Giáo trình điện tử thông tin - Chương 4

45

Chơng 4

ứng dụng Varicap
trong đIện tử thông tin
4.1 Khái niệm
Varicap l một linh kiện bán dẫn có điện dung thay đổi theo điện áp đặt vo mối
nối p-n của nó. Varicap đợc ứng dụng nhiều trong các bộ thu phát sóng VHF v UHF,
dùng để thay đổi tần số trong các bộ cộng hởng để lựa chọn các kênh sóng, để nhân
v chia tần số, tự động kiểm soát tần số, điều chế AM, FM hoặc sử dụng trong các máy
đo tần số cao v các máy đo cờng độ trờng.
Varicap đợc ký hiệu nh sau:

Hình 4.1
Mạch tơng đơng Varicap:
RP
LS

RS

CC

CJ

Hình 4.2
Ls: điện cảm do dây dẫn kết hợp với cấu trúc bán dẫn. Rs: điện trở nối tiếp.
Cj: điện dung bên trong varicap, có giá trị thay đổi theo phân áp đặt vo.
Rp: điện trở thay đổi theo điện áp vo, có giá trị lớn nhất khi varicap phân cực nghịch
v rất nhỏ khi varicap phân cực thuận.
Cc: điện dung tiÕp xóc do d©y dÉn.

46
Mạch tơng đơng varicap thờng đợc sử dụng khi phân cực ngợc:
RS

CJ

Hình 4.3 mạch tơng đơng của đơn giảnVaricap
Công thức tiêu biểu để tính điện dung theo điện áp phân cực:
CV =

K
(V + )

(4.1)

Cv: điện dung tơng đơng với điện thế vo
V: điện áp đặt lên varicap gồm điện áp phân cực v điện áp tín hiệu xoay chiều
V = VPC + V AC

γ: hƯ sè phơ thc vμo vËt liƯu γ=1/3...1/2
K: hƯ sè phơ thc cÊu tróc b¸n dẫn hiệu điện thế tiếp xúc = 0,5 ữ 0,65
Đặc tuyến varicap tiêu biểu của Varicap
pF

Cv
250
200
150

100
50

V
0

5

10

15

20

25

30

Điện áp phân cực nghịch

Hình 4.4 Đặc tuyến của Varicap
Ta nhận thấy điện dung varicap ®Ịu thay ®ỉi khi ph©n cùc thn vμ ph©n cùc nghịch
thay đổi. Tuy nhiên, khi phân cực thuận thì dòng qua varicap l dòng thuận sẽ thay đổi
rất lớn v Rp có trị số nhỏ, điều ny lm giảm phẩm chất của mạch cộng hởng. Trong
điều kiện phân cực nghịch, dòng qua varicap rất bé, Rp rất lớn, varicap đợc xem nh
không tiêu tán năng lợng (Q). Do đó varicap thờng đợc phân cực nghịch để lm
việc. Đặc tuyến có dạng tùy thuộc vo sự phân bố tạp chất trong diode biÕn dung.


47

0V

Ví dụ phân cực cho Varicap:
BA163
33K

Tên : BA 163
Điện áp ngợc từ 1V đến 12V
Cờng độ dòng điện thuận cực đại:

-1Vữ-12V

ILvmax = 12/33k = 0,4 mA

4.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật của varicap
1. Điện thế lm việc cực đại của varicap: MWV (Maximum Working Voltage) l
điện áp lm việc cao nhất DC v AC ở đỉnh, quá điện áp ny varicap sẽ hỏng. Điện áp
ny bằng điện áp phân cực, thay đổi tùy từng loại varicap từ -7V ữ -200V
2. Điện áp đánh thủng: BRV (Breakdown Voltage) l điện áp lm cho dòng phân
cực gia tăng nhanh gây h hỏng (đánh thủng).
3. Dòng điện ngợc cực đại: l dòng điện ứng với điện thế ngợc lm việc cực đại,
tùy thuộc vo loại v cách cấu tạo varicap m dòng điện ny thay đổi từ:
0,005A5A.
4. Công suất tiêu tán Pd l công suất cực đại m varicap có thể tiêu tán đợc. Tùy
theo từng loại công suất ny thờng thay đổi từ 200mW đến 2,5W.
5. Điện dung định mức C: l điện dung danh định của varicap, nó đợc xác định ở
một điện áp no đó v tần số xác định, giá trị có thể l vi 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 ®Þnh møc 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. HÖ sè phÈm chÊt Q : l tỷ số điện kháng v điện trở nối tiếp Q =

