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 [...]... 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 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 Hình 4. 24 4 .4. 10 Volkế DC Khóa K dùng để chuyển (tầm ảo) 15V,... MHz ữ 20MHz L tơng ứng: 20MHz ữ 50MHz L L tơng ứng: 50MHz ữ 100MHz 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.. .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 RP2 Mạch AFC Hình 4. 17 1 : Đặc tuyến chữ S thu n, 2: đặc tuyến chữ S nghịch Khi f = f0: v0 = 0, f0 vẫn ở trị số ổn định Khi f > f0: v0>0... 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 VO f (MHz) 10.6 10.7 10.8 Hình 4. 23 L, CV 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 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 số từ f0min đến f0max... đổi phân cực varicap lm khung cộng hởng trở về f0 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 A 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... ta ghép qua biến thế cảm ứng L1, L2 Thiết kế L2=2ữ3 H Định chuẩn sao cho ở tầm tối đa 15V, 150V, 1500V thì L2, CV 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 CV bây giờ sẽ lệch giá trị 27MHz v kim điện kế sẽ chỉ giá trị bé hơn Khi đổi tầm đo, tùy thu c vo vị trí 1, 2, 3 m các điện trở R1, R2, R3, R4 hình thnh cầu phân áp D... 3 m các điện trở R1, R2, R3, R4 hình thnh cầu phân áp D để suy giảm điện áp 150V v 1500V xuống còn tối đa l 15V A C1 C2 R2 1 1000p R1 K 2 Dao động thạch anh 27kHz 1M 5000p L1 L2 15V CV Hình 4. 25 3 150V R3 1500V R4 Điện áp DC từ 0 đến 1500V . Chơng 4 ứng dụng Varicap trong thiết bị thu phát 4. 1 Khái niệm Varicap l một linh kiện bán dẫn có điện dung. 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.