Детекторные диоды: принцип работы, характеристики и применение в СВЧ-технике

Что такое детекторные диоды. Как работают детекторные диоды СВЧ-диапазона. Какие основные характеристики имеют детекторные диоды. Где применяются детекторные диоды в СВЧ-технике. Каковы преимущества интегральных детекторных диодов перед дискретными.

Принцип работы детекторных диодов

Детекторные диоды — это полупроводниковые приборы, предназначенные для преобразования высокочастотных сигналов в постоянное напряжение. Их работа основана на нелинейности вольт-амперной характеристики p-n перехода.

Как работает детекторный диод в СВЧ-диапазоне:

• На диод подается высокочастотный сигнал
• В прямом направлении диод пропускает ток, в обратном — нет
• Происходит выпрямление сигнала — преобразование переменного тока в пульсирующий постоянный
• С помощью фильтра выделяется постоянная составляющая
• Амплитуда выходного напряжения пропорциональна мощности входного СВЧ-сигнала

Таким образом, детекторный диод позволяет измерять мощность высокочастотных сигналов, преобразуя их в постоянное напряжение.

Основные характеристики детекторных диодов

Ключевыми параметрами, определяющими качество детекторных диодов, являются:

• Чувствительность — отношение выходного напряжения к входной мощности СВЧ-сигнала
• Нелинейность характеристики детектирования
• Динамический диапазон — диапазон входных мощностей, в котором сохраняется линейность
• Максимальная рабочая частота
• Температурная стабильность характеристик
• Собственные шумы

Чем выше чувствительность и шире динамический диапазон, тем лучше. Нелинейность и температурный дрейф должны быть минимальны.

Типы детекторных диодов для СВЧ-техники

В СВЧ-диапазоне применяются следующие основные типы детекторных диодов:

• Точечно-контактные диоды на основе кремния или арсенида галлия
• Диоды с барьером Шоттки
• Обращенные диоды
• Диоды с переходом металл-полупроводник (МДП-диоды)

Диоды Шоттки обладают наилучшим быстродействием и высокой чувствительностью, поэтому наиболее широко используются в современной СВЧ-аппаратуре.

Применение детекторных диодов в СВЧ-технике

Основные области применения детекторных диодов в СВЧ-диапазоне:

• Измерение мощности СВЧ-сигналов
• Амплитудные детекторы в приемниках
• Преобразователи частоты (смесители)
• Модуляторы и демодуляторы сигналов
• Ограничители мощности
• Формирователи видеоимпульсов

Детекторные диоды — ключевой элемент многих СВЧ-устройств, позволяющий преобразовывать высокочастотные сигналы в низкочастотные для дальнейшей обработки.

Преимущества интегральных детекторных диодов

По сравнению с дискретными детекторными диодами, интегральные диоды обладают рядом важных преимуществ:

• Встроенная температурная компенсация, обеспечивающая стабильность в широком диапазоне температур
• Линеаризация характеристики детектирования во всем динамическом диапазоне
• Буферизованный выход для прямого подключения к АЦП
• Меньшие габариты и стоимость
• Повышенная надежность

Интегральные детекторные диоды упрощают проектирование СВЧ-аппаратуры и обеспечивают лучшие характеристики по сравнению с дискретными решениями.

Особенности применения детекторных диодов с АЦП

При подключении детекторных диодов к АЦП важно учитывать следующие моменты:

• Необходимо согласовать выходной диапазон диода с входным диапазоном АЦП
• Разрешение АЦП должно обеспечивать требуемую точность измерения мощности во всем динамическом диапазоне
• При малых входных мощностях разрешение в дБ/бит снижается
• Для высокой точности при максимальных мощностях предпочтительна экспоненциальная характеристика детектора

Правильный выбор АЦП и расчет его параметров позволяет реализовать высокоточные цифровые системы измерения и управления мощностью СВЧ-сигналов на основе детекторных диодов.

Тенденции развития детекторных диодов

Основные направления совершенствования детекторных диодов для СВЧ-техники:

• Повышение рабочих частот до сотен ГГц
• Расширение динамического диапазона
• Улучшение линейности характеристики детектирования
• Снижение собственных шумов
• Повышение температурной стабильности
• Интеграция с другими СВЧ-компонентами в составе монолитных ИС

Развитие технологии позволяет создавать все более совершенные детекторные диоды, расширяя возможности СВЧ-аппаратуры в различных областях применения.

1. Детекторный диод

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра РТЭ

Балл 4.5

ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ № 3

по дисциплине «Микроволновая электроника»

Вариант 13

Студентка гр. 5209		Хабибулин А.Р.
Преподаватель		Иванов В.А.

