37 Chơng ứng dụng Varicap đIện tử thông tin 4.1 Khái niệm Varicap linh kiện bán dẫn có điện dung thay đổi theo điện áp đặt vào mối nối p-n Varicap đợc ứng dụng nhiều thu phát sóng VHF UHF, dùng để thay đổi tần số cộng hởng để lựa chọn kênh sóng, để nhân chia tần số, tự động kiểm soát tần số, điều chế AM, FM sử dụng máy đo tần số cao 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 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 vào 38 Rp: điện trở thay đổi theo điện áp vào, có giá trị lớn varicap phân cực nghịch nhỏ varicap phân cực thuận Cc: điện dung tiếp xúc dây dẫn Mạch tơng đơng varicap thờng đợc sử dụng: RS CJ Hình 4.3 mạch tơng đơng đơn giảnVaricap Công thức tiêu biểu để tính điện dung theo điện áp phân cực: CV = K (V + ϕ ) γ (4.1) Cv: điện dung tơng đơng với điện vào V: điện áp đặt lên varicap gồm điện áp phân cực ®iƯn ¸p tÝn hiƯu xoay chiỊu V = VPC + V AC γ : hƯ sè phơ thc vµo vËt liƯu γ =1/3 1/2 K: hƯ sè phơ thc cÊu trúc bán dẫn : hiệu điện tiếp xúc = 0,5 ữ 0,65 Đặc tuyến varicap tiêu biểu Varicap Cv pF 250 200 150 100 50 V 25 10 30 15 20 Điện áp phân cực nghịch Hình 4.4 Đặc tuyến Varicap 39 Ta nhận thấy ®iƯn dung varicap ®Ịu thay ®ỉi ph©n cùc thn phân cực nghịch thay đổi Tuy nhiên, phân cực thuận dòng qua varicap dòng thuận thay đổi lớn R p có trị số nhỏ, điều làm giảm phẩm chất mạch cộng hởng Trong điều kiện phân cực nghịch, dòng qua varicap bé, R p lớn, varicap đợc xem nh không tiêu tán lợng (Q) Do varicap thờng đợc phân cực nghịch để làm việc Đặc tuyến có dạng tùy thuộc vào phân bố tạp chất diode biÕn dung VÝ dơ ph©n cùc cho Varicap: 0V BA16 33K -1Vữ 12V Tên : BA 163 Điện áp ngợc từ 1V đến 12V Cờng độ dòng điện thuận cực đại: ILvmax = 12/33k = 0,4 mA 4.2 Các tiêu kỹ thuật varicap Điện làm việc cực đại varicap: MWV (Maximum Working Voltage) điện áp làm việc cao DC AC đỉnh, điện áp varicap hỏng Điện áp điện áp phân cực, thay đổi tùy loại varicap từ -7V ữ -200V Điện áp đánh thủng: BRV (Breakdown Voltage) điện áp làm cho dòng phân cực gia tăng nhanh gây h hỏng (đánh thủng) Dòng điện ngợc cực đại: dòng điện ứng với điện ngợc làm việc cực đại, tùy thuộc vào loại cách cấu tạo varicap mà dòng điện thay đổi từ: 0,005àA5àA Công suất tiêu tán Pd công suất cực đại mà varicap tiêu tán đợc Tùy theo loại công suất thờng thay đổi từ 200mW đến 2,5W Điện dung định mức C: điện dung danh định varicap, đợc xác định điện áp tần số xác định, giá trị 40 vài pF đến 2000pF Các varicap có điện dung định mức thấp thờng đợc sử dụng máy thu phát viba Các giá trị điện dung định møc nh sau: 1PF 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 điện kháng điện trở nối tiếp Q= CR s Q đợc ghi rõ tần số điện định, Q thờng có giá trị từ đến 100 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 nhng không đáng kể Tần số cắt fCo: f Q = 1, thông thờng fCo= 50MHz đến 500MHz Tần số cộng hởng riêng: tần số thân varicap cộng hởng thành phần bên Thờng điện cảm điện dung varicap tạo nên Thông thờng từ 150MHz đến 2GHz Đối với varicap hoạt động tần số thấp dòng điện thuận I f