С. В. Артюшенко
Радиоаматор, 4, 2006
Oбобщены практические схемы амплитудных детекторов и преобразователей частоты (смесителей и модуляторов) на полупроводниковых диодах. Материал статьи систематизирован на основе фирменных материалов производителей диодов, атиповые схемы проверены автором в его практике радиоинженера.
Введение
Диод - базовый прибор радиотехнической и электронной схемотехники. Полупроводниковый твердотельный диод, который вначале, сразу после его изобретения, назывался "кристаллическим", в настоящее время является одним из самых массовых твердотельных приборов микроэлектроники. Сотни фирм во всем мире выпускают тысячи типов диодов в количестве миллионов экземпляров: от силовых выпрямительных до сверхвысокочастотных детекторных и преобразовательных (смесительных, модуляционных и умножительных), как в виде корпусных приборов, так и в виде чипов и специальных сборок.
Каждый радиолюбитель применяет полупроводниковые диоды, практически не вникая в особенности физических принципов их работы. Достаточно, чтобы при их использовании не выходить за пределы технических требований (ТУ) изготовителя прибора. В то же время, многие особенности оптимальной диодной схемотехники, рекомендованные фирмами изготовителями, остаются вне внимания радиолюбителей.
Цель статьи систематизация диодной схемотехники, оптимизирующая их применение для таких задач, как детектирование и преобразование частоты. В [1] была опубликована статья о применении биполярных транзисторов для модуляторов и смесителей. Не уступают транзисторным схемам по рабочим параметрам (кроме коэффициента передачи) специальные диодные технологические сборки, рекомендованные справочниками многих фирм для балансных модуляторов и смесителей, а по такому параметру, как балансность, могут их превышать. Это говорит о том, что диодная схемотехника для многих задач себя далеко еще неисчерпала. Материалы статьи призваны подтвердить этот тезис.
Диод как элемент электрической цепи
Будем считать, что физика работы полупроводникового диода в общих чертах либо известна читателю, либо он, при желании, может с ней познакомиться с помощью имеющихся учебников имногочисленных специальных пособий. Для схемотехники диодов основными определяющими моментами являются три следующих положения:
- полупроводниковый диод в электрической цепи является двухполюсником;
- вольтамперная характеристика полупроводникового диода в прямом (проводящем) направлении не начинается с нуля, как в электровакуумном диоде, а смещена на величину напряжения потенциального барьера Uо полупроводникового перехода диода (рис.1);
- вольтамперная характеристика полупроводникового диода в обратном (непроводящем) направлении также имеет так называемую точку потенциала "пробоя" Uп, начиная скоторого диод становится проводящим.
Эту точку используют в качестве рабочей в некоторых типах полупроводниковых диодов стабилитронах. Из первого положения следует, что в рабочей схеме диод входит одновременно в цепи входного сигнала, выходного сигнала, выпрямленного постоянного тока и в цепи тока смещения (если используется смещение). Если хоть одна их этих цепей не будет замкнута, то диод не будет функционировать, т.е. не будет исполнять свою роль детектора выпрямителя или преобразователя частоты. В частности, если диод включен в рабочую схему смесителя, равно как и модулятора, то входных сигналов разных частот будет уже два, выходных полезных тоже два (на суммарной и разностной частоте) и плюс выпрямленный постоянный ток. Это означает, что на входах и выходах двух полюсов диода в явном или неявном виде должны быть использованы частотно разделяющие цепи типа резонансных контуров или фильтров нижних и верхних частот и, кроме того, обязательно замкнутые цепи по постоянному току.
В случае применения так называемых балансных схем числовходных резонансных контуров или фильтров может быть сокращено за счет использования комбинаций линейных суммарно разностных схем. В этом случае в балансной схеме могут применяться сборки из двух или четырех однотипных диодов. Многие фирмы выпускают такие сборки в виде чипов, выполненных в одном технологическом цикле на полупроводниковой пластине, что гарантирует высокую идентичность пар (четверок) диодов.
Диод в однотактной схеме
В первую очередь, одиночный диод используется в качестве одно полупериодного выпрямителя переменного тока. В силовой сети такая схема практически не находит своего применения всвязи с низкой энергетической эффективностью, в то время как в радиоприемной технике однотактная схема широко применяется в качестве амплитудного (АМ) детектора.