Санкт-Петербург

2018

Задача №1.

Диоды с положительным динамическим сопротивлением.

1. Рассчитать максимальное значение выпрямленного тока для ДД с коэффициентом идеальности, при микроволновой мощности

Дано:

n = 2,75

P_micro = 13 мВт

Решение: Чтобы найти максимальное значение выпрямленного тока для ДД, воспользуемся следующей формулой:

,

где β – токовая чувствительность, которую, соответственно, можно найти по следующей формуле:

Такое преобразование допускаем, при условии, что: 1) сопротивлением контактов R_sи R_j можно пренебречь 2) рабочая частота w гораздо меньше граничной частоты w_гр. 3) g – дифференциальная проводимость

Ответ: максимальное значение выпрямленного тока равно 91,4 мА

2. Оцените тангенциальную чувствительность (выразить в ), если эффективная шумовая температура диода составляет , а полоса усилителя .

Дано:

T_eff= 322 K

∆f = 13 МГц

Решение:

Чтобы найти тангециальную чувствительность, используем формулу:

Однако, прежде чем это сделать, необходимо найти мощность P_tg. Для этого воспользуемся формулой для определения теплового шума (шума Джонсона-Найквиста):

Далее нужна формула для проводимости диода:

Амплитуда шума, соответственно будет равна:

Таким образом, т.к. ток I_s = β·P_tg, получаем:

Наконец, получаем:

Ответ: тангенциальная чувствительность диода равна -22 дБм

3. Охарактеризуйте основные сходства и отличия в функциональной роли, структуре, параметрах микроволновых ДД, СД, ВД и PIN диодов.

Данные приборы работают в диапазоне СВЧ, имеют положительное дифференциальное сопротивление, в структуре каждого диода есть потенциальный барьер (барьер Шотки или p-n переход), все данные приборы являются приборами с биполярной проводимостью.

Детекторный диод – диод, используемый для детектирования сигнала. При детектировании используется выпрямляющее свойство диода для выделения сигнала более низкой частоты из модулированных по амплитуде СВЧ-колебаний. ДД используется для превращения падающей на него СВЧ мощности в постоянный сигнал. За счет нелинейности ВАХ диода при подаче на него переменного напряжения, изменяется значение среднего тока. ДД выпрямляет ток, и по значению выпрямленного тока определяется падающая на диод мощность.

Мощность, детектируемая диодом, невелика, поэтому он не предназначен для работы на отрицательной ветви ВАХ или в области высоких токов. Пробивное напряжение детекторного диода небольшое, а максимальные токи малы.

2. Смесительный диод.

В отличие от детекторного диода, смесительный имеет большое напряжение пробоя, а так же обладает большим предельным током.

Смесительные диоды используются для смешения сигнала с СВЧ мощностью гетеродина и осуществления частотной модуляции. Так же как и в ДД, в СД используется экспоненциальная форма ВАХ. В разложении ВАХ в ряд Фурье присутствует квадратичный член, благодаря которому при подаче на диод двух сигналов, на выходе будут присутствовать сигналы с суммированной и с разностной частотами. Это обстоятельство позволяет произвести суммирование низкой частоты сигнала с несущей частотой гетеродина, осуществив частотную модуляцию, а также произвести демодуляцию.

сигнал гетеродина, как правило, обладает существенной мощностью (около 100 мВт), напряжение пробоя смесительного диода имеет существенное значение. Для его повышения используются слаболегированные полупроводники, для которых характерен лавинный пробой, такие как арсенид галлия. Слабое легирование в области перехода позволяет увеличить ширину ООЗ и уменьшить, таким образом, напряженность поля. Однако уменьшение легирования приводит к большему значению паразитного сопротивления базы диода.

Смесительный диод можно использовать для детектирования сигналов средней мощности, поскольку ВАХ на положительной ветке имеет схожий вид с детекторным диодом.

3. Варакторный диод.

В основе работы варакторного диода лежит эффект изменения ширины ООЗ и изменения барьерной емкости. В отличие от ДД и СД в которых используется барьер Шоттки, варакторные диоды делают на p-n переходе. Это вызвано тем, что варакторные диоды используют при отрицательном напряжении смещения, где не проявляются преимущества диодов с барьером Шоттки – высокая эффективность эмиттера и быстродействие. В то же время, создание p-n перехода значительно технологичнее.

Наиболее важной для ВД характеристикой является вольт-фарадная характеристика. Для того, чтобы сделать зависимость емкости от напряжения более сильной, используют сверхрезкие p-n переходы, это является отличительной особенностью данного прибора.

