МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра МВЭ

5.5 Балл. К 1-ой работе отнеслись спустя рукава!

ОТЧЕТ

по ИДЗ №3 по дисциплине «Микроволновая электроника»

Студент гр.	__________________
Преподаватель	__________________	Иванов В.А.

Санкт-Петербург

Диоды с положительным динамическим сопротивлением.

1. Рассчитать токовую чувствительность ДД с коэффициентом идеальности, .

2. Каково будет приращение тока при подаче на диод микроволновой мощности

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

4. Сравните основные сходства и отличия в функциональной роли, структуре, параметрах микроволновых приборов с номерами:

1 и 3 для студентов с номерами Nстудент <= 5,

1 и 2 для студентов с номерами 6<=Nстудент <=10,

1 и 4 для студентов с номерами 11<=Nстудент <=15,

3 и 4 для студентов с номерами 16<= Nстудент <=20.

3 и 2 для студентов с номерами Nстудент >=21.

5. Опишите схемотехнические модели (не схемы применения!) микроволновых диодов с положительным динамическим сопротивлением (произвольный выбор), используя доступные информационные источники Интернет, лекции, программу AWR Microwave Office и т.п.

Решение:

1.1.

Токовая чувствительность ДД рассчитывается по формуле:

1.2.

Приращение тока можно посчитать по формуле:

1.3.

Тангенциальная чувствительность определяется по формуле:

определяет тепловой шум.

Тогда можно найти тангенциальную чувствительность:

1.4. Сравнение варакторного диода (ВД) и смесительного диода (СД).

Варакторный диод:

Структура:

Рис. 1. Структура ВД

Состоит из n⁺ подложки (5), с выращенной на ней эпитаксиальной пленкой n-типа (4). С помощью диффузии в этой пленке образован p-слой (2). Между n- и p- областями возникает обедненный p-слой (3). На p-слой и подложку нанесены омические контакты (1). Также может быть использован барьер Шоттки.

Функциональная роль заключается в изменении своей емкости в зависимости от приложенного обратного напряжения. Эта зависимость обусловлена изменением толщины обедненной области, связанной с ионизацией примесей в полупроводнике. Благодаря этому свойству варакторные диоды используются в качестве элементов электрической перестройки частоты, умножителей частоты и параметрических усилителей. В радиопередающих устройствах варакторные диоды применяются в перестраиваемых гетеродинах и фильтрах, позволяя изменять рабочую частоту без механической перенастройки.

Параметры:

1) Вольт-фарадная характеристика (зависимость барьерной ёмкости от напряжения смещения):

где m- коэффициент, определяющий профиль легирования (m = 0 для резкого, m > 0 для плавного и m < 0 для сверхрезкого перехода)

Рис. 2. Вольт-фарадная характеристика ВД

2) Ёмкость при нулевом напряжении смещения:

где S- площадь поперечного сечения перехода.

3) Коэффициент перекрытия:

где C_min- минимальное значение ёмкости при предельном обратном смещении (ограничено напряжением пробоя).

4) Добротность и частота отсечки:

Определяется отношением реактивной энергии, запасенной в ёмкости C(U), к мощности, рассеиваемой в сопротивлении R_s.

Смесительный диод:

Структура:

Рис. 3. Структура СД

Крестообразная структура металлического электрода, образующего барьер Шоттки, обеспечивает снижение емкости перехода в сравнение с кругом и улучшение механических свойств соединения с полупроводниковой структурой. Концентрация примеси в низколегированной n-области не превышает 10¹⁷ см^-3. Концентрация примеси в n⁺ обычно составляет порядка 10¹⁹…10²⁰ см^-3.

Функциональная роль:

Нелинейность ВАХ детекторного диода можно использовать не только для получения сигналов постоянного или НЧ огибающей, но и для переноса сигнала на другую несущую частоту. Для этого на диод необходимо подать сигнал с дополнительного генератора, работающего на частоте, отличающейся от несущей частоты. Дополнительный генератор с частотой ω_г называют гетеродином.

Параметры:

1) ВАХ:

Рис. 4. ВАХ детекторного диода

2) Токовая чувствительность: .

Представляет собой отношение приращения выпрямленного тока к приращению мощности СВЧ-сигнала, поступающего на диод.

3) Тангенциальная чувствительность:

Минимальное значение мощности Р_ВХ, при котором возможно выделить полезный сигнал на уровне шумов. При дальнейшем уменьшении мощности шумы будут заглушать полезный сигнал.

4) Шумовое отношение:

Показывает, насколько диод “шумит” больше, чем резистор с сопротивлением, равным его дифференциальному сопротивлению в данной рабочей точке.

5) Граничная частота:

Характеризует максимальную частоту, на которой может работать прибор. В данной формуле R_s – параметр омических областей; С_j – параметр выпрямляющего перехода.

6) Полное сопротивление:

Сумма активной и реактивной составляющей сопротивления.

Итак, по результатам рассмотрения этих устройств можно выделить сходства и отличия.

Сходства:

Оба типа диодов обладают нелинейными характеристиками, что позволяет им выполнять различные функции обработки сигналов. Также оба диода работают при обратном смещении.

Отличия:

У них разная функциональная роль. Смесительный диод используется для смешивания двух или более сигналов с целью изменения их частот. Варакторный же диод используется для изменения своей емкости в зависимости от приложенного обратного напряжения.

Также у этих диодов различная структура. Смесительный диод имеет структуру металл-полупроводник с относительно низким барьером. Варакторный диод имеет структуру p-n-перехода с относительно высоким барьером.

Различаются и параметры этих диодов. Емкость варакторного диода изменяется в зависимости от напряжения, в то время как емкость смесительного диода относительно постоянна. Также смесительные диоды имеют более высокую нелинейность, чем варакторные диоды.

Применение у этих диодов тоже различное. Смесительные диоды используются в смесителях частоты, детекторах и модуляторах, а варакторные диоды используются в перестраиваемых по частоте генераторах, фильтрах и умножителях частоты.

1.5. Опишите схемотехнические модели микроволновых диодов с положительным динамическим сопротивлением.

Детекторный диод

Рис. 5. Эквивалентная схема детекторного диода

В эквивалентной схеме свойства барьера отображаются нелинейными элементами C_j и R_j. Они соответствуют ёмкости и сопротивлению барьера Шоттки, определяемые ВАХ и ВФХ диода. Сопротивление R_s равно сумме нейтральной части полупроводника и контактного сопротивления.

Рис. 6. Схема включения детекторного диода

В схеме включения трансформатор обозначает элемент связи, за счет которого сигнал подается на диод. Ёмкость преобразует синусоидальный сигнал в постоянный. Сопротивление является нагрузкой в данной цепи.

Рис. 7. Схема включения детекторного диода в коаксиальную ЛП при помощи ёмкостного штыря

Рис. 8. Включение ДД в коаксиальную ЛП при помощи петли связи

Смесительный диод

Рис. 9. Эквивалентная схема смесительного диода

Рис. 10. Балансный смеситель

Рис. 11. Смеситель на ПТШ

Рис. 12. Двойной балансный смеситель

Ответ