Величина потенциального барьера диода Uо имеет разную величину для диодов различных технологических типов. Для кремниевых диодов по так называемой технологии Шотки Uо=0,25 В, для германиевых диодов Uо=0,4 В и для распространенных, и соответственно дешевых, кремниевых диодов Uо=0,6 В. Существует специальный тип так называемых обращенных диодов, редко применяемых в радиолюбительской практике, для которых Uо=0. Наличие точки смещения нуля приводит к тому, что диод не начнет проводить, пока амплитуда входного сигнала не превысит этот порог. Это означает, например, что детекторный приемник без усилителя высокой частоты будет "глухим", пока сигнал навыходе резонансного контура после антенны не превысит Uо.
Следует также знать что, если на практике схема детектора начинается с емкости (закрытый вход), то сигнал на выходе появляется только тогда, когда амплитуда входного напряжения превысит двойное значение Uо из за того, что на емкости образуется дополнительное смещение, почти равное выпрямленному пиковому входному напряжению.
Прямое смещение Uо можно компенсировать применением в схеме детектора другого однотипного диода D2, как показано нарис.2,а. Его "подставка" постоянным напряжением, равная Uо, будет определять нулевой порог начала проводимости для рабочего диода D1 и дополнительно будет компенсировать уход его порога срабатывания Uо с изменением температуры окружающей среды.
Если на входной шине с диодом имеется некий постоянный рабочий уровень напряжения, что часто встречается в цифровых схемах, то его также можно скомпенсировать другим диодом D2 (рис.2,б). Сопротивление резистора R1 выбирается такой величины, чтобы I2>I1, и диод D2 был всегда открыт.
При использовании закрытого входа (рис.2,в) реализуется схема АМ детектора с удвоением выходного напряжения. В некоторых случаях такое включение может оказаться полезным, если предусмотреть, чтобы последующий каскад в общей схеме имел высокое входное сопротивление.
Что касается частотного предела работы конкретного полупроводникового диода водно полупериодной схеме, то требуется, чтобы период сигнала входной рабочей частоты был напорядок больше времени релаксации неосновных носителей примененного диода. Для обычных диодов время релаксации составляет 10...100 нс, и рабочая частота такого полупроводникового диода может составлять F=1000 МГц. Диоды Шотки в основном находят применение на сверх высоких частотах (СВЧ), так как для них время релаксации может составлять 100 и менее пикосекунд. Поэтому, к примеру, оптимальная фильтровая схема для однотактного сверх быстродействующего диодного коммутатора сигналов при расчете частот разделения входных и выходных спектров должна учитывать величину времени релаксации диода как определяющую предельную скорость переключения.
Балансные диодные структуры
Двухтактная, или балансная, диодная структура первоначально была использована в силовых выпрямительных двух полупериодных схемах. Такая схема состоит их пары диодов и трансформатора со средней точкой. Практически она не находит применения вкачестве АМ детектора в радио приемных схемах. В то же время такая структура составляет основу балансных схем, применяемыхв качестве частотно преобразовательных схем (смесителей и модуляторов).
Балансная схема смесителя (модулятора) состоит из линейной схемы формирования суммыи разности входных сигналов, обычно также использующей трансформатор со средней точкой, к которой присоединяется другой вход схемы (рис.3), к которой затем подключается собственно диодная сборка. Типовая схема балансного смесителя на двух диодах показана на рис.4. На выходе используется разность напряжений с двух нагрузочных сопротивлений. Степень подавления входных сигналов на выходе определяется уровнем балансности (симметричности) схемы и характеризует развязку смесителя или модуляторов по отношению к входным сигналам.
Численно балансность выражается как отношение остаточного напряжения на выходе балансной схемы к величине входного напряжения и определяется симметричностью вторичной обмотки входной трансформаторной схемы со средней точкой и идентичностью диодов. Грубо, балансность любой схемы подобного назначения проверяется очень просто: достаточно отключить один из входных сигналов и проверить остаточный выпрямленный уровень сигнала на выходе балансной схемы.
Еще говорят, что любая схема балансного смесителя или модулятора представляет собой перемножитель входных сигналов. При этом математически можно показать, что по полезному входному сигналу смеситель (модулятор) будет работать в линейном режиме при любой вольтамперной характеристике диодов при условии, что опорный сигнал (гетеродин) преобразователя превышает по уровню входной хотя бы на порядок.