Главным применением ВД являются устройства электронной перестройки частоты, в которых изменение частоты происходит за счет изменения емкости ВД. Другим менее распространенным, но важным применением ВД является создание параметрических усилителей, в которых усиление происходит за счет изменения емкости. Также варакторные диоды могут быть использованы в переключателях, но в этой области преимущественно используются PIN диоды.

ГОСТ 19656.13-76. Диоды полупроводниковые СВЧ детекторные. Методы измерения тангенциальной чувствительности

Вид документа	ГОСТ
Статус	Действует
Документ принят организацией
Документ внесен организацией
Разработчик документа
Дата принятия в МГС
Дата начала действия	1979-01-01
Дата последней редакции	1976-07-08
Страны действия
Где применяется	Настоящий стандарт распространяется на полупроводниковые СВЧ детекторные диоды и устанавливает два метода измерения тангенциальной чувствительности: прямой и косвенный
Код ОСК	31. 080.10

На этой веб странице у вас есть возможность приобрести ГОСТ на тему «ГОСТ 19656.13-76. Диоды полупроводниковые СВЧ детекторные. Методы измерения тангенциальной чувствительности». ГОСТ был принят в МГС и начал действовать 1979-01-01. Дата последнего внесения изменений 1976-07-08. Сейчас документ действует в следующих странах: .

ГОСТы которые могут вас заинтересовать

Список ГОСТов

ГОСТ 17465-80. Диоды полупроводниковые. Основные п…

2028.00р.

ГОСТ 18986.0-74. Диоды полупроводниковые. Методы и…

1458. 00р.

ГОСТ 18986.1-73. Диоды полупроводниковые. Метод из…

1458.00р.

ГОСТ 18986.3-73. Диоды полупроводниковые. Метод из…

1458.00р.

ГОСТ 18986.4-73. Диоды полупроводниковые. Методы и…

1458.00р.

ГОСТ 18986.

5-73. Диоды полупроводниковые. Метод из…

1458.00р.

ГОСТ 18986.6-73. Диоды полупроводниковые. Метод из…

1458.00р.

ГОСТ 18986.7-73. Диоды полупроводниковые. Методы и…

1458.00р.

Полупроводниковые и системные решения — Infineon Technologies

2023 финансовый год
Итоги квартала

4 мая 2023

Больше информации

Ускорьте переход на новые источники энергии с помощью тепловых насосов

Наши компоненты и системные решения делают современные тепловые насосы более интеллектуальными и эффективными — от управления мощностью и подключения до ЧМИ и датчиков

Узнать больше

PCIM Europe 2023

С 9 по 11 мая. Зал 7 / Стенд 412. В этом году мы все о декарбонизации и цифровизации

Полная программа здесь

HYPERRAM™: память расширения в компактном корпусе

Представляем широкий ассортимент энергозависимой памяти с низким энергопотреблением и высокой производительностью для промышленной автоматизации и автомобильных приложений

Приходите узнать больше!

Формирование промышленного Интернета вещей путем расширения возможностей «умных» заводов

Переход к эффективным, устойчивым, гибким и безопасным «умным» заводам уже начался благодаря легко интегрируемым полупроводниковым решениям

Узнать больше

Твердотельные реле (ТТР) на основе SJ-FET

Обновление до технологии CoolMOS™ S7 с суперпереходом MOSFET с лучшим в своем классе R(on) x A для более эффективных и надежных решений SSR

Найти продукт

SECORA™ Pay теперь доступна с технологией 28 нм

Мы расширяем портфолио решений SECORA™ Pay с использованием технологии 28 нм для обеспечения наилучшей производительности транзакций в сочетании с простым в интеграции полносистемным решением

Узнать больше

Новости

27 апреля 2023 г. | Business & Financial Press

Infineon предлагает инновационное решение для второй жизни аккумуляторов электрических легковых автомобилей

03 апреля 2023 г. | Business & Financial Press

Infineon оптимизирует свой профиль обезуглероживания: подразделение промышленных приложений будет работать под названием Green Industrial Power (GIP)

Новости рынка

26 апреля 2023 г. | Новости рынка

Infineon и SCHWEIZER расширяют сотрудничество в области внедрения микросхем для разработки более эффективных автомобильных решений на основе карбида кремния

Посетите Infineon в Твиттере

Общие сведения, эксплуатация и взаимодействие со встроенными радиочастотными детекторами на основе диодов

к Эймон Нэш Скачать PDF

Из-за своей основной выпрямительной характеристики диоды использовались для создания постоянного напряжения, пропорционального уровню переменного тока и радиочастотного сигнала, с тех пор, как существуют диоды. В этой статье мы сравним характеристики радиочастотных и микроволновых преобразователей на основе диодов с аналогами на основе интегральных схем. Рассматриваемые темы будут включать линейность передаточной функции, температурную стабильность и интерфейс АЦП.

