Параметрический диод

Функции усиления и генерации с помощью двухполюсника редко реализуется в радиоэлектронных устройствах на сравнительно низких частотах (исключением являются схемы на туннельных диодах, не имеющие широкого применения). Однако в СВЧ диапазоне помимо туннельных диодов широко используются несколько разновидностей «активных» диодов, способных усиливать или генерировать высокочастотные сигналы. К ним относятся лавинно-пролетный диод, диод Ганна, а также параметрический диод (ПД), выполняющий при определенных условиях функцию усиления.

Чтобы понять общий принцип усиления переменного сигнала с помощью двухполюсника, рассмотрим простейшую схему, содержащую генератор, сопротивление нагрузки и активный двухполюсник (см. рис. 2.3).

Рис. 2.3. Пояснение принципа усиления с помощью активного двухполюсника

Из приведенной схемы следует, что для получения усиления, то есть для выполнения условия требуется . Это означает, что рассматриваемый двухполюсник должен обладать отрицательным активным сопротивлением или, что то же, отрицательной активной проводимостью.

Данный результат дополнительно иллюстрируется на рис. 2.4, где изображен участок ВАХ прибора сотрицательным дифференциальным сопротивлением. К постоянному напряжению смещения U₀ добавлен синусоидальный сигнал u (t) , которому соответствует ток i (t) .

В отличие от обычного резистора, у которого ток и напряжение изменяются синфазно, а выделяемая активная мощность всегда положительна, для данного прибора ток и напряжение находятся в противофазе. Мощность становится отрицательной, т. е. не рассеивается в приборе, а передается от него во внешнюю цепь. Характеристика такого вида типична для генераторов и других источников энергии (например, для аккумуляторов). В рассматриваемом случае энергия отбирается от источника постоянного смещения, обеспечивающего работу прибора на участкеотрицательного дифференциального сопротивления.

Следует подчеркнуть, что речь идет об активной компоненте импеданса прибора на рабочей частоте. Отрицательное реактивное сопротивление (и проводимость) не связано с усилением или генерацией активной мощности.

Рассмотрим упрощенную модель, поясняющую принцип усиления с помощью параметрического диода [8]. Диод отображается включенным в колебательный LC-контур конденсатором, для которого задается определенная зависимость емкости от времени (см. рис. 2.5,а). Допустим, что в контуре возбуждены колебания на его собственной частоте, осциллограмма напряжения на конденсаторе показана на рис. 2.5,б штриховой линией.

Рис. 2.5. Пояснение усиления с помощью параметрического диода

Пусть емкость конденсатора скачкообразно изменяется синхронно с колебаниями в контуре таким образом, что при максимальном напряжении емкость снижается до значения С₁, а при нулевом напряжении восстанавливается начальное значение С₀. Напомним, что энергия W заряженного конденсатора определяется соотношением , где Q – значение заряда при напряжении U. В момент скачкообразного уменьшения емкости изменением заряда можно пренебречь ( и ), поэтому происходит положительное приращение энергии в конденсаторе на величину . В момент увеличения емкости напряжение и заряд на конденсаторе равны нулю, изменения энергии не происходит. Таким образом, в каждый полупериод колебаний происходит добавление энергии в конденсаторе, что сопровождается скачкообразным приращением напряжения, как показано на рис. 2.5,б сплошной линией.

Если изменение емкости сравнительно мало, т. е. DC << C₀, каждое приращение энергии равно . Эта добавляемая в колебательный контур энергия отбирается от источника, обеспечивающего модуляцию емкости. На практике в качестве управляемого конденсатора используется полупроводниковый диод при обратном смещении, а его емкость модулируется с использованием сравнительно мощного источника, называемого генератором накачки.

Упрощенная схема, поясняющая работу усилителя на ПД (так называемая двухконтурная схема), приведена на рис. 2.6.

В схему включен источник обратного смещения диода U₀. Источник входного сигнала имеет частоту w₂, схема содержит также генератор накачки с рабочей частотой w₁. Таким образом, общее напряжение на диоде помимо постоянной составляющей имеет переменную компоненту:

, причем .

(2.1)

Импеданс обратносмещенного диода определяется барьерной емкостью pn-перехода, ток через диод равен

.

(2.2)

Разложив зависимость С (u) в ряд Тейлора и ограничившись двумя первыми членами, получим

.

(2.3)

Первый член разложения представляет собой ток через постоянную емкость, учет которого не может привести к усилению. Второй член разложения обозначим i’ и рассмотрим дальше более подробно. Анализ будем проводить при следующих допущениях:

.

(2.4)

Здесь для удобства расчета обратное смещение принимается положительным. Рассмотрим выражение для производной емкости по напряжению:

.

(2.5)

Теперь выражение (2.3) преобразуется следующим образом:

(2.6)

Вторая квадратная скобка содержит производную dU/dt, полученную из равенства (2.1). Отрицательный знак производной исчезает с учетом знака в формуле (2.5). Перемножим теперь выражения в квадратных скобках и, учтем известное тригонометрическое соотношение

.

