バリキャップの使用の特徴。スキーム、説明

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バリキャップの使用の特徴。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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可変静電容量の電圧制御半導体コンデンサ (バリキャップ) は、非常に顕著な非直線性を持つデバイスです。このため、比較的大きな振幅の交流電圧がバリキャップに印加される回路では、予期せぬ事態が発生する可能性があります。

本質的に、バリキャップは逆バイアスされた半導体ダイオードです。ダイオードの主な目的 (整流、検出) にとって基本となる電流-電圧特性の直接分岐は、バリキャップにとっては重要ではありません。一般に、ダイオード、さらにはバイポーラトランジスタのコレクタまたはジャンクションをバリキャップとして使用できます (実際にはこれが実装されることがよくあります)。

半導体ダイオードとは異なり、バリキャップの場合、特定のバイアス電圧における p-n 接合の静電容量と品質係数は標準化されています (もちろん、製造時に提供されます)。ループコイルの品質係数よりも著しく高いバリキャップ品質係数を達成するのは簡単ではないことに注意してください。これは、他のダイオードと同様に、バリキャップでも半導体のベース領域の抵抗が常に pn 接合と直列に接続されており、並列に、ダイオードを流れる逆電流による等価抵抗が存在するという事実によって説明されます。ジャンクション。バリキャップの品質係数が比較的低いということは、特に発振回路の品質係数を計算するときにそれを考慮する必要があることを意味します。

p-n 接合容量の、それに印加される逆電圧への依存性は C-U-n の形式のべき乗則特性を持ち、パラメータ n の値は 0,33 ～ 0,5 の範囲になります (接合製造技術によって決定されます)。図では、図 1 は、D902 バリキャップの典型的な容量-電圧特性を線形座標でプロットしたものです。同様の特徴が参考文献にも見られます。これらにより、バイアス電圧のさまざまな値でのバリキャップの静電容量を決定できます。

バリキャップの使用の特徴

ただし、バリキャップの静電容量-電圧特性を「二重」(つまり、両方の軸上) の対数スケールでプロットして処理することが望ましいです。このスケールではべき乗関数は直線のように見え、縦軸に対する傾斜角の接線は数値的には関数の指数に等しいことが知られています。図では、図 2 は、D902 バリキャップのグラフを示しています。通常の定規で直角三角形 ABC の辺を測定すると、指数のモジュール (AB/BC) の値 0,5 が得られます。特性の下降特性は、このインジケーターが負の符号を持つことを示します。したがって、バリキャップ D902 の静電容量の印加電圧依存性は C = U-0.5 の形になります。

バリキャップの使用の特徴

上記は「クラシック」バリキャップに適用されます。最新のバリキャップの制御効率を高めるために、製造時に特別な技術的手段が講じられているため、静電容量と電圧の特性はそれほど単純な形ではなくなっている可能性があります。

バリキャップの容量-電圧特性は非線形であるため、機器に使用すると歪みが生じます。ドイツのアマチュア無線家ウルリッヒグラフ (DK4SX) は、半導体ダイオードを含むさまざまなバンドパスフィルターで 1996 次および 3 次の相互変調歪みの測定を実行しました (Ulrich Graf. Intermodulation an Passiven Schaltungspeilen. - CQ DL、200、No. 205、s. 50- 3）。彼は、レベル +10 dB (50 オームの抵抗で XNUMX mV) の XNUMX つの信号をフィルター入力 (入力抵抗 XNUMX オーム) に適用し、出力信号のスペクトルを分析しました。グラフは、相互変調積がフィルターの通過帯域内に収まるように、入力信号の周波数値を選択しました。

二重回路入力バンドパスフィルタの実験の 10 つでは、発振回路に含まれる固定コンデンサがバリキャップに置き換えられました。フィルター出力の 50 次相互変調成分のレベルは XNUMX dB 増加し、XNUMX 次相互変調成分のレベルはほぼ XNUMX dB 増加しました。

言い換えれば、受信機の入力回路のバリキャップは実際の選択性を悪化させる可能性がありますが、このように「動作」するのはおそらく比較的高級な機器 (通信機器) だけです。ただし、中級クラスの受信機であっても、受信機が送信デバイスの近くで動作する場合、入力バリキャップでの相互変調が重大になる可能性があります。

