Tài liệu Ứng dụng varicap trong thiết bị thu phát_Chương 4 pdf

Chơng 4
ứng dụng Varicap
trong thiết bị thu phát

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:

C
C
L
S
R
S
R
P
C
J

Hình 4.2

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 vo.
R
p
: 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.
C
c
: điện dung tiếp xúc do dây dẫn.
Mạch tơng đơng varicap thờng đợc sử dụng:



R
S
C
J
Hình 4.3 mạch t-ơng đ-ơng của đơn giảnVaricap
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 vo
V: điện áp đặt lên varicap gồm điện áp phân cực v điện áp tín hiệu
xoay chiều

ACPC
VVV
+
=



: hệ số phụ thuộc vo 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

Hình 4.4 Đặc tuyến của Varicap
V

p
F
0 5 10 15 20 25 30
100
50
150
200
250

Điện áp phân cực nghịch

Cv








Ta nhận thấy điện dung varicap đều thay đổi khi phân cực thuận v phân cực
nghịch thay đổi. Tuy nhiên, khi phân cực thuận thì dòng qua varicap l dòng
thuận sẽ thay đổi rất lớn v R
p
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, R

p
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 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:
0V
BA16
33K
-1Vữ-12V
I
Lvmax
= 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 P
d

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 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 : l tỷ số điện kháng v điện trở nối tiếp
s
CR
Q

1
=

Q đợc ghi rõ ở tần số v 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
: l f tại đó Q = 1, thông thờng f
Co
= 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 thuận I
f
l dòng của varicap cho phép khi nó
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 C
v
giảm.
4.3 Hoạt động của varicap
4.3.1 Varicap trong các mạch lọc

V
R
C
V
R
+
V
PC
V
o
V
R
V
PC
+
R

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.
A
A









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





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

R

+

L















b. Céng h−ëng song song

V
c
+

_

C
v
R

L

C
1
L

C
v





H×nh 4.10



4.3.5. Varicap trong c¸c bé nh©n tÇn


f
1
f
n

VB
PC
VB
o
VB
i

Läc
Läc
CB
V
RB
1









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 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 hi bậc cao của f
1
. ở đầu ra của bộ
lọc thứ hai có f
n
= nf
1
sẽ cho ra tín hiệu l nf
1
. Varicap có điện trở nối tiếp rất
bé do đó công suất tiêu thụ l


do thnh phần kháng l chủ yếu, sự mất mát rất thấp do đó dùng varicap có
hiệu suất rất cao, thông thờng l 90% (so với BJT hay FET hiệu 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 C
Vmin
C
Vmax
. Tùy thuộc vo hệ số trùm băng của
mỗi băng sóng (K=f
max
/f
min
) ta chọn varicap thích hợp dựa vo công thức sau
đây:
min

max
min
max
C
C
f
f
=

LC
f

2
1
=
f
max
ứng với C
Vmin
v f
min
ứng với C
Vmax

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

L
R
V
PC

C
V

C
V

V
DC

Hình 4.12







Thông thờng chúng ta dùng một varicap để cộng hởng. Trong một số
trờng hợp đối với tín hiệu xoay chiều varicap sẽ rơi vo vùng phân cực thuận
lm tăng dòng phân cực, giảm hệ số phẩm chất của mạch, đồng thời lm quan
hệ giữa C
V
v V không còn tuyến tính. Để khắc phục nhợc điểm ny ngời ta
dùng hai varicap mắc đẩy kéo 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 đơng của

mạch gần nh không đổi theo điện áp cao tần. Tuy nhiên mạch có nhợc

điểm l lm 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.

C
1
L
1
C
v
R L
2
C
2
V
PC
R
v
V

Hình 4.13a Varicap cộng hởng 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.












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


Hình 4.14







L
4

R
4
C
4
LB
5
CB
1
CB
v1
LB
1
RB
1
CB
5
L
2
RB
2
RB
v
CB
v2
LB
6
CB
2
L
3

R
3
C
3
C
v3
C
v4
L
7
L
8















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















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

RFAMP
MIX

OSC
KĐTT
DETECTOR
AF
f
IF
10,7 MHz
L C
v
C
2
C
1
R
1
L

1
R
2
Mạch AFC
f
a
f
o
Hình 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 l 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 lm thay đổi phân cực varicap lm khung cộng hởng trở về f
0
.





Đây l phơng pháp đo tần số để đo các tần số rất lớn (cỡ 100MHz)

Nếu L v C
v
đúng tần số khung L, C
V
cộng hởng mạnh tụ C
2
đợc nạp
điện qua D A chỉ giá trị cực đại khi đó đọc Lv C
V
thì ta biết đợc tần
số f
x
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 R
V
để chỉ trị số f cần đo.
Giả sử cần đo một tần số f
x
no 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 A chỉ giá trị cực đại đọc đợc giá trị của f

x
khắc trên bảng
khắc độ của R
V
.
Máy đo ny có khung cộng hởng L, C
V
đợc nhận năng lợng từ một
khung cộng hởng khác nên gọi l máy đo sóng hấp thụ.
4.4.8. Máy đo trờng

10.6 10.7 10.8
f (MHz)

V
O






Hình 4.23

L, C
V
l 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
lm 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

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 f
0min
f
0max
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
thông trung tần trong máy thu hình hệ FCC. Thiết bị ny gọi l máy phát
sóng quét v đánh dấu (sweep and marker).

39.75 41.25 45.75 47.25
f
(
MHz
)
A
V





Hình 4.24


4.4.10. Volkế DC

Khóa K dùng để chuyển (tầm ảo) 15V, 150V, 1500V.
Từ dao động thạch anh chuẩn 27MHz ta ghép qua biến thế cảm ứng L
1
,
L
2
. Thiết kế L
2
=2ữ3 H. Định chuẩn sao cho ở tầm tối đa 15V, 150V, 1500V
thì L
2
, C
V
cộng hởng đúng tại tần số f = 27MHz v khi đó A kế chỉ giá trị
cực đại. Nếu điện áp DC cần đo < 15V thì tần số cộng hởng L C
V
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 R
1
, R
2
, R
3
, R
4
hình thnh cầu phân áp
để suy giảm điện áp 150V v 1500V xuống còn tối đa l 15V.
D
Dao động

thạch anh
27kHz

C
V

1000p
C1

C2
5000p
R1
1M

K
1
2
3
R2
R3
R4
150V
1500V
Điện
áp DC
từ 0
đến
1500V
15V

L2
L1



A
Hình 4.25