Практическая часть.
В работе исследуются колебания в контуре с нелинейной емкостью, возникающие под действием внешнего гармонического сигнала, частота которого близка к собственной частоте контура.
Существуют две группы нелинейных емкостей.
1. Вариконды – конденсаторы, в которых в качестве диэлектрика использованы не диэлектрики, а сегнетоэлектрики, в частности, титанит бария.
Основным свойством этих материалов является нелинейная зависимость диэлектрической проницаемости ε и электрической индукции D=εE от напряженности электрического поля Е. Следствием этих свойств является нелинейная зависимость емкости конденсатора С и напряжения на обкладках конденсатора Uc от заряда конденсатора q. Для типичных сегнетоэлектриков зависимость С(q) может быть аппроксимирована формулой
.
Рис. 3.
Вольт-кулоновская
характеристика имеет вид кубической
параболы
(рис. 3). С ростом частоты добротность
варикондов уменьшается, поэтому они
применяются преимущественно на низких
частотах.
2
.
Варикапы.
Основной характеристикой варикапов
является зависимость емкости p-n
перехода полупроводникового диода от
приложенного напряжения (рис. 4).
Рис. 4.
При обратных
напряжениях (-U)
емкость диода определяется барьерной
емкостью, обусловленной неподвижными
зарядами, при прямом – преимущественно
диффузионной емкостью, связанной с
инжекцией носителей. С увеличением
запирающего напряжения толщина
запирающего слоя (p-n
перехода) увеличивается, а барьерная
емкость уменьшается. Зависимость этой
емкости от напряжения описывается
выражением
,
где С(0) – емкость при U=0,
Uk
– контактная разность потенциалов;
коэффициент n
зависит от характера перехода; для
резких n=1/2,
а плавных n=1/3.
В области допустимых изменений обратного
напряжения барьерная емкость изменяется
обычно в 4-5 раз. Наиболее сильно С
изменяется при положительных напряжениях.
Однако полупроводниковый диод при U>0
начинает пропускать ток, поэтому емкость
p-n
перехода оказывается зашунтированной
нелинейным сопротивлением.
Варикапы применяются в схемах автоподстройки частоты, в параметрических усилителях и преобразователях. Варикапы в умножителях частоты называют варакторами.
Описание экспериментальной установки.
Упрощенная схема установки показана на рис. 5. Нелинейный колебательный контур образован индуктивностью L1 и полупроводниковым диодом Д1. Колебания в нелинейном контуре возникают под действием внешнего генератора. Напряжение этого генератора прикладывается к гнездам Евч и через цепочку L2, С2 подается на нелинейный контур.
Параметры цепочки L2,C2 подобраны таким образом, что при частотах, близких к резонансной частоте нелинейного контура, цепочка L2,C2 имеет большое сопротивление, благодаря чему генератор незначительно шунтирует нелинейный контур и практически не снижает его добротность. Вместе с тем на частотах, близких к удвоенной резонансной частоте нелинейного контура, эта цепочка имеет малое сопротивление и практически без ослабления передает напряжение внешнего генератора на нелинейный контур, что облегчает выполнение условий параметрического возбуждения.
При достаточно больших отрицательных напряжениях в p-n переходе происходит пробой, и диод начинает пропускать ток в обратном направлении. В области напряжений Uпр<U<0 ток через диод мал, и диод является добротным нелинейным конденсатором. при U>0 и U<Uпр малое сопротивление диода шунтирует его емкость, поэтому добротность нелинейного конденсатора ухудшается. Значит, необходимо так выбрать рабочую точку, чтобы не заходить в область малого активного сопротивления. Одновременно необходимо добиваться максимального изменения емкости.
Есть два способа выбора рабочей точки (создания напряжения смещения на диоде):
1. Подача внешнего смещения от источника питания.
2. Создания автосмещения, использующего ток самого диода.
Выбор вида смещения осуществляется переключателем П1. На рисунке этот переключатель указан в положении "Автоматическое смещение". В этом случае в нелинейном контуре последовательно с катушкой L1 и диодом Д1 включается цепочка R1,C1, на которой выделяется напряжение автоматического смещения.
Для исследования резонансных явлений в режиме с принудительным смещением на диоде Д1 переключатель П1 следует перевести в положение "Принудительное смещение". В этом случае напряжение смещения подается на диод от источника напряжения, встроенного в экспериментальную установку. Величина напряжения смещения регулируется потенциометром R2 и измеряется внешним вольтметром, подключенным к гнездам Uсм.
Для наблюдения колебаний на экране осциллографа и измерения их амплитуды часть амплитуды с катушки L1 (гнезда "а" и "b") подается на вход осциллографа. При исследовании параметрического резонанса на эти гнезда помимо напряжения возбуждения колебаний попадает и напряжение внешнего генератора, имеющего удвоенную частоту, что затрудняет измерение амплитуд возбужденных колебаний.
В работе использовать генератор высокой частоты Г3-112. Рекомендуется работать в диапазоне частот 200-600 кГц и амплитуде внешнего воздействия около 15-20 Вольт (по размаху синусоиды).
Р
ис.
5.
Номиналы указаны для макета с диодом КД203В.