Podręcznik: Proces detekcji z diodą Schottky’go

1. Wprowadzenie

1.4. Proces detekcji z diodą Schottky’go

Opierając się o charakterystykę I(U) diody Schottky’ego opisaną zależnością (3-7) można objaśnić działanie detektora diodowego. Niech napięcie na diodzie będzie sumą stałego napięcia polaryzacji U₀ i zmiennego sygnału u_RF(t):

$u(t)=U_0+u_{RF}(t)=U_0+U_S \cos(\omega t);$

(3-8)

Zgodnie z zależnością (3-7) znajdziemy prąd diody i_d(t):

$i_d(t)=I_S\left | e^{\alpha (U_0+u_{RF})} -1\right |;$

(3-9)

Wykorzystamy teraz rozwinięcie funkcji e^x na szereg, przy czym tutaj x = αu(t): $e^{x }=1+\frac{x}{1!}+\frac{x}{2!}+\frac{x^{3}}{3!}+...+\frac{x^{n}}{n!}+...;$

Można teraz prąd diody i_d(t) zapisać szeregiem w prawie identycznej jak (3-1) postaci:

$i_d(t)=I_S(e^{\alpha U_0}-1)+I_Se^{\alpha U_0}[\alpha u_{RF}+\frac{(\alpha u_{RF})^{2}}{2}+\frac{(\alpha u_{RF})^{3}}{6}+...];$

(3-10)

Z łatwością obliczamy wartości kolejnych współczynników C₀, C₁, C₂ i C₃:

$C_0=I_S(e^{\alpha U_0}-1);$

$C_1=\alpha I_Se^{\alpha U_0};$

$C_2=\frac{\alpha^{2} I_Se^{\alpha U_0}}{2};$

$C_3=\frac{\alpha^{3} I_Se^{\alpha U_0}}{6};$

(3-11)

Po przekształceniach przedstawimy prąd i_d(t) – cztery pierwsze wyrazy - w następującej postaci:

$i_d(t)=I_0(U_0)+\delta I(U_{S}^{2})+I_1(U_0,U_S)\cos (\omega t)+I_2(U_0,U_S^{2})\cos (2\omega t)+...;$

(3-12)

Pierwszy składnik prawej strony, to składowa stała I₀(U₀) rezultat polaryzacji diody napięciem stałym. Z punktu widzenia detekcji interesuje nas drugi składnik δI, opisujący przyrost składowej stałej w obecności sygnału mikrofalowego. Wartość δI jest funkcją amplitudy U_S. Można ją wyrazić zależnością (3-13).

$\delta I=\frac{\alpha ^{2}I_Se^{\alpha U_0}}{4}U_S^{2};$

(3-13)

Trzeci i czwarty wyrazy prawej strony wyrażenia (3-12) to składniki zmienne o pulsacji ω i 2ω. W wykładzie o detektorach poświęca im się mniej uwagi.
Zależność (3-13) jest uproszczona, nie uwzględniono w niej obecności kolejnych wyrazów szeregu (3-10). Jednakże pokazuje ona podstawową dla mikrofalowego detektora diodowego zależność prądu detekcji od mocy sygnału mikrofalowego.
Współczynnik proporcjonalności w wyrażeniu (3-13) jest proporcjonalny do prądu I_S. Na rys.3.3 pokazano typowe charakterystyki diod Schottky’ego dla różnych wartości prądów I_S, które różnią się o cztery rzędy wielkości. Dla diod z wysoką barierą wartości I_S są najmniejsze. Aby współczynnik proporcjonalności miał odpowiednio dużą wartość, a detektor odpowiednio dużą czułość, należy spolaryzować diodę, napięciem U₀, by czynnik exp(αU₀), a tym samym prąd I₀ był odpowiednio duży.

Oto dwie istotne cechy procesu detekcji:
• Przy detekcji sygnałów o małych amplitudach prąd detekcji jest proporcjonalny do mocy sygnału mikrofalowego.
• Diody Schottky’ego z wysoką barierą wymagają wstępnej polaryzacji, aby dobrze pracować w obwodzie detektora. Jeśli nie można zastosować wstępnej polaryzacji należy zastosować diodę Schottky’ego z niską barierą, tzw. „zero bias diode”.
Pomiar niewielkich przyrostów $\delta$ I prądu na tle prądu I₀ może być trudnym problemem. Aby ułatwić wzmocnienie napięcia wyjściowego detektora sygnał w.cz. u(t) bywa modulowany amplitudowo z małą (1-30 kHz) częstotliwością $\omega$ _m. W rezultacie obok składowej stałej pojawi się napięcie zmienne o częstotliwości $\omega$ _m.

Rys.3.5. Ilustracja procesu detekcji. A) Dioda Schottky’go w obwodzie detektora. B) Graficzne wyznaczenie prądu w obwodzie z charakterystyki diody.

Na rys.3.5 pokazano ilustrację procesu detekcji w obwodzie z diodą Schottky’ego i rolę wstępnej polaryzacji diody napięciem U₀. Można powiedzieć innymi słowami, że polaryzacja diody napięciem U₀ ustala punkt pracy diody w miejscu dużego zakrzywienia charakterystyki, gdzie jest ona silnie nieliniowa.