ただし、原則として比較的大きな交流電圧をバリキャップに供給する必要があるノードがあります。これは発電機について話しています。図では、図 3 は、バリキャップを発電機の発振回路に接続するために広く使用されている回路を示しています。 4 - バリキャップの容量-電圧 (C) および電流-電圧 (I) 特性、および制御電圧 (Uynp) の 1 つの値でのバリキャップ両端の瞬時電圧 (Ur)。グラフをわかりやすくするために、ゼロの右側の「U」軸に沿ったスケールと、ゼロから下の「I; C」軸に沿ったスケールが拡大されていることに注意してください。制御電圧 (Uynp2) が交流電圧の振幅 (Ur) に比べて高い限り、バリキャップは正常に動作します。しかし、制御電圧 (UcontrolXNUMX) が減少すると、電圧の負の半波のピークで、バリキャップの動作点が電流電圧特性の直接分岐に近づき、動作が開始される瞬間が生じることがあります。印加された交流電圧を整流します。

バリキャップの使用の特徴

発電機のバリキャップの通常動作ゾーンの境界を決定するにはどうすればよいですか?たとえば、バリキャップの交流電圧を測定し、制御電圧と比較できます。これを行うには、高入力インピーダンスと低入力容量を備えた RF 電圧計が必要です (その接続によって発電機の動作モードが変更されないようにするため)。

バリキャップの最小許容制御電圧は、発電機の動作モードを乱すことなく、周波数計を使用して決定できます。これは発電機の出力に接続されており、制御電圧に対する発電機の制御勾配の依存性が除去されます。

制御勾配は、発電機の周波数の変化と、それを引き起こした制御電圧の所定の変化の比、ΔF/ΔU です。バリキャップが回路に完全に含まれている場合、トランスコンダクタンスは、たとえば、べき乗関数 (少なくとも D902 の場合) で表すことができ、その指標はバリキャップの静電容量 - 電圧特性のタイプに依存します。このような関数が「二重」対数スケールでプロットされた場合、直線を表すことを思い出してください (上記を参照)。バリキャップが通常の動作モードから外れ始めると、制御電圧に対する傾きの依存性の性質が変化します。これは、バリキャップが回路に完全に含まれていない場合、またはその容量-電圧特性がべき乗関数ではない、より一般的な場合にも当てはまります。

容量-電圧特性は非線形であるため、測定は一定の順序で実行する必要があります。ある制御電圧 Uynp を設定することにより、発電機周波数 Fr が決まります。次に、この電圧は最初に Uypr - ΔUynp に減少し、次に Uynp + ΔUynp に増加し、対応する周波数値 Fr1 および Fr2 が周波数メーターの表示から読み取られます。

制御電圧 Uypr での制御傾きは、式 ΔF/ΔU = (Fr2-Fr1)/2ΔUynp を使用して計算されます。電圧変化ΔUyпpの絶対値は最小限である必要がありますが、発電機周波数の変化を確実に記録できるようにする必要があります。次に、制御電圧 Ucontrol の別の値を設定し、測定を繰り返します。この技術は、制御スロープの測定精度に対するバリキャップの容量-電圧特性の非線形性の影響を軽減します。

回路にバリキャップを完全に組み込んだ状態で発電機の周波数制御の傾きを測定した結果（図3を参照）を図に示します。 5. バリキャップの制御電圧が 3,5 V を下回ると、通常モードから抜けることがわかります。言い換えれば、指定された発電機にとって、この電圧は重要になります。

バリキャップの使用の特徴

制御電圧をさらに下げると、曲線の傾きの符号が完全に変わる可能性があります。これは、バリキャップに印加される高周波電圧のすでに述べた整流によって起こります。整流された電圧が制御電圧から減算され、制御電圧を支配し始めます。

たとえば、受信機の局部発振器で上記の状況が発生した場合、あなたは驚くでしょう。想像してみてください。「設定」可変抵抗器のノブを同じ方向に回すと、受信周波数が最初に一方向に変化し、その後実質的に変化が止まり、その後元に戻ります。

著者: B.ステパノフ、モスクワ

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