Базовая схема рис.4 составляет основу целого семейства балансных схем, состоящего из четырех под семейств, а именно встречного "A" и последовательного "B" типов соответственно соткрытым "C" или закрытым "D" включением диодной пары (рис.4). Выходное напряжение при встречном включении диодов образуется путем вычитания напряжения в двух плечах выпрямителя. При последовательном включении диодов полезный сигнал образуется при суммировании напряжения на выходе двух плеч. Каждый диод в сборке из двух диодов работаетв режиме одно полупериодного выпрямителя.
При использовании сборок из четырех диодов возможно использование двух полупериодного (двухтактного) режима работы диодов. Подобные схемы еще известны как мостиковыеили кольцевые. Возможны также балансные двух полупериодные схемы из четырех диодов, не имеющие в явном виде кольцевой структуры, например звездо образные. В любом случае каждая такая схема в семействе представляет собой комбинацию из двух однополупериодных базовых схем. Таблица схем на рис.5 представляет собой систематику семейства балансных 4 диодных схем, полученных методами комбинаторики.
Интересно отметить, что если схему с емкостным входом рис. 2,в скомбинировать в виде двухтактной, то каждое плечо балансной сборки будет работать в режиме удвоения напряжения с не симметричным по отношению к общему проводу выходным сигналом.
Современные диодные сборки, имеющиеся на рынке,обеспечивают потери преобразования до 5...8 дБ, гарантированную балансность в рабочей точке до 25...30 дБ и уровни входных сигналов до единиц милливатт для смесительных диодов и единиц ватт для модуляторных. Все базовые схемы смесителей, показанные на рис.4 и рис.5, преобразуются в фазовые детекторы (ФД) в случае, если в схеме смесителя частота гетеродина совпадает с частотой входного сигнала в качестве опорного сигнала, как в случае радио приема с прямым преобразованием.В этом случае полезный сигнал на выходе диодной схемы вместо разностной частоты формируется вокруг точки нулевой частоты в виде видео спектра входного модулированного сигнала. Так как схема балансного смесителя осуществляет операцию перемножения, то, строго говоря, выходной сигнал ФД пропорционален косинусу фазы входного сигнала. Поэтому такая простая схема ФД находит применение только при малых углах девиации фазовой модуляции (ФМ) входного сигнала. При больших углах девиации ФМ используются более сложные схемы с двумя квадратурными ФД: один с нулевым сдвигом фаз и другой под 90° по опорному сигналу.
Специальные схемы балансных диодных структур
Ряд фирм для балансных схем, в частности, для смесителей диапазона СВЧ выпускает специальные диодные сборки в виде чипов с балочными выводами из четырех диодов, соединенных в звезду (рис.6). Такие сборки удобно включаются в двеполосковые симметричные (относительно "земли") линии передачи сигнала и гетеродина, подведенные к диодной сборке звездочке с двух сторон кресто образно. Полезный сигнал промежуточной частоты снимается с общей точки звездочки.
Читателю в его творческой радиолюбительской работе представляется возможность использовать балансную схему звездочку на более низких частотах при использовании симметрирующих трансформаторных или активных транзисторных фазорасщепляющих схем. Для специальных применений, например в синтезаторах частоты, иногда требуется применение преобразователей частоты с балансностью до 50 дБ. В этом случае диодные сборки даже в виде технологических чипов не гарантируют достаточной для таких задач идентичности параметров отдельных диодов.
Для таких задач находит применение схема балансного частотного преобразователя с выравниванием характеристик диодов спомощью автосмещения. Как показано на рис.7, идея состоит втом, что диоды по парно соединены через специальную RC цепочку, на которой образуется общее для пар диодов смещение за счет выпрямления сигнала гетеродина. Это автосмещение выравнивает общую рабочую точку пары. Выравнивание рабочей точки двух пар диодов производится внешней разностной схемой регулировки уровня гетеродина на двух парах (последняя не показана на рисунке).
Литература
- Скорик Е.Т. Балансные модуляторы и смесители на биполярных транзисторах с дополняющей проводимостью // Радіоаматор. 2005. №8. С.54 55