1
CRs

Q đợc ghi rõ ở tần số v điện thế nhất định, Q thờng có giá trị từ 3 ®Õn 100


48
7. Điện trở nối tiếp Rs: 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 fCo: l f tại đó Q = 1, thông thờng fCo= 50MHz đến 500MHz
9. Tần số cộng hởng riêng: l tần số bản thân varicap cộng hởng không có
thnh phần bên ngoi. Thờng do các điện cảm v điện dung trong varicap tạo nên.
Thông thờng từ 150MHz đến 2GHz. Đối với varicap hoạt động ở tần số thấp thì dòng
điện thn If lμ dßng cđa varicap cho phÐp khi nã rơi vo điều kiện phân cực thuận. Khi
điệp áp ngợc đặt vo diode cng lớn thì khoảng cách d của tiếp giáp cng tăng v Cv
giảm.
4.3 Hoạt động của varicap
4.3.1 Varicap trong các mạch lọc

R1
V

CV

R2

+ VPC Vo

CV R2
R1

V

Vo

VPC+

Hình 4.5
Trong hai sơ đồ trên ta chọn: R2>>R1 để R2 không ảnh hởng đến các thông số mạch
lọc.

A

A

1
R1C v

1
R1C v

Hình 4.6. Mạch läc th«ng thÊp vμ läc th«ng cao

ω


49
4.3.2. Varicap dùng trong mạch lọc nhiễu

R1

Cv

R2
+ VPC
_

Hình 4.7
4.3.3. Ghép các varicap

Cv1

Rp1

Cv2

Rp2

Cv3

Rp3

Cvr

Rpr

= Cvtd

Hình 4.8
4.3.4.Varicap trong mạch cộng hởng
a. Cộng hởng nèi tiÕp

L
R

L

+
Cv

Vc

Cv

_
H×nh 4.9

Rptd


50
b. Cộng hởng song song

R

C1

+
Vc

Cv

L

Cv

_

L

Hình 4.10

4.3.5. Varicap trong các bộ nhân tần
Lọc

Lọc

f1

Vi

fn

R1

CV

VPC

Vo

Hình 4.11
Varicap đợc sử dụng trong các bộ nhân tần có u điểm l 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 Vi qua bộ lọc f1 tạo ra dòng điện qua varicap. Do đặc tuyến không thẳng
của varicap nên sẽ sinh ra các hi bậc cao của f1. ở đầu ra của bé läc thø hai cã fn = nf1
sÏ cho ra tÝn hiƯu lμ nf1. Varicap cã ®iƯn trë nèi tiÕp rất bé do đó công suất tiêu thụ l


51
do thnh phần kháng l chủ yếu, sự mất mát rÊt thÊp do ®ã dïng varicap cã hiƯu st
rÊt cao, th«ng th−êng lμ 90% (so víi BJT hay FET hiƯu suất cỡ 50%).
4.4. ứng dụng Varicap trong các máy thu
Mỗi varicap có điện dung danh định khác nhau, với điện áp phân cực thay đổi sẽ
cho ta giá trị CVmin CVmax. Tùy thuộc vo hệ số trùm băng của mỗi băng sóng

(K=fmax/fmin) ta chọn varicap thích hợp dựa vo công thức sau đây:
f max
C max
=
f min
C min

f =

1
2 LC

fmax ứng với CVmin v fmin ứng với CVmax

4.4.1. VARICAP mắc đẩy kéo (cộng hởng cân bằng)

CV
L

R

VAC

VPC

CV

Hình 4.12
Thông thờng chúng ta dùng một varicap để cộng hởng. Trong một số trờng
hợp đối víi tÝn hiƯu xoay chiỊu varicap sÏ r¬i vμo vïng phân cực thuận lm tăng dòng

phân cực, giảm hệ số phẩm chất của mạch, đồng thời lm quan hệ giữa CV v V không
còn tuyến tính. Để khắc phục nhợc ®iĨm nμy ng−êi ta dïng hai varicap m¾c ®Èy kÐo
nh− hình vẽ. Hai Varicap đợc phân cực đồng thời nhờ điện áp phân cực đa vo mạch
qua điện trở R. Khi tín hiệu cao tần áp vo 2 Varicap giống nhau, nó sẽ lái chúng đến
những giá trị điện dung cao thấp luân phiên nhau. Do đó điện dung tơng ®−¬ng cđa


52
mạch gần nh không đổi theo điện áp cao tần. Tuy nhiên mạch có nhợc điểm l lm
giảm giá trị CVt®, do ®ã phai chän varicap cã ®iƯn dung danh định lớn hơn.

4.4.2.Varicap dùng trong mạch cộng hởng đơn tầng.
R

C1
L1

L2

VPC
Rv

Cv

V

Rv

V

C2

Hình 4.13a Varicap cộng hởng đơn

CV2

R

L2

L1

CV1

VPC

C2

Hình 4.13b Varicap đẩy kéo/ cân bằng
R: trở phân cực
L1, CV: khung cộng hởng
RV: chỉnh điện áp phân cực cho Varicap
L2: cuộn cản cao tần, không cho tÝn hiƯu cao tÇn tõ khung céng h−ëng trë về gây
nhiễu nguồn cung cấp. C2: tụ thoát cao tần.