Дискретные радиочастотные детекторы на основе диодов

На рис. 1 показана схема популярной схемы обнаружения радиочастот на основе диодов. Это можно представить как простой однополупериодный выпрямитель с выходной фильтрацией. Положительные полупериоды входного сигнала смещают вперед диод Шоттки, который, в свою очередь, заряжает конденсатор. В отрицательный полупериод диод смещается в обратном направлении, удерживая напряжение на конденсаторе и создавая на выходе постоянный ток, пропорциональный входному сигналу. Чтобы позволить этому напряжению падать, когда входной сигнал уменьшается или отключается, резистор, параллельный конденсатору, обеспечивает путь разряда.

<img src=’https://www. analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/integrated-diode-based-rf-detectors/figure1.png?la=en ?w=435 ‘ alt=’figure1’>

Рис. 1. Радиочастотный детектор на основе диода Шоттки.

На рис. 2 показана передаточная функция этой схемы. Входная мощность масштабируется в дБ, а выходное напряжение — в логарифмическом вертикальном масштабе. Глядя на передаточную функцию при 25°C, можно увидеть две отдельные рабочие области на кривой. Так называемая линейная область простирается от верхнего края входного диапазона (приблизительно 15 дБм) до примерно 0 дБм. Этот термин, линейная область, получил свое название от того факта, что выходное напряжение в этой области примерно пропорционально входному напряжению.

Рис. 2. Передаточная функция радиочастотного детектора на основе диода Шоттки.

Ниже 0 дБм начинается так называемая область квадратичного закона. В этой области выходное напряжение примерно пропорционально квадрату входного напряжения. Это приводит к более высокому уклону на участке.

На рис. 2 также показана передаточная функция выходного напряжения и входной мощности схемы при температуре от –40°C до +85°C. Это показывает значительное отклонение при уровнях мощности ниже 0 дБм. Это делает устройство непригодным для использования в приложениях, где температура сильно варьируется.

Существуют методы, которые можно использовать для смягчения этого температурного дрейфа. Они предполагают введение второго эталонного диода либо как часть схемы, либо как отдельную схему с собственным выходом. Температурный дрейф опорного диода совпадает с дрейфом основного диода. С помощью процесса вычитания (либо в аналоговой области, либо в цифровой области на основе структуры схемы) может быть достигнута некоторая степень подавления дрейфа.

На рис. 3 показана передаточная функция ADL6010 на частоте 25 ГГц, встроенного детектора на основе диода Шоттки, который имеет ряд новых функций. В рамках обработки сигнала входной сигнал проходит через схему, которая выполняет функцию извлечения квадратного корня только для сигналов ниже определенного уровня мощности. Точка перехода намеренно устанавливается равной уровню мощности, при котором диод переходит из области квадратичного закона в линейную область. В результате этого квадратичный эффект диода нивелируется, и нет никаких признаков двухзонной передаточной функции, которая так очевидна на рис. 1.9.0006

Рис. 3. Зависимость выходного напряжения от входной мощности и ошибки линейности встроенного детектора на диоде Шоттки на частоте 25 ГГц.

На рис. 3 также представлены графики передаточной функции при различных температурах от –55°C до +125°C. На график также нанесено изменение передаточной функции в зависимости от температуры. Используя линейную регрессию передаточной функции при 25°C в качестве эталона, ошибка при каждой температуре отображается в дБ. Благодаря встроенной схеме температурной компенсации и схеме устранения квадратичного закона мы видим ошибки из-за линейности и температурного дрейфа приблизительно ±0,5 дБ в большей части входного диапазона.

Интерфейс АЦП

Хотя ВЧ- и СВЧ-детекторы иногда используются в аналоговых контурах управления мощностью1, чаще строится цифровой контур управления мощностью, как показано на рис. 4. В этих приложениях выходной сигнал детектора мощности оцифровывается с помощью -цифровой преобразователь. В цифровом домене уровень мощности рассчитывается с использованием кода АЦП. Как только уровень мощности станет известен, система при необходимости отрегулирует передаваемую мощность.

png?la=en? w=435 ‘ alt=’Рисунок 4’>

Рис. 4. Типичный контур управления ВЧ-мощностью с цифровым управлением.

Хотя время отклика этого контура будет в небольшой степени зависеть от времени отклика детектора, частота дискретизации АЦП и скорость алгоритма управления мощностью будут иметь гораздо большее влияние.

