DETEKTORY I MIESZACZE

DetektoryNa 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’egoNajbardziej rozpowszechniona w zastosowaniach do detektorów i mieszaczyaż do fal submilimetrowych. Nieliniowa charakterystyka wynika z warunków styku metal-półprzewodnik. Pierwsze detektory, stosowane w latach dwudziestychi trzydziestych ubiegłego stulecia były właściwie diodami Schottky’ego.

Kryształek galenyODBIORNIK KRYSZTAŁKOWY

(zbiory Leszka Kowalskiego)

KONSPIRACYJNY ODBIORNIK KRYSZTAŁKOWY Z CZASÓW II. WOJNY()

(zbiory Leszka Kowalskiego)

Dioda p-nZwykła dioda p-n jest w zasadzie stosowana do częstotliwości 1GHz. Przyczyną jest długi czas rekombinacji nośników.

Dioda tunelowaW 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 elektronyprzechodzą do wolnych stanów w paśmie przewodzenia lub walencyjnym. Ograniczenie stanowi stosunkowo duża pojemność warstwy zubożonej. Dioda tunelowa ma zakres ujemnej rezystancji.

Dioda wstecznaOdmiana 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.

Szumy w diodach Schottky’ego

1. Szumy śrutowe, wynikające z ziarnistej struktury ładunku. Kwadrat wartości skutecznej prądu szumów jest proporcjonalny do prądu2.  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

Układ zastępczy detektora dla prądu zmiennego.G = rj

-1

Układ zastępczy detektora dla prądu stałego.RV – rezystancja wejściowa wzmacniacza video.

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

Czułość

Przyjmując RV = ∞, mamy ∆i =0, czyli

Czułość napięciowa dla dopasowanego układu

Dla detektora o napięciu polaryzacji Vj = 0 mamy prąd polaryzacji równy zeru

i rezystancja wyjściowa diody wynosi

jeżeli Δirect jest tego samego rzędu co prąd I0 (nasycenia). Napięcie sygnału video

jest wtedy

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

jest „mieszany” w nieliniowym elemencie z silnym sygnałem

Uzyskany sygnał zawiera składowe Fouriera o częstotliwościach

gdzie n = 1, 2, 3,........; n’ = 0, 1, 2, 3,........ .

Straty przemiany

PS – moc sygnału na wejściu,

PIF – moc częstotliwości pośredniej.

Mieszacze diodowe pojedyncze i zrównoważoneW praktyce są stosowane cztery typy mieszaczy:

1.   Pojedynczy z jedną diodą.2.   Pojedynczy zrównoważony z dwoma diodami.3.   Podwójny zrównoważony z czterema diodami.4.   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

Straty przemiany takiego mieszacza wynoszą około 4 dB.

Mieszacz FET

Sygnał LO doprowadzony do źródła.Sygnał wejściowy S do bramki.