53
4.4.3. Varicap dùng trong mạch cộng hởng nhiều tầng.

fa

CV2

L2 CV3

L3

fc – fa = fIF
RFAMP

MIX

fc
CV1

L1
OSC

CV4

L4

H×nh 4.14

L4

R4

C4
Cv4

L3

R3

L8

C3
L7
Cv3

C1
L5

L1
Cv1

L2

R1

C5

H×nh 4.15

Rv

R2

C2

Cv2

L6


54
CV1
L1

R1
L5
CV2

CV3
L2

R2
L6
CV4

Rv
V

CV5
L3

R3
L7
CV6

L4

R4

CV7
L8
CV8

Hình 4.16
4.4.4. Mạch tự động kiểm soát tần số AFC (Automatic Frequency
Control) Thờng dùng cho các máy thu FM

fa
fIF

RFAMP
MIX

10,7 MHz

vo

KĐTT

AF

DETECTOR

OSC

RP1

fo
C1
L

R1

L1

Cv

R2
C2

Mạch AFC

H×nh 4.17

RP2


55
1 : Đặc tuyến chữ S thuận, 2: đặc tuyến chữ S nghịch.
Khi f = f0: v0 = 0, f0 ở trị số ổn định. Khi f > f0: v0>0 hoặc v0<0 (tùy theo đặc tuyến chữ
S). Khi fGỉa sử f0 thay đổi f0-fa = fIF thay đổi đầu ra bé t¸ch sãng sÏ cã vi ≠0 → lμm
thay ®ỉi ph©n cùc varicap lμm khung céng h−ëng trë vỊ f0.
4.4.5 Mạch điều chế FM

R1

T
Vm
fm



L1
1mH

Vm

Vc
fc

C2

t

4700pF

C1
1000pF

CV
V

L2

t
fo

C3

2,2 F

fo+f

fo

fo-f

Hình 4.18
CVL2: Khung cộng hởng ở đầu ra của 1 bộ dao động, biên độ dao động ở khung ny
đợc giữ không đổi.
T: Biến thế liên lạc (âm tần). Vm, fm: Điện áp v tần số âm tần cần điều chế.
Vc, fc: Điện áp vμ tÇn sè sãng mang cao tÇn, fc cì hμng trăm MHz. Nếu fm cao (chẳng
hạn trong video) ngời ta thay biến thế T bằng OP-TRON.
Varicap
V600/V601

Hình 4.19
R1: Điện trở cách ly, C2: tụ ngăn DC, L1: RFC, C3: tụ thoát, C1: tụ thoát cao tần để ngăn
ảnh hởng cao tần về âm tần.
Nếu 2 cuộn dây của biến thế liên lạc cùng cực tính thì:
* Khi Vm tăng: điện áp phân cực Cv tăng do đó CV giảm lm f tăng.
* Khi Vm giảm: điện áp phân cực cho Cv giảm nên Cv tăng lm f giảm.

56
4.4.6. Mạch điều chế AM
Khung cộng hởng của bộ dao ®éng cã tÇn sè sãng mang RF = fsc chuÈn đợc
ghép sang (L2, CV) bằng điện cảm. Mỗi khi tín hiệu vm (âm tần) thay đổi lm thay đổi
phân cực varicap vμ lμm CV thay ®ỉi → L2, CV cã tần số cộng hởng riêng
f CH =

1
2 L2 CV

lệch so với fsc Biên độ phát xạ ra anten giảm, nghĩa l tín hiệu phát

ra có biên độ thay đổi theo vm. Ta có thể điều chế theo dạng AM, SSB, DSB,...
Trong mạch vì điện trở varicap rất lớn do đó tín hiệu âm tần đa vo điều chế
không cần cã c«ng st cao mμ chóng ta cã thĨ thùc hiện từ micro sau 2 tầng khuếch
T
đại cũng đủ cho tín hiệu cần điều chế.

R1
Vm
fm

L1

C2

C1

fsc

CV

L2
V

C3

Hình 4.20
4.4.7. Máy đo sóng hấp thụ (Grid dip meter)
D1

Lo

Khắc độ chỉ f

5000

fx
Co

Volt
kế số

C2

L

C1
Cv

R1
C3

Hình 4.21

Rv

+
_ VDC


57
Đây l phơng pháp đo tần số để đo các tần số rất lớn (cỡ 100MHz) Nếu L v Cv
đúng tần số khung L, CV cộng hởng mạnh tụ C2 đợc nạp điện qua D Volkế
số chỉ giá trị cực đại khi đó đọc Lv CV thì ta biết đợc tần số fx cần đo.
Cách đo v 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 RV để chỉ trị số f cần đo.
Giả sử cần đo một tần số fx no đó, trớc tiên ta chọn tầm bằng cách chọn một trong
các cuộn dây L, L, L, L, sau đó chỉnh biến trở RV đến lúc tơng ứng với A chỉ
giá trị cực đại đọc đợc giá trị của fx khắc trên bảng khắc độ của RV.