На способность контура измерять и точно устанавливать уровень РЧ-мощности влияет ряд факторов, включая передаточную функцию РЧ-детектора и разрешение АЦП. Чтобы лучше понять это, давайте подробнее рассмотрим отклик детектора. На рис. 5 сравнивается отклик детектора на основе диода ADL6010 на частоте 20 ГГц с откликом микроволнового логарифмического усилителя HMC109.4. Логарифмический усилитель имеет передаточную функцию, которая является линейной в дБ, где изменение входной мощности на 1 дБ всегда приводит к такому же изменению напряжения на выходе (в линейном диапазоне входного сигнала приблизительно от –50 дБмВт до 0 дБмВт). . В отличие от этого детектор на основе диодов, такой как ADL6010, имеет передаточную функцию, которая выглядит экспоненциальной, когда шкала дБ используется на горизонтальной оси, а линейная вертикальная ось используется для выходного напряжения.

Рис. 5. Сравнение линейных характеристик в дБ.

Поскольку аналого-цифровые преобразователи имеют передаточную функцию, масштабируемую в битах/напряжении, это означает, что разрешение системы, выраженное в дБ на бит, постоянно уменьшается с уменьшением входной мощности. График на рис. 5 также показывает разрешение в битах на дБ, которого можно было бы достичь, если бы ADL6010 управлял 12-разрядным АЦП с полным диапазоном напряжения 5 В (для простоты этот график отмасштабирован по вторичной логарифмической оси). просмотра). В нижней части диапазона мощности устройства, около –25 дБм, крутизна приращения будет составлять примерно 2 бита на дБ, что дает разрешение примерно 0,5 дБ/бит. Это говорит о том, что 12-разрядного АЦП достаточно для точного разрешения выходного сигнала ADL6010 во всем его диапазоне.

По мере увеличения входной РЧ-мощности крутизна приращения в бит/дБ неуклонно увеличивается до максимума приблизительно 300 бит/дБ при максимальной входной мощности 15 дБм. Это ценно в приложениях управления ВЧ-мощностью, где точность наиболее важна, когда система работает на максимальной мощности. Это очень типичный сценарий в приложениях, где ВЧ-детекторы используются для измерения и управления мощностью усилителя высокой мощности (HPA). В приложениях, где мощность часто контролируется для предотвращения перегрева HPA, измерение мощности с высоким разрешением при максимальной мощности имеет большое значение.

Напротив, передаточная функция логарифмического усилителя HMC1094 на рис. 5 также показывает, что она имеет постоянный наклон во всем линейном рабочем диапазоне. Это говорит о том, что АЦП с более низким разрешением (10-разрядный или, возможно, даже 8-разрядный) будет достаточным для достижения разрешения значительно ниже 1 дБ.

На рис. 6 показана прикладная схема, в которой ADL6010 подключен к AD7091, 12-разрядному прецизионному АЦП, который может выполнять выборку со скоростью до 1 MSPS. АЦП имеет внутренний источник опорного напряжения 2,5 В, который устанавливает максимальное входное напряжение. Поскольку детектор ADL6010 может достигать максимального напряжения примерно 4,25 В, для уменьшения этого напряжения используется простой резисторный делитель, чтобы оно никогда не превышало 2,5 В. Это масштабирование может быть реализовано без необходимости использования буфера на операционном усилителе. Достижимое разрешение в дБ на бит в нижней части диапазона входной мощности аналогично приведенному выше примеру (то есть приблизительно 0,5 дБ на бит). ²

Рис. 6. Взаимодействие встроенного детектора мощности СВЧ с прецизионным АЦП.

Выводы

Встроенные ВЧ- и СВЧ-детекторы имеют ряд преимуществ по сравнению с дискретными реализациями. Встроенная схема температурной компенсации обеспечивает готовое выходное напряжение, стабильное в пределах ±0,5 дБ в широком диапазоне температур. Использование внутренней функции извлечения квадратного корня эффективно устраняет квадратичную характеристику при низких уровнях входной мощности. В результате получается одна линейная передаточная функция, что упрощает калибровку устройства. Буферизованный выход встроенного детектора может напрямую управлять АЦП, не опасаясь, что загрузка повлияет на точность вычислений. Необходимо соблюдать осторожность при выборе и расчете параметров АЦП, чтобы обеспечить адекватное количество бит/дБ при низкой входной мощности.

Автор

Эймон Нэш

Эймон Нэш (Eamon Nash) — директор по разработке приложений в Analog Devices. Он работал в ADI на различных полевых и заводских должностях, занимаясь производством смешанных, прецизионных и радиочастотных продуктов. В настоящее время он занимается радиочастотными усилителями и формирователями луча для спутниковой связи и радаров.