, на которой добротность варикапа имеет максимальное значение:

\( f_0 = \cfrac{1}{2 \pi \sqrt{R_п R_ш}}\) 

 

при этом выражение для максимальной добротности:

\( Q_{max} = \cfrac{1}{2} \sqrt{\cfrac{R_ш}{R_п}}\)

 

Обычно варикапы используются на частотах приблизительно на порядок выше \(f_0\) .

 

Добротность варикапа существенно зависит от емкости перехода, которая, в свою очередь, зависит от величины приложенного напряжения. В результате с увеличением этого напряжения добротность варикапа увеличивается. Верхней границей управляющего напряжения является максимально допустимое обратное напряжение перехода, а нижняя определяется моментом открывания перехода. Чтобы переход все время оставался обратно смещенным, минимальная величина управляющего напряжения в предельном случае должна быть не меньше амплитуды переменного напряжения ВЧ сигнала на перестраиваемом контуре. Кроме того, минимально допустимое управляющее напряжение определяется величиной допустимых искажений формы резонансной кривой контура. В случае, если амплитуда сигнала соизмерима с величиной управляющего напряжения, средняя емкость варикапа не будет равна емкости, измеренной при малом сигнале, так как емкость за один полупериод ВЧ сигнала будет изменяться больше, чем за другой (рис. 3.6-53). Поэтому с ростом амплитуды сигнала контур расстраивается и его добротность падает.

 

Искажение сильного сигнала при малом значении управляющего напряжения

Рис. 3.6-53. Искажение сильного сигнала при малом значении управляющего напряжения

 

Поскольку, как было показано выше, с увеличением управляющего напряжения добротность варикапа увеличивается, целесообразно выбирать возможно более высокие величины управляющих напряжений. Однако с увеличением управляющего напряжения крутизна вольт-фарадной характеристики варикапа уменьшается, т.е. при больших величинах управляющих напряжений для перекрытия заданного диапазона частот необходим больший диапазон изменения управляющего напряжения. Коэффициент перекрытия рабочего диапазона частот дополнительно уменьшается из-за наличия собственной емкости контурной катушки и других подключаемых параллельно контуру конденсаторов (для подстройки, для компенсации разброса параметров контура и т.п.).

 

Возможные схемы включения варикапа в контур (без цепей смещения по постоянному току) показаны на рис. 3.6-54. Когда необходимо обеспечить перекрытие заданного диапазона частот при минимальном возможном диапазоне управляющих напряжений, варикап в контур включают по схеме рис. 3.6-54а. Требуемый коэффициент перекрытия рабочего диапазона частот достигается соответствующим выбором емкости \(C_0\) и емкостей \(C_{min}\) и \(C_{max}\) варикапа, определяемых типом варикапа и диапазоном изменения управляющего напряжения на нем. Чем меньше значение \(C_0\), тем большее перекрытие по частоте можно обеспечить при заданном диапазоне управляющих напряжений (уменьшение \(C_0\) обычно возможно только до определенного предела, поскольку при этом для сохранения резонансной частоты контура на прежнем уровне приходится изменять намоточные данные индуктивности, входящей в контур, что увеличивает ее собственную емкость и влияет на общую добротность контура).

 

Схемы включения варикапа в контур

Рис. 3.6-54. Схемы включения варикапа в контур

 

В некоторых случаях при использовании для перестройки контуров варикапов важным фактором является обеспечение высокой добротности избирательных цепей. При этом для уменьшения влияния потерь в варикапе искусственно уменьшают долю емкости варикапа в полной емкости за счет введения дополнительных конденсаторов постоянной емкости (\(C1\) на рис. 3.6-54б) с малыми потерями. Однако для сохранения прежнего коэффициента перекрытия по частоте необходимо расширять пределы изменения управляющего напряжения варикапа и заходить в область более низких добротностей самого варикапа, так что выигрыш в добротности избирательной цепи возможен лишь при определенных соотношениях между емкостями варикапа и дополнительных конденсаторов. Наибольший выигрыш в добротности на нижнем конце диапазона частот получается при всяческом уменьшении величин емкостей конденсаторов контура.

 

При конструировании схем с варикапами следует иметь в виду, что при изменении температуры окружающей среды емкость (и добротность) варикапов меняется. Это обусловлено изменениями контактной разности потенциалов и диэлектрической проницаемости используемого полупроводникового материала. Изменение емкости происходит в направлении увеличения общей емкости с повышением температуры, т.е. температурный коэффициент емкости варикапа (\(\alpha_C\)) положителен и зависит от величины приложенного управляющего напряжения.