Máy đo ny có khung cộng hởng L, CV đợc nhận năng lợng từ một khung cộng
hởng khác nên gọi l máy đo sóng hấp thụ.
4.4.8. Máy đo trờng
Máy đo cờng độ trờng, thờng dùng cho ngnh viễn thông.
D
C2
.01
C1
.047
L1

LS
2.5m
CV

C3
.01

R2
5k

R1

R3

10

VDC

C4

1M

1F
Volt

kế số
Hình 4.22
Dùng để đo cờng độ điện trờng tại các điểm thu để xác định vùng có cờng độ

trờng bằng nhau hoặc mạnh nhất, phục vụ cho công tác qui hoạch hoặc kiểm tra.
Giả sử sóng tới có tần số f = 100 MHz tại các điểm khác nhau. Trớc tiên ta chỉnh
R3 để L, CV cộng hởng đúng tần số cđa sãng tíi f = 100MHz. Lóc ®ã ®äc chØ sè chØ


58
cực đại của Volkế số. Sau đó vẫn giữ nguyên vị trí chiết áp R3 (để giữ f = 100MHz) v
tiến hnh đo tơng tự ở các điểm khác nhau cần đo. Mỗi lần di chuyển đến một vị trí, ta
ghi chỉ số đọc đợc trên Volkế số. Lm nh thế ta sẽ thống kê đợc những vị trí có
cờng độ điện trờng mạnh nhất.
Dây cáp dùng để cách ly nơi đo với ngời đang sử dụng máy.
R2: dùng để điều chỉnh tầm cho Volt kế.
4.4.9. Máy phát sóng quét: dùng để cân chỉnh cho máy thu

4700p

R1

C1

1M
CV

L

L1
RP
C1

.01

50k

VDC

VOutput
Dao động quét

VO

f (MHz)
10.6

10.7

10.8

Hình 4.23

f0 min

30MHz
6MHz
300kHz

f0 max
60MHz
15MHz
600kHz

L, CV lμ khung céng h−ëng cña 1 mạch dao động tự kích.
Tín hiệu dao động quét có dạng răng ca sẽ cùng với VDC phân cực cho varicap CV
lm cho điện áp phân cực tăng tuyến tính. Do đó khung dao động L, CV sẽ tạo tần sè tõ
f0min ®Õn f0max. Sau ®ã nÕu ta ®−a tÝn hiệu Vra vo mạch tách sóng FM v đa vo mạch
dao động ký ta sẽ có dạng đặc tuyến chữ S nh hình vẽ với điều kiện dải tần số f0min
f0max đợc thiết kế trong khoảng trung tần FM, AM của máy thu. Máy ny có thể kết
hợp với máy đánh dấu v dao động ký để lm xuất hiện dạng sóng của đáp tuyến băng


59
thông trung tần trong máy thu hình hệ FCC. Thiết bị ny gọi l máy phát sóng quét v
đánh dấu (sweep and marker).
AV

f (MHz)
39.75 41.25

45.75 47.25

H×nh 4.24
4.4.10. VolkÕ DC

D
15V
C1

μA kÕ

1000p

C2

R1

R2

1
K
2

Dao động
thạch anh
27kHz

1M

5000p

L1

L2

3

CV

150V
R3

Điện
áp DC
từ 0
đến
1500V

1500V
R4

Hình 4.25
Khóa K dùng để chuyển (tầm ảo) 15V, 150V, 1500V.
Từ dao động thạch anh chuẩn 27MHz ta ghÐp qua biÕn thÕ c¶m øng L1, L2. ThiÕt
kÕ L2=2ữ3 H. Định chuẩn sao cho ở tầm tối đa 15V, 150V, 1500V thì L2, CV cộng
hởng đúng tại tần sè f = 27MHz vμ khi ®ã μA kÕ chØ giá trị cực đại. Nếu điện áp DC
cần đo < 15V thì tần số cộng hởng L CV bây giờ sẽ lệch giá trị 27MHz v kim điện kế
sẽ chỉ giá trị bé hơn. Khi đổi tầm đo, tùy thuộc vo vị trí 1, 2, 3 m các điện trở R1, R2,
R3, R4 hình thnh cầu phân áp để suy giảm điện áp 150V v 1500V xuống còn tối đa lμ
15V.