10 - WEMiF
advertisement
DETEKTORY I MIESZACZE Detektory Na falach centymetrowych stosujemy dwa rodzaje detektorów – prostowniki i detektory termiczne. W wielu zastosowaniach czas reakcji przyrządu termicznego wyklucza jego zastosowanie i posługujemy się wtedy układem prostownikowym. Dioda z barierą Schottky’ego Najbardziej rozpowszechniona w zastosowaniach do detektorów i mieszaczy aż do fal submilimetrowych. Nieliniowa charakterystyka wynika z warunków styku metal-półprzewodnik. Pierwsze detektory, stosowane w latach dwudziestych i trzydziestych ubiegłego stulecia były właściwie diodami Schottky’ego. BIORNIK YSZTAŁKOWY Kryształek galeny (zbiory Leszka Kowalsk KONSPIRACYJNY ODBIORNIK KRYSZTAŁKOWY Z CZASÓW II. W () (zbiory Leszka Kowalskie Dioda p-n Zwykła dioda p-n jest w zasadzie stosowana do częstotliwości 1GHz. Przyczyną jest długi czas rekombinacji nośników. Dioda tunelowa W zasadzie dioda p-n ze złączem silnie domieszkowanym. Tunelowanie jest podstawowym efektem, znacznie większym, niż termoemisja i dyfuzja. Tunelowanie jest zjawiskiem niezależnym od czasu przelotu. Rekombinacja nie stanowi problemu, ponieważ elektrony przechodzą do wolnych stanów w paśmie przewodzenia lub walencyjnym. Ograniczenie stanowi stosunkowo duża pojemność warstwy zubożonej. Dioda tunelowa ma zakres ujemnej rezystancji. Dioda wsteczna Odmiana diody tunelowej. Koncentracja domieszek ledwie wystarcza do degeneracji półprzewodnika. Prąd tunelowy pojawia się przy zaporowej polaryzacji diody i jest większy, niż dla kierunku przewodzenia. Diody wsteczne mają bardzo małe szumy 1/f, dlatego są chętnie stosowane w detektorach o małych szumach i w mieszaczach. Ponieważ nie ma efektu gromadzenia ładunków mniejszościowych, mogą pracować do bardzo dużych częstotliwości. Dioda z barierą Schottky’ego Miarą przydatności diody do pracy na dużej częstotliwości jest częstotliwość odcięcia, definiowana dla diody z zerową polaryzacją, wyznaczana, przy założeniu, że przyłożone napięcie w.cz. jest rozłożone jednakowo na pojemności złącza i rezystancji szeregowej. fc 1 2RS C 0 Szumy w diodach Schottky’ego Szumy śrutowe, wynikające z ziarnistej struktury ładunku. Kwadrat wartości skutecznej prądu szumów jest proporcjonalny do prądu 2. Szumy 1/f są składnikiem szumów również związanym z ziarnistością nośników (szumy tego rodzaju występują nawet w ruchu samochodowym). Mają znaczenie w detektorach, pomijalne w mieszaczach, ponieważ częstotliwość pośrednia jest zwykle dostatecznie duża, by można je było pominąć. 3. Szumy termiczne, związane z rezystancją podłoża. 4. Szumy gorących elektronów występują przy dużym napięciu polaryzacji w kierunku przewodzenia. Elektrony mogą uzyskać energię większą, aniżeli wynikałaby z równowagi termodynamicznej. Stąd eksperymentalnie wyznaczona temperatura szumów może być większa, niż wynikałoby to z temperatury przyrządu 1. Układ zastępczy detektora dla prądu zmiennego. G = rj-1 Układ zastępczy detektora dla prądu stałego. RV – rezystancja wejściowa wzmacniacza video. qV j I I 0 kT 1 e q – ładunek elektronu, k – stała Boltzmanna, Vj - napięcie na złączu p-n, T – fizyczna temperatura złącza, η – współczynnik „idealności”, dla dobrej diody w temp. pokojowej η ≈ 1. Pojemność C0 – pojemność przy polaryzacji zero, VF – napięcie Fermiego, φ – wysokość bariery potencjału. Wzór ważny dla Vj < φ – VF – kT/q C0 C 1 Vj kT V F q Czułość Przyjmując RV = ∞, mamy ∆i =0, czyli 1 VS2 V 0 4 V0 Czułość napięciowa dla dopasowanego układu rj VV SV PS 4V0 V W Dla detektora o napięciu polaryzacji Vj = 0 mamy prąd polaryzacji równy zeru i rezystancja wyjściowa diody wynosi rj V0 I0 lub rj V0 I 0 irect jeżeli Δirect jest tego samego rzędu co prąd I0 (nasycenia). Napięcie sygnału video jest wtedy VS2 RV V0 4V0 RV r j Maksymalną czułość uzyskujemy, jeżeli rezystancja wejściowa wzmacniacza video jest RV >> rj. Dla typowej diody Schottky’ego rj jest rzędu 30MΩ lub więcej. Takie diody wymagają polaryzacji dla uzyskania przyzwoitej czułości ze wzmacniaczem o rozsądnej impedancji wejściowej. Istnieją na szczęście diody o rezystancji dla zerowej polaryzacji około 2kΩ. W katalogach są podawane dane dla diod o dopasowanym wejściu w.cz. Oznacza to, że w praktyce może być trudne uzyskanie dużej czułości w szerokim paśmie. Mieszacze Bezpośrednia detekcja sygnału nie zawsze wystarcza.. Wtedy przetwarza się sygnał na niższą częstotliwość za pomocą mieszacza. Sygnał, zwykle słaby V S cos S t jest „mieszany” w nieliniowym elemencie z silnym sygnałem V LO cos LO t Uzyskany sygnał zawiera składowe Fouriera o częstotliwościach nLO mS IF LO S n LO S n ' LO IF gdzie n = 1, 2, 3,........; n’ = 0, 1, 2, 3,........ . Straty przemiany L PS PIF PS PS – moc sygnału na wejściu, L 10 log dB PIF – moc częstotliwości pośredniej. P IF Mieszacze diodowe pojedyncze i zrównoważone W praktyce są stosowane cztery typy mieszaczy: 1. 2. 3. 4. Pojedynczy z jedną diodą. Pojedynczy zrównoważony z dwoma diodami. Podwójny zrównoważony z czterema diodami. Podwójny podwójnie zrównoważony z ośmioma diodami. Pojedynczy mieszacz z jedną diodą Wymaga małej mocy LO ale szerokopasmowa praca powoduje znaczne szumy. Stosowany tam, gdzie pożądane proste rozwiązanie – często w zakresie milimetrowym. Pojedynczy mieszacz zrównoważony Ze sprzęgaczem gałęziowym 1800 można uzyskać stłumienie parzystych harmonicznych jednego z sygnałów, zwykle LO. Zależy to od zrównoważenia i dopasowania diod. Sprzęgacz 900 pozwala na uzyskanie dobrego WFS. Jeżeli diody są identyczne, wtedy w punkcie A przy braku sygnału jest zero napięcia. iS i iLO dodają się w jednej diodzie i odejmują w drugiej. To powoduje odejście od równowagi w A i pojawienie się sygnału IF. Szumy LO nie powodują odstrojenia w punkcie A od zera, nie dodają się więc w obwodzie IF.Dla uzyskania prawidłowej pracy mieszacza na wyjściu powinien być filtr oddzielający IF od LO. Straty przemiany wynoszą około 6 dB. Mieszacz podwójnie zrównoważony D4 + D2 LO _ D3 + _ + _ + S _ D1 IF Sprzegacze 3 db/180o , Straty przemiany takiego mieszacza wynoszą około 4 dB. Mieszacz FET Sygnał LO doprowadzony do źródła. Sygnał wejściowy S do bramki. C2 IF C1 S LO
