或許對您有用的技術:各種常見型號二極元和三極元的變容特性
變成活生生的
從構思、製作到測量,閱讀這篇文章可能需要您具備一定的模擬電路知識。
閱讀這篇文章可能需要幾分鐘,但應該能夠讓你獲得所需的知識。過多的理論公式可能會導致出現口眼歪斜等症狀,我知道,因此這篇文章更偏向實際應用。
我最初的想法是在2019年,但因為學業上的原因,延遲了四年的時間。歡迎大家提出批評和建議!
不定期發行各種型號的二極體和三極體。
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開頭
總是要自己製作 VCO 之類的吧 [Doge],那就有可能用到變容二極體。
這種生物,我們必須避免接觸!二極管是最早出現的一種半導體元件,也是最常見的。最便宜!其中一種器件,我們都知道它具有單向導電性,但本文討論的是另一個特性——「二極體電容」。在PN結兩端總是會等效一個串聯的電容器,此電容與二極管兩端的電壓有關,當反向電壓越高,勢壘層越厚,二極體電容就越小……利用這個特性,變容二極管就出現了。本文不做過多的原理性講解,以實務技術為主。
雖然現在市場上的變容二極體(以下簡稱:變容管)都比較便宜了,像是BB112、1SV2638等等,價格都只有幾分錢一個。如果要求一致性好,請購買專用的變容管!說實話,成品變容管真的很好用,便宜又好,還要費盡心思呢?!但就是有點不方便,要用常見的開關管和整流管來當變容管使用。只要是等效為一個二極體就可以,例如TVS、BJT的一個結、JFET的結等等,反正只要有PN結或PIN都可以(樂)。
那麼問題來了,該如何測量這個小電容呢(從幾pF到幾百pF)? 常用的電橋可能無法勝任這項任務,但這些變容電容通常被應用於本振、高增益、調諧等地方。 因此,我們可以模擬使用情況,搭建一個LC迴路!!! 此外,我們還不知道電感是否符合標準(還要考慮溫度漂移和自身參數),那就可以直接購買一個標準電感!!! 看看價格後(一臉懵),嗯…好吧,還是先嘗試製作一個不太會變動的電感,然後測量精確值,或者使用消除誤差的方法更可行!?!
本次實驗的計畫
建立一個 LC 振盪器,假設 L 的變化非常小或幾乎沒有變化,使用 NanoVNA 測量出振盪頻率 f 後再反推電容 C,並利用…
f = \frac{1}{2π√(L*C)}
改變變容管兩端的反向電壓 Vr (通常為 1V 到 10V),進一步可以獲得變容管的可變範圍和變比。
提出幾個實際問題
1、關於電感:電感的等效是 R 連 L 再並 C,因此自身電阻 R 主要影響的是 Q 值,與放大器有關,所以沒有太大關係。在這裡,有害的是分布電容 Cl’,這個電容通常只有幾個 pF,但只要不更換電感,我們只需要一個精度稍微高一點的電容就可以反算出來,透過加減法消除誤差即可。空芯電感最好加上屏蔽罩,但分布電容會變大,可以使用閉合磁路電感來減少影響(磁環),線盡量粗一些,以減少發熱導致溫漂(當然也可以開冷氣吹這個電感,看你喜歡怎麼樣)。
2、關於電容:電容可以視為 RLC 元件,但在此我們並非在進行科學儀器的研究,因此將其視為理想的電容。
3、關於 PCB 的分布參數:頻率在 MHz 級別,頻率不高,與電容一樣,各種導線的分布參數均計算在誤差範圍內,無需深入研究。
4、關於阻抗匹配:只要能產生可觀測的訊號即可,這裡做匹配顯得不重要,但如果想要更專業一點,還是可以匹配50歐姆。
5、關於儀器:Nano機內有TCXO(溫度補償晶體震盪),從實用性來說,我覺得足夠了,但如果想要更高級的,可以使用專業的頻譜儀或向量網路分析儀,但我認為沒有必要。另一個比較簡單的方案是購買一個OCXO(恆溫晶體震盪),利用OCXO產生的基本頻率和自己的振盪器來測量輸出頻率進行混頻,這樣就可以製作收訊機了!
6、關於精確度:想要提高?沒問題!但需要額外費用。這個實驗的誤差盡量小即可,至於多少,則取決於個人判斷,或許能達到 J 級(±5%)或 M 級(±20%)?都可以使用,用於變容管設計總會有可調整的元件~~~
在考慮實際問題後進行的調整
綜上所述,標準元件——價格高! 搭建震盪電路——麻煩! 因此,考慮到可以直接測量的方法,如圖所示:

T1-T2 可以是 Nano 的測量端口,也可以是橋式電路的測量端口,無論哪一種,都是測量端。
C1 使用一個 10μF (50V X7R) 電容。
D1 是待測的二極體(圖中為常見的4148)。
R1-R2 都是限流電阻,同時將測量電路與直流電源隔離。
簡單分析如下:這個電路實際上,C1與D1的共二極電容Cd呈現串聯關係。通常使用的管子共二極電容不會超過200pF吧(僅憑經驗猜測),因此假設管子的最大反向電容為200pF,那麼10μF與200pF串聯後=199.996pF,可見這個誤差遠遠小於其他誤差,共二極電容越小時反而更精確!這有理論根據!開始實踐!
實踐製作
首先完成必要的準備工作。由於其他軟體可能涉及版權問題,因此還是使用 Excel 製作圖表吧。以下圖只是個範例:

後續將採用這種圖表,來展示各管道的變容特性。
鑑於一般的變容管都是在1 MHz 下測量,因為頻率不同會導致電容值不同,因此我同樣採用 1 MHz 的頻率來測量。 使用 Nano 來測量,可以改變頻率,S11 端口也可以測得當前頻率的 rs(等效串聯電阻),這可以用來計算 Q 值(雖然有點用?)。
接下來,我會使用 Nano 工具來簡單地查看 S11 的端口屬性。
連接 22pF 電容:

連接 1000pF 電容:

看起來相當符合預期,可以畫一個治具板。

這樣可以測到貼片和直插的效果,然後再進行穩壓電源的測試並記錄數據。
測試數據
又過了不知多久的日子。在獲得板子後,進行實際測量時:

以下,我們先簡單測試發布兩個:


尚未完結,敬請期待…