Файл: Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 196
Скачиваний: 1
<7омакс « J ~ («О + <Po)V «макс ІСМ. Выражение (5.2)]
к максимальному мгновенному значению напряжения на
варакторе ыМ акс-
Приближенное выражение для вольткулоновой харак теристики варактора (5.3) может быть использовано лишь в случае, когда диапазон изменения напряжения в запертой области р-п перехода значительно превышает контактную
разность потенциалов <р0, а объемный заряд |
открывающего |
|||||||||||
ся р-п перехода |
существенно |
|
|
и' |
|
|||||||
больше |
заряда |
запорного |
слоя. |
|
|
|
||||||
При |
умножении |
частоты |
|
эти |
|
|
|
а |
||||
условия |
«большого |
сигнала» |
|
|
|
|
||||||
обычно выполняются. |
|
|
|
|
|
Jo |
иС0(и) |
|||||
Вольткулоновая |
характери |
|
|
1 |
е"и) 1 |
|||||||
стика u(q0) описывает |
лишь |
|
|
|||||||||
основные |
свойства |
|
варактора |
|
|
|
|
|||||
Как нелинейной емкости. Бо- |
Р и с - |
5.2. |
Эквивалентная |
|||||||||
лее |
полно |
свойства |
варакто- |
" * м а |
ф а к т о р а |
без учета |
||||||
ра |
отражаются |
|
ґ „ |
„ |
эффекта восстановления и |
|||||||
простейшей |
индуктивности |
выводов, |
||||||||||
эквивалентной |
схемой, |
пред |
|
|
|
|
||||||
ставленной |
на |
рис. |
5.2. Эта |
|
|
|
|
эквивалентная схема наряду с нелинейной емкостью С0(и) содержит последовательное активное сопротивление полу проводникового материала и контактов Rs и параллельную активную проводимость G0 . При запертом р-п переходе проводимость G0 мала и практически ее можно не учитывать. При открытом р-п переходе проводимость G0 связана с ем костью варактора соотношением C0 /G0 — Tv, где Tv —вре мя рекомбинации неосновных носителей заряда в полупро воднике — один из параметров варактора.
Простейшая эквивалентная схема (рис. 5.2) не отобра жает таких существенных эффектов, как влияние конечного времени восстановления запертого состояния р-п перехода [15—18] и индуктивности выводов варактора. Эффект влия ния конечного времени восстановления будет рассмотрен при анализе потерь мощности в варакторе. Влияние индук тивности выводов будет проанализировано в § 5.3 при рас смотрении схем варакторных умножителей частоты.
Элементы простейшей эквивалентной схемы |
|
варактора |
Rs и G0 (рис. 5.2) отражают процессы рассеяния |
мощности |
|
в варакторе и в цепи смещения из-за появления |
выпрямлен |
|
ного тока. Чтобы рассеиваемая в сопротивлении |
Rs мощ |
|
ность была малой, рабочие частоты варактора |
не должны |
быть слишком высокими. С другой стороны, эти частоты должны быть достаточно высокими, чтобы малым был ток / 0 , протекающий через проводимость G0 .
Таким образом, для каждого типа варакторов существует определенный рабочий диапазон частот, в котором варактор проявляет себя преимущественно как нелинейная ем кость. В этом диапазоне частот входная мощность Р в х , тре буемая для возбуждения варакторного умножителя часто ты, близка к мощности первой гармоники Р И которая воз
буждала |
бы |
гипотетический |
(только емкостной) варактор, |
||
а мощность |
в нагрузке Р Н |
не намного |
меньше |
мощности |
|
N-й гармоники PN, генерируемой таким |
гипотетическим ва- |
||||
рактором. |
Отмеченное обстоятельство |
позволяет |
вначале |
не учитывать потерь мощности в умножителе и на первом этапе рассматривать умножитель частоты как идеальный
преобразователь мощности |
первой гармоники |
Р 1 в мощ |
ность JV-Й гармоники PN при условии |
|
|
PI |
= PN, |
(5.4) |
т. е. вначале будем считать, что к. п. д. умножителя частоты равен 1. Потери мощности в варакторе можно учесть на втором этапе анализа. Такому порядку рассмотрения и бу дем следовать в дальнейшем.
5.3.АНАЛИЗ СХЕМ ВАРАКТОРНЫХ УМНОЖИТЕЛЕЙ
ЧАСТОТЫ
Рассмотрим простейшие схемы умножителей частоты с резонансными входной и выходной цепями (рис. 5.3). Схема на рис. 5.3, а соответствует так называемому параллель ному включению варактора, схема на рис. 5.3, б — после довательному. В приложении 5.1 доказана эквивалентность этих схем при условии, что нагрузка демпфирует выходной контур мало и соответственно слабой является связь ум ножителя с источником возбуждения. Там же сформулиро ваны условия эквивалентности этих схем, позволяющие вы разить параметры одной схемы через параметры другой. Поэтому достаточно ограничиться изучением только одной схемы. В дальнейшем для определенности будем рассматри вать схему, изображенную на рис. 5.3, а.