Изменение контактной разности потенциалов при изменении температуры почти линейно во всем рабочем диапазоне температур варикапа (уменьшается приблизительно на 2,3 мВ при повышении температуры на 1 °C). При малых значениях управляющих напряжений контактная разность потенциалов достаточно велика по сравнению с общим напряжением смещения на переходе, что приводит к значительному изменению емкости варикапа при колебаниях температуры. По мере увеличения управляющего напряжения изменения емкости становятся менее значительными. Для кремниевых варикапов в интервале управляющих напряжений 2...10 В значение \(\alpha_C\) примерно обратно пропорционально величине управляющего напряжения.

При значениях управляющих напряжений, больших чем 15...20 В, величина \(\alpha_C\) почти не зависит от приложенного напряжения и определяется температурной зависимостью диэлектрической проницаемости материала перехода, которая остается постоянной во всем диапазоне изменения управляющего напряжения.

Поскольку изменение емкости варикапа под влиянием температуры окружающей среды возникает за счет двух несвязанных между собой факторов, лучшая температурная компенсация достигается, если обеспечить отдельную компенсацию обоих эффектов.

В зависимости от выбранного диапазона управляющих напряжений и от требований к точности компенсации \(\alpha_C\) в схему могут вводиться различные элементы, компенсирующие влияние температуры либо на изменение контактной разности потенциалов, либо на изменение диэлектрической проницаемости полупроводникового материала перехода, либо одновременно на то и другое. Простые методы температурной компенсации, когда в контур включаются конденсаторы с отрицательным температурным коэффициентом емкости, могут использоваться лишь в схемах с малыми пределами изменения управляющих напряжений (не более 1,5...2 раза).

Для компенсации изменения контактной разности потенциалов достаточно добавить дополнительный источник управляющего напряжения (корректирующее напряжение), включив его последовательно с основным источником. Такое корректирующее напряжение должно иметь противоположную полярность и не зависеть от величины основного управляющего напряжения, но зависеть от температуры также, как и величина контактной разности потенциалов варикапа. Требуемую характеристику можно получить от прямосмещенного кремниевого диода. На рис. 3.6‑55 показана схема, обеспечивающая компенсацию температурных изменений контактной разности потенциалов варикапа с помощью кремниевого диода, на который подано напряжение прямого смещения.

 

Схема компенсации температурного изменения контактной разности потенциалов варикапа с помощью прямосмещенного диода

Рис. 3.6-55. Схема компенсации температурного изменения контактной разности потенциалов варикапа с помощью прямосмещенного диода

 

Ток смещения диода \(VD2\) в схеме рис. 3.6‑55 должен быть выбран достаточно высоким с тем, чтобы не сказывалось влияние обратного тока варикапа (значения порядка 50...100 мА можно считать вполне достаточными для большинства случаев применения данной схемы, они обеспечивают приемлемую компенсацию вплоть до 150 °C). Компенсирующий диод должен иметь ту же самую температуру, что и варикап, а управляющее напряжение должно быть больше, чем напряжение, которое падает на диоде \(VD2\).

 

Для компенсации изменения диэлектрической проницаемости материала перехода от температуры в цепь питания варикапа вводят термосопротивление с отрицательным температурным коэффициентом. Такая схема компенсации показана на рис. 3.6-56. изменение сопротивления термистора должно быть таким, чтобы обеспечить необходимое изменение напряжения на регулировочном потенциометре. При необходимости введения более точной температурной компенсации используют оба рассмотренных метода.

 

Схема компенсации температурного изменения диэлектрической проницаемости полупроводникового материала перехода варикапа с помощью терморезистора

Рис. 3.6-56. Схема компенсации температурного изменения диэлектрической проницаемости полупроводникового материала перехода варикапа с помощью терморезистора

 

Дополнительным источником температурной нестабильности является обратный ток варикапа, который у кремниевых диодов при нормальной комнатной температуре бывает порядка 0,01 мкА. С повышением температуры он значительно возрастает. Для подачи управляющего напряжения на варикап могут использоваться последовательная (рис. 3.6-57а) и параллельная (рис. 3.6-57б) схемы. Наличие влияния обратного тока возможно только в схеме на рис. 3.6-57б.

 

Последовательная (а) и параллельная (б) схемы подачи управляющего напряжения на варикап

Рис. 3.6-57. Последовательная (а) и параллельная (б) схемы подачи управляющего напряжения на варикап

 

Температурное изменение обратного тока варикапа может привести к изменению падения напряжения на любом сопротивлении, включенном последовательно между варикапом и источником питания, что в результате приведет к изменению напряжения смещения на диоде, изменению его емкости и расстройке контура. Таким образом, наличие обратного тока варикапа ограничивает максимально допустимое сопротивление в цепи подачи управляющего напряжения в схеме параллельного питания. Поэтому для питания варикапов следует применять источники управляющего напряжения с возможно меньшим внутренним сопротивлением (приемлемыми считаются величины порядка 1...10 кОм), а для развязки цепей питания вместо последовательных сопротивлений использовать ВЧ дроссели.