dòng varicap cho phép rơi vào điều kiện phân cực thuận Khi điệp áp ngợc đặt vào diode lớn khoảng cách d tiếp giáp tăng Cv giảm 4.3 Hoạt động varicap 4.3.1 Varicap mạch lọc 41 R R CV V +V _ PC Vo i CV R V R VPC+ _ i Vo Hình 4.5 Trong hai sơ đồ ta chọn: R2>>R1 để R2 không ảnh hởng đến thông số A m¹ch läc A v v R1C v ω ω R1C v Hình 4.6 Mạch lọc thông thấp lọc thông cao 4.3.2 Varicap dùng mạch lọc nhiễu R1 Rp1 Cv2 PC Hình 4.7 4.3.3 Ghép varicap Cv1 R2 + _ V Cv Rp2 Cv3 Rp3 H×nh 4.8 Cvr Rpr = Cvtd Rptd 42 4.3.4.Varicap m¹ch céng hëng a Céng hëng nèi tiÕp L R L + Cv Vc _ Cv H×nh 4.9 b Céng hëng song song R C1 + Läc Läc Vc Cv _ L f1 f n Cv L H×nh 4.10 Vi R1 CV 4.3.5 Varicap nhân tần Hình VPC Vo 43 Varicap đợc sử dụng nhân tần có u điểm đơn giản mạch nhân tần dùng BJT, FET nhân tần dùng varicap hầu nh không cần cung cấp lợng Tín hiệu Vi qua lọc f1 tạo dòng điện qua varicap Do đặc tuyến không thẳng varicap nên sinh hài bậc cao f đầu lọc thứ hai có fn = nf1 sÏ cho tÝn hiƯu lµ nf1 Varicap cã ®iƯn trë nèi tiÕp rÊt bÐ ®ã công suất tiêu thụ thành phần kháng chủ yếu, mát thấp dùng varicap có hiệu suất cao, thông thờng 90% (so víi BJT hay FET hiƯu st cì 50%) 4.4 ứng dụng Varicap máy thu Mỗi varicap có điện dung danh định khác nhau, với điện áp phân cực thay đổi cho ta giá trị C Vmin CVmax Tùy thuộc vào hệ số trùm băng băng sóng (K=fmax/fmin) ta chọn varicap thích hợp dựa vào công thức sau đây: f max C max = f C f = 2π LC 44 fmax øng víi CVmin vµ fmin øng víi CVmax 4.4.1 VARICAP mắc đẩy kéo (cộng hởng cân bằng) CV L R VDC VPC CV Hình 4.12 Thông thờng dùng varicap để cộng hởng Trong số trờng hợp tín hiệu xoay chiều varicap rơi vào vùng phân cực thuận làm tăng dòng phân cực, giảm hệ số phẩm chất mạch, đồng thời làm quan hệ C V V không tuyến tính Để khắc phục nhợc điểm 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 Varicap giống nhau, lái chúng đến giá trị điện dung cao thấp luân phiên Do điện dung tơng đơng R Váp mạch gầnCnh không đổi theoLđiện PC cao tần Tuy nhiên mạch có nhợc điểm làm giảm giá trị CVtđ, phai có Rv chọn varicap V L1 Cv C2 điện dung danh định lớn 4.4.2.Varicap dùng hởng đơn tầng Hìnhmạch 4.13acộng Varicap cộng hởng đơn CV2 L1 CV1 R L2 VPC Rv C2 Hình 4.13b Varicap đẩy kéo/ cân V 45 R: trở phân cực L1, CV: khung cộng hởng RV: chỉnh đIện áp phân cực cho Varicap L2: cuộn cản cao tần, không cho tín hiệu cao tần từ khung cộng hởng trở gây nhiễu nguồn cung cấp C2: tụ thoát cao tần 4.4.3 Varicap dùng mạch cộng hởng nhiều tÇng fa CV2 L2 CV3 L4 RFAMP CV1 L3 R4 MIX fc L1 OSC L3 R3 H×nh 4.14 C4 Cv4 CV4 C3 Cv3 C1 L5 L1 Cv1 L2 R1 C5 H×nh 4.15 Rv R2 fc – fa = fIF L8 L4 L7 C2 Cv2 L6 46 L1 R1 CV1 L5 CV2 CV3 L2 R2 L6 CV4 Rv V L3 R3 CV5 L7 CV6 4.4.4 Mạch tự động kiểm soát tầnL4 sè Control) Thêng dïng cho c¸c m¸y thu FM fa fIF RFAMP CV7 R AFC (Automatic L8 CV8 10,7H×nh MHz 4.16 DETECTOR K§TT vo AF MIX OSC RP1 fo C1 L R1 L1 Cv R2 C2 Mạch AFC Hình 4.17 RP2 Frequency 47 : Đặc tuyến chữ S thuận, 2: đặc tuyến chữ S nghịch Khi f = f0: v0 = 0, f0 vÉn ë trÞ sè ỉn định Khi f > f0: v0>0 v0