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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Caractéristiques de l'utilisation des varicaps. Encyclopédie de la radioélectronique et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Concepteur radioamateur Les condensateurs semi-conducteurs commandés en tension et à capacité variable - varicaps - sont des dispositifs présentant une non-linéarité très prononcée. Pour cette raison, dans les circuits où une tension alternative d'amplitude relativement grande est appliquée au varicap, cela peut présenter une surprise. Essentiellement, un varicap est une diode semi-conductrice à polarisation inverse. La branche directe de sa caractéristique courant-tension, fondamentale pour la fonction principale de la diode (rectification, détection), est sans importance pour un varicap. Dans le cas général, une diode et même une jonction de collecteur ou de jonction d'un transistor bipolaire peuvent être utilisées comme varicap (et en pratique cela est souvent mis en œuvre). Contrairement aux diodes semi-conductrices, pour les varicaps, la capacité de la jonction p-n à une certaine tension de polarisation à ses bornes et le facteur de qualité sont standardisés (et, bien sûr, fournis lors de la production). Notez qu’il n’est pas facile d’obtenir un facteur de qualité varicap sensiblement supérieur au facteur de qualité d’une bobine en boucle. Cela s'explique par le fait que dans un varicap, comme dans toute diode, la résistance de la région de base du semi-conducteur est toujours connectée en série avec la jonction pn, et en parallèle il y a une résistance équivalente due au courant inverse traversant le jonction. Le facteur de qualité relativement faible du varicap implique notamment la nécessité d'en tenir compte lors du calcul du facteur de qualité du circuit oscillant. La dépendance de la capacité de jonction p-n sur la tension inverse qui lui est appliquée a un caractère de loi de puissance de la forme C-Un, où la valeur du paramètre n peut varier de 0,33 à 0,5 (déterminée par la technologie de fabrication de jonction). En figue. La figure 1 montre une caractéristique capacité-tension typique d'un varicap D902, tracée en coordonnées linéaires. Des caractéristiques similaires peuvent être trouvées dans la littérature de référence. Ils permettent de déterminer la capacité du varicap à différentes valeurs de la tension de polarisation.
Cependant, il est préférable de traiter la caractéristique capacité-tension d'un varicap, tracée sur une échelle logarithmique « double » (c'est-à-dire sur les deux axes). On sait qu'une fonction puissance ressemble à une ligne droite sur cette échelle et que la tangente de son angle d'inclinaison à l'axe des ordonnées est numériquement égale à l'exposant de la fonction. En figue. La figure 2 montre ce graphique pour le varicap D902. En mesurant les côtés d'un triangle rectangle ABC avec une règle régulière, on obtient une valeur de 0,5 pour le module de l'exposant (AB/BC). Le caractère décroissant de la caractéristique indique que cet indicateur a un signe négatif. Ainsi, la dépendance de la capacité du varicap D902 sur la tension appliquée a la forme C = U-0.5.
Ce qui précède s’applique aux varicaps « classiques ». Pour augmenter l'efficacité de contrôle des varicaps modernes, des mesures technologiques spéciales sont prises lors de leur fabrication, de sorte que les caractéristiques capacité-tension peuvent ne plus avoir une forme aussi simple. Étant donné que la caractéristique capacité-tension d'un varicap est non linéaire, son utilisation dans des équipements conduit inévitablement à une distorsion. Le radioamateur allemand Ulrich Graf (DK4SX) a effectué des mesures de distorsions d'intermodulation du deuxième et du troisième ordre dans divers filtres passe-bande contenant des diodes semi-conductrices (Ulrich Graf. Intermodulation an passiven Schaltungsteilen. - CQ DL, 1996, n° 3, art. 200- 205). Il a appliqué deux signaux d'un niveau de +50 dB (3 mV à une résistance de 10 Ohms) à l'entrée du filtre (résistance d'entrée de 50 Ohms) et a analysé le spectre du signal de sortie. Graph a sélectionné les valeurs de fréquence des signaux d'entrée de manière à ce que les produits d'intermodulation tombent dans la bande passante du filtre. Dans l'une des expériences portant sur un filtre passe-bande d'entrée à double circuit, les condensateurs fixes inclus dans les circuits oscillants ont été remplacés par des varicaps. Les composantes d'intermodulation de deuxième ordre à la sortie du filtre ont augmenté en niveau de 10 dB, et celles de troisième ordre de près de 50 dB ! En d'autres termes, les varicaps dans les circuits d'entrée des récepteurs peuvent aggraver leur sélectivité réelle, même si, très probablement, ils ne « fonctionneront » de cette manière que dans des équipements relativement haut de gamme (équipements de communication). Cependant, même dans un récepteur de classe moyenne, l'intermodulation au niveau du varicap d'entrée peut devenir importante si le récepteur est utilisé à proximité d'appareils émetteurs. Il existe cependant des nœuds dans lesquels une tension alternative relativement importante doit en principe être fournie au varicap - nous parlons de générateurs. En figue. La figure 3 montre un circuit largement utilisé pour connecter un varicap au circuit oscillant d'un générateur, et la figure. 4 - caractéristiques capacité-tension (C) et courant-tension (I) du varicap et tension instantanée aux bornes du varicap (Ur) à deux valeurs de la tension de commande (Uynp). Veuillez noter que pour plus de clarté dans le graphique, l'échelle le long de l'axe « U » à droite de zéro et le long de l'axe « I ; C » en partant de zéro est agrandie. Tant que la tension de commande est élevée (Uynp1) par rapport à l'amplitude de la tension alternative (Ur), le varicap fonctionne normalement. Mais à mesure que la tension de commande (Ucontrol2) diminue, il peut arriver des moments où, aux sommets de l'alternance négative de la tension, le point de fonctionnement du varicap se rapprochera de la branche directe de la caractéristique courant-tension et il commencera pour redresser la tension alternative qui lui est appliquée.
Comment déterminer la limite de la zone de fonctionnement normal d'un varicap dans un générateur ? Vous pouvez par exemple mesurer la tension alternative sur un varicap et la comparer avec la tension de commande. Pour ce faire, vous avez besoin d'un voltmètre RF avec une impédance d'entrée élevée et une faible capacité d'entrée (afin que sa connexion ne modifie pas le mode de fonctionnement du générateur). La tension de commande minimale admissible sur le varicap peut être déterminée sans perturber le mode de fonctionnement du générateur et à l'aide d'un fréquencemètre. Il est connecté à la sortie du générateur et la dépendance de la pente de commande du générateur à la tension de commande est supprimée. La pente de contrôle est le rapport entre le changement de fréquence du générateur et le changement donné de tension de commande qui l'a provoqué - ΔF/ΔU. Lorsqu'un varicap est entièrement inclus dans le circuit, la transconductance peut par exemple être décrite par une fonction puissance (au moins pour D902), dont l'indicateur dépend du type de caractéristique capacité-tension du varicap. Rappelons (voir ci-dessus) qu'une telle fonction, si elle est tracée sur une échelle logarithmique « double », représente une droite. Si le varicap commence à quitter son mode de fonctionnement normal, la nature de la dépendance de la pente à la tension de commande changera. Cela est également vrai dans un cas plus général, lorsque le varicap n'est pas complètement inclus dans le circuit ou que sa caractéristique capacité-tension n'est pas une fonction de puissance. Étant donné que la caractéristique capacité-tension est non linéaire, les mesures doivent être effectuées dans un certain ordre. En réglant une certaine tension de commande Uynp, la fréquence du générateur Fr est déterminée. Ensuite, cette tension est d'abord réduite à Uypr - ΔUynp, puis augmentée à Uynp + ΔUynp et les valeurs de fréquence correspondantes Fr1 et Fr2 sont lues sur l'affichage du fréquencemètre. La pente de contrôle à la tension de commande Uypr est calculée à l'aide de la formule ΔF/ΔU = (Fr2-Fr1)/2ΔUynp. La valeur absolue du changement de tension ΔUyпp doit être minime, mais telle que le changement de fréquence du générateur puisse être enregistré de manière fiable. Réglez ensuite une autre valeur de la tension de commande Ucontrol et répétez les mesures. Cette technique réduit l'influence de la non-linéarité de la caractéristique capacité-tension du varicap sur la précision de la mesure de la pente de contrôle. Les résultats de la mesure de la pente du contrôle de fréquence du générateur avec l'inclusion complète d'un varicap dans le circuit (voir Fig. 3) sont présentés sur la Fig. 5. On peut voir que lorsque la tension de commande sur le varicap est inférieure à 3,5 V, il quitte le mode normal. En d’autres termes, pour le générateur spécifié, cette tension sera critique.
Avec une nouvelle diminution de la tension de commande, la pente de la courbe peut changer complètement de signe ! Cela se produit en raison de la rectification déjà mentionnée de la tension haute fréquence appliquée au varicap. La tension redressée est soustraite de la tension de commande et commence à la dominer. Si la situation décrite se produit, par exemple, avec l'oscillateur local de votre récepteur, vous serez surpris. Imaginez - lorsque vous tournez le bouton de résistance variable « Réglage » dans le même sens, la fréquence de réception change d'abord dans un sens, puis cesse pratiquement de changer, puis peut revenir en arrière. Auteur : B.Stepanov, Moscou
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