 

Как уже отмечалось, контур, перестраиваемый варикапом, при малых величинах управляющего напряжения и больших уровнях принимаемого сигнала имеет недостатки, выражающиеся в изменении емкости диода в такт с изменением переменного напряжения и в сдвиге среднего значения емкости в связи с тем, что положительная и отрицательная полуволны вызывают различное изменение мгновенного значения емкости. Из-за изменения мгновенного значения емкости переменное напряжение ВЧ сильно искажается. Кроме того, из-за изменения среднего значения емкости ухудшается стабильность настройки контура. Нелинейные эффекты в контуре с варикапом начинаются уже с момента, когда приложенное переменное напряжение достигает примерно 1/3 величины постоянного управляющего напряжения.

Характеристика контура с варикапом может быть значительно улучшена за счет применения двух варикапов, включенных по переменному току последовательно в противофазе, а по постоянному току — параллельно (рис. 3.6-58). В этом случае на каждый варикап приходится лишь половина величины общего переменного напряжения сигнала, т.е. в два раза улучшается соотношение величин постоянного и переменного напряжений на варикапе, а благодаря противофазному включению незначительные и противоположно направленные изменения мгновенной емкости взаимно компенсируют друг друга (т.е. мгновенное значение общей емкости контура остается практически постоянным).

 

Встречное включение варикапов, компенсирующее нелинейные искажения ВЧ сигнала в контуре

Рис. 3.6-58. Встречное включение варикапов, компенсирующее нелинейные искажения ВЧ-сигнала в контуре

 

Очевидно, что используемые в схеме на рис. 3.6‑58 варикапы должны иметь максимально схожие вольт-фарадные характеристики. Для применения в таких случаях выпускаются варикапы специально подобранные в пары (тройки, четверки и т.д.), а также варикапные матрицы, в которых в одном корпусе собрано несколько варикапов с одинаковыми характеристиками. Кроме встречного включения в одном контуре такие приборы применяются там, где необходимо обеспечить идентичное управление несколькими сопряженными контурами.

 

Кроме рассмотренных выше способов использования варикапов для перестройки резонансных контуров, эти диоды могут также использоваться и для других регулировок, осуществляемых изменением емкости. Примером может служить применение варикапов для регулирования полосы пропускания тракта промежуточной частоты. Такое регулирование может осуществляться либо за счет механического изменения связи между контурами, либо за счет переключения емкостей связи. Для регулирования ширины полосы с помощью варикапов их можно включить в качестве емкости связи между двумя контурами полосового фильтра (рис. 3.6‑59).

 

Использование варикапа для регулировки полосы пропускания полосового фильтра

Рис. 3.6-59. Использование варикапа для регулировки полосы пропускания полосового фильтра

 

В такой схеме при изменении управляющего напряжения на варикапе ширина полосы пропускания фильтра может изменяться в 2...3 раза. Однако наряду с изменением ширины полосы пропускания при изменении управляющего напряжения будет происходить и некоторое смещение средней частоты. Этот недостаток можно уменьшить за счет применения большего числа варикапов. На рис. 3.6-60 приведена схема с двумя варикапами. Здесь варикап \(VD2\) обеспечивает изменение ширины полосы за счет изменения связи между контурами, а получающееся при этом нежелательное смещение средней частоты в сторону меньших частот компенсируется перестройкой первого контура варикапом \(VD1\). Расширение полосы в такой схеме больше, чем в схеме с одним диодом при одинаковых управляющих напряжениях, а смещение средней частоты настройки значительно меньше.

 

Регулировка полосы пропускания полосового фильтра с помощью двух варикапов

Рис. 3.6-60. Регулировка полосы пропускания полосового фильтра с помощью двух варикапов

 

Для еще более точной компенсации ухода средней частоты, можно использовать три варикапа, т.е. аналогично \(VD1\) в первом контуре включить варикап во второй контур.

К сожалению, при прохождении ВЧ сигнала через последовательно включенный варикап его форма значительно искажается. Поэтому в высококачественных системах обычно используют более сложные схемы перестраиваемых фильтров, где несколько включенных встречно и противофазно варикапов осуществляют сопряженное управление несколькими контурами.

 

 

 



Все права защищены © 1997-2011 Перепечатка возможна только по согласованию с владельцем авторских прав. admin@club155.ru

Яндекс.Метрика               Сервер радиолюбителей России - схемы, документация,

 соревнования, дипломы, программы, форумы и многое другое!   схемы новости электроники