Эта схема (рис. 5.3, а) содержит не совсем обычный эле мент — дополнительную емкость Сд, подключенную парал лельно варактору. Под емкостью С д может пониматься ем-
266
кость патрона диода и паразитная емкость монтажа. В этом
случае отношение Ся/Св |
обычно не превышает |
единицы |
(Сд /Св < 1). Главным |
же образом емкость С д |
введена в |
схему на рис. 5.3, а для того, чтобы удовлетворить услови ям эквивалентности схем на рис. 5.3, а и б (см. приложение 5.1), из которых следует
СД ==С;СН /(СД + С„). |
(5.5) |
о
о-
Обобщенный, варактор
Рис. 5.3. |
Простейшие |
схемы умножителей частоты: |
а—с параллельным |
включением варактора; б — с последовательным включе |
|
|
нием |
арактора, |
Согласно (5.5) емкость С д (рис. 5.3, а) в зависимости от величин С д ' и Сн '(рис. 5.3, б) может принимать различные значения, в том числе и заметно превышающие С в (Сд /Св > > 1). Отсюда, однако, не следует делать вывода, что при практическом построении варакторных умножителей ча стоты, подключая параллельно варактору дополнительную емкость С д , можно ограничиться одной лишь схемой, пред ставленной на рис. 5.3, а. На практике в этой схеме при боль
шой дополнительной емкости С д |
бывает трудно убрать из |
|
области рабочих |
частот паразитный резонанс емкости С д |
|
с сопутствующей |
ей паразитной |
индуктивностью. Поэтому |
области применимости схем, приведенных на рис. 5.3, можно разграничить в зависимости от величины С д :
С д / С в < 1 |
для схемы |
на рис 5.3, а, ) |
С Я / С В ^ \ |
для схемы |
на рис. 5.3,6,} |
причём в схеме рис. 5.3, бемкость С д характеризует согласно
(5.5) последовательную комбинацию |
емкостей С д ' и |
С н ' . |
Итак, учитывая эквивалентность |
схем, показанных |
на |
рис. 5.3 (см. приложение 5.1), для целей анализа ограни чимся рассмотрением схемы на рис. 5.3, а при произволь
ной |
емкости С д . В этой схеме последовательный контур |
LUCH |
из всего спектра частот выделяет необходимую N-io |
гармонику. В свою очередь контур £ В Х , С В Х настроен на ча стоту, близкую к частоте первой гармоники, и препятствует прохождению в источник возбуждения колебаний высших гармоник. Таким образом анализ варакторного умножителя частоты сводится к рассмотрению воздействия на обобщен ный варактор, состоящий из собственно варактора и парал лельно включенной дополнительной емкости Сд, бигармонического заряда
q = Q0 - f QI cos со/ + QN C O S (NСО/ — ij>),
где со — частота возбуждения; \p — фаза, оптимальное зна
чение которой |
дано далее; |
Q0, Q b QN — соответственно |
|
постоянная слагающая и амплитуды первой и JV-Й |
гармоник |
||
заряда. Введя |
относительное |
смещение по заряду |
Qc/Qi = |
= —cos в и относительную.амплитуду yV-й гармоники заряда
QJV/QI = |
К, преобразуем выражение для заряда q к |
сле |
|||||
дующему |
виду: |
|
|
|
|
||
|
|
q-=QX |
[cos со/ — cos 0 4- К cos (JVco/ —Щ. |
(5.7) |
|||
|
Под воздействием заряда (5.7) на обобщенном варакторе |
||||||
(см. |
рис. 5.3, |
а) |
формируется напряжение |
«(со/), которое |
|||
при допущении (5.3) связано с зарядом q соотношением |
|
||||||
|
|
ы = 0 |
при q<0, |
u = q/C при q^O, |
(5.8) |
||
где |
С = |
С в + |
С д |
— емкость |
обобщенного |
варактора |
при |
закрытом |
р-п |
переходе. Напряжение «(со/) |
представляется |
в виде положительных импульсов сложной формы, что вид но из примеров временнйх зависимостей, приведенных на
рис. 5.4. Спектр |
напряжения и(со/) за счет участков |
упло |
||
щения (рис. 5.4) |
в отличие |
от спектра |
заряда <?(со/) |
обога |
щен гармониками. |
|
|
|
|
Из рис. 5.4, б следует, |
что при фазовых углах |
= ия, |
||
где п — целое число, зависимость u(wt) |
симметрична |
отно |
сительно оси со/ = 0. Гармоники напряжения |
на варакторе |
в этом случае синфазны гармоникам заряда |
и сдвинуты по |
фазе на угол ± я / 2 относительно соответствующих гармоник