Новокаховський приладобудівний фаховий коледж

Лабораторія № 607

======================================================

Дисципліна: "Матеріалознавство та елементна база телекомунікаційних та радіотехнічних систем"

МЕТОДИЧНІ  ВКАЗІВКИ  ПО  ПРОВЕДЕННЮ  ЛАБОРАТОРНОЇ  РОБОТИ

«ДОСЛІДЖЕННЯ ВАРИКАПА»

Ціль роботи:  вивчення методу електронного настроювання коливального контуру за допомогою  варикапа; побудова вольтфарадної характеристики варикапа; визначення параметрів варикапа.

Короткі теоретичні відомості

Варикапами (від англ. variable – змінний, capasity – ємність) називають напівпровідникові діоди, у яких використовується бар'єрна ємність замкненого p-n переходу, що залежить від величини прикладеної до діода зворотної напруги (напруги зсуву). Зі збільшенням зворотної напруги ємність p-n переходу зменшується за законом

С_U = C₀ [φ_k / (φ_k + U )]^1/n,                                 (1)

де С_U – ємність діода при зворотній напрузі U;

     C₀ – ємність діода при нульовій  зворотній напрузі;

     φ_k – контактний потенціал (φ_k ≈ 0,8 В);

     n – коефіцієнт, що залежить від типу варикапа.

Рисунок 1 - Вольтфарадна характеристика варикапа

На рисунку 1 приведена залежність ємності варикапа  від керуючої напруги Е_кер (вольтфарадна характеристика).

З вольтфарадної характеристиці варикапа можна визначити наступні його параметри:

Номінальна ємність варикапа С_ном — бар'єрна ємність p‑n переходу при заданій напрузі зміщення U_зм.

Коефіцієнт перекриття за ємністю:

,                                                    (2)

де  С_max — максимальна ємність варикапа; її величина обмежується значенням С₀, оскільки дуже малий опір відкритого p‑n переходу чинить сильну шунтуючу дію на ємність і різко знижує її добротність;

     С_min — мінімальна ємність варикапа, її величина обмежується зворотною допустимою напругою p‑n переходу (див. рисунок 1).

 Коефіцієнт перекриття за ємністю К_с для більшості варикапів дорівнює від 2 до 6.                                                                                                                                                                          

 Варикапи знаходять застосування в різних електронних схемах: модуляторах, що перебудовуються резонансних контурах, генераторах з електронним настроюванням, параметричних підсилювачах і генераторах та ін. 

Рисунок 2 - Схема дослідження варикапа

Порядок виконання лабораторної роботи

 Зберіть в програмі Multisim схему  для тестування варикапа, включеного у коливальний контур (див. рисунок 2).

Коливальний контур утворений індуктивністю L та  ємністю варикапа VD. Через конденсатор С3 генератор радіочастотного сигналу підключений до контуру.  Розділовий конденсатор С2 (С2>>С_VD) запобігає короткому замиканню постійної напруги джерела  Е_кер  і варикапа VD через індуктивність контуру L по постійному струму. Фільтр R2,C1 запобігає протіканню струмів високої частоти в джерело живлення Е_кер.

При керуючій  напрузі Е_кер = 0 В подайте від генератора змінну напругу.

Момент настання резонансу необхідно контролювати  за допомогою характеріографа (Bode Plotter) по максимальному значенню напруги в резонансному контурі, використовуючи маркер (див. рисунок 3). Зафіксуйте в таблиці 1 значення  частоти генератора, що буде відповідати власній частоті  коливального контуру f₀.

Рисунок 3 – Приклад визначення резонансної частоти коливального контуру

Продовжить  досліди при різних  величинах зворотної напруги U_звор, зазначених у таблиці 1.

Знаючи індуктивність контуру L, що зазначена на схемі (див. рисунок 1), визначить ємність варикапа за  допомогою формули Томсона:

                                                              ,                                     (3)

де С_VD  – бар'єрна ємність  варикапа VD.

Ємність варикапа знаходиться з перетворення формули (3):

C_VD =  _.                                                                            (4)

Результати  розрахунків ємності варикапа С_VD занесіть в таблицю 1.

Таблиця 1 – Результати вимірювання та розрахунків

 За даними таблиці 1 побудуйте в програмі Excel вольтфарадну характеристику (ВФХ) варикапа (приклад побудови ВФХ див. на рисунку 4).

Рисунок 4 – Приклад побудови вольтфарадної  характеристики  варикапа

Зверніть увагу, що ємність варикапа зменшується зі збільшенням зворотної напруги. Ця залежність є нелінійною і зазвичай описується степеневим законом. Це пов’язано з розширенням області збіднення p-n переходу.  Нахил вольтфарадної характеристики залежить від типу варикапа:  для різних типів варикапів (планарні, іонно-імплантовані, епітаксійні) характерна різна крутість зміни ємності.

Отримана вольтфарадна  характеристика  дозволяє точно підбирати варикапи для варіантів електронної настройки частоти.

По ВФХ варикапа визначить його основні параметри і порівняйте їх з паспортними даними варикапа. Результати розрахунків і паспортні дані занесіть  в таблицю 2.

Таблиця 2 – Порівняння параметрів варикапа типу __ВВ620__

Зміст звіту по роботі

1. Назва і мета лабораторної роботи.

2. Схема дослідження варикапа.

3. Таблиці вимірів і обчислень. Формули розрахунків.

4. Вольтфарадна характеристика варикапа.

5. Короткі висновки по лабораторній роботі.

6. Короткі відповіді на контрольні питання.

Контрольне питання

1.               В яких електронних пристроях  застосовуються варикапи і з якою метою?
2. Чим відрізняється варикап від звичайного конденсатора?

Література

1.               Гриценко О. М. Електронні прилади та пристрої: навчальний посібник. - Дніпро: Дніпровський національний університет, 2020.
2.               Мельник А. Ю., Ковальчук Р. І. Основи радіоелектроніки: навчальний посібник. - Одеса: Одеський національний політехнічний університет, 2019.
3.               Петров С. М., Іваненко О. Л. Напівпровідникові прилади та їх застосування: навчальний  посібник. -  Харків: Техніка, 2017.