(2.7)

В итоге получим:

(2.8)

Чтобы получить компоненту тока на частоте входного сигнала, зададим условие w₁ = 2 w₂ и с учетом этого выпишем третий член разложения на разностной частоте w₁ – w₂ = w₂:

(2.9)

Заменив на , представим полученный ток в виде комплексной амплитуды

(2.10)

Согласно (2.1), комплексная амплитуда для входного напряжения выглядит следующим образом:

(2.11)

Разделив ток на напряжение, определим проводимость диода на частоте w₂:

.

(2.12)

Выбирая , с учетом , получим

.

(2.13)

Таким образом, выбирая удвоенную частоту генератора накачки относительно частоты входного сигнала и задавая определенный фазовый сдвиг между этими напряжениями, можно обеспечить отрицательную активную проводимость диода на рабочей частоте, что приведет к усилению сигнала на этой частоте. Заметим, что именно такое частотное соотношение является оптимальным для модели диода, изображенной на рис. 2.5.

Названные требования, однако, являются слишком жесткими и трудно осуществимыми, так как их выполнение подразумевает строгую синхронизацию генератора накачки с входным сигналом, что неизбежно требует отбора от него некоторой мощности. В случае очень малых сигналов условие синхронизации оказывается неосуществимым. Поэтому на практике применяется более сложная трехконтурная схема усилителя на ПД, представленная на рис. 2.7.

В схему дополнительно введен так называемый «холостой» контур, не подключенный к внешнему генератору. В данном случае не требуется точного выполнения условия w₁ = 2 w₂ , оно заменяется приблизительным равенством w₃ = w₁ – w₂ . В этом контуре возбуждается сигнал на разностной частоте, который присутствует в разложении тока через нелинейный элемент цепи в соответствии с выражением (2.8). Взаимодействие полученного сигнала на диоде с напряжением генератора накачки приводит к появлению «вторичного» сигнала на частоте w₂ , что и дает эффект усиления. При этом, как показано в [9], фазовое условие, необходимое для формирования отрицательной активной проводимости диода на рабочей частоте, выполняется автоматически. Энергия, требуемая для усиления, отбирается от генератора накачки.

Эквивалентная схема усилителя на параметрическом диоде, построенного по изложенному принципу, приведена на рис. 2.8. Такое устройство называется усилителем отражательного типа и часто применяется в схемах с активными двухполюсниками. В отличие от упрощенной схемы, показанной на рис. 2.7, здесь выполнена развязка источника входного сигнала и нагрузки с помощью СВЧ циркулятора. Благодаря этому входной сигнал целиком подается на диод, а усиленный отраженный сигнал целиком поступает в нагрузку.

Перед диодом включены согласующий четвертьволновый трансформатор и полосно-пропускающий фильтр, настроенный на частоту w₂ . Через аналогичный фильтр с полосой пропускания вблизи частоты w₁ подключен генератор накачки. Для подачи обратного смещения на диод используются источник напряжения U₀ и элементы развязки L_р и C_р . Включение холостого контура ХК с резонансной частотой w₃ = w₁ – w₂ создает оптимальное фазовое соотношение между поданными на диод напряжениями для обеспечения усиления входного сигнала на частоте w₂ .

Так как рабочим элементом устройства является нелинейная емкость диода, усилитель характеризуется низким коэффициентом шума, типичное значения которого составляет 1,5 – 2,5 дБ в диапазоне СМВ; при этом его коэффициент усиления может достигать 30 дБ. Дополнительное снижение уровня шума может быть достигнуто охлаждением диода. Усилитель на ПД используется для повышения уровня очень слабых сигналов, например, в приемниках систем радиоастрономии.

Варактор и варикап

Другой важной функцией устройств с обратносмещенным диодом, имеющим нелинейную емкость, является умножение частоты СВЧ генератора. Нередко это оказывается более рациональным, чем генерация сигнала непосредственно на требуемой частоте, если ее значение превышает 1 ГГц. На более низких частотах удается использовать недорогие и стабильные генераторы, опирающиеся на кварцевые резонаторы. Диод, используемый для умножения частоты, называется варактором (иногда применяется также термин «умножительный диод»). Принцип умножения частоты с использованием нелинейной емкости можно объяснить на основе соотношений, рассмотренных в предыдущем разделе. Из разложения (2.3) нелинейной зависимости С (U) в ряд Тейлора, в котором учтен только первый нелинейный член, следует, что в спектре тока через диод, отраженном уравнением (2.8), имеется вторая гармоника каждого входного сигнала, а также их суммарная и разностная частоты. Нетрудно убедиться, что при учете последующих членов ряда Тейлора выражение будет содержать более высокие гармоники входных сигналов, а также их комбинационные частоты более высоких порядков. В общем случае при ненулевых производных нелинейной функции С (U) в спектре тока возникают любые частоты вида mw₁ ± nw₂ , где m и n – любые целые числа, включая нуль. Как правило, с увеличением этих чисел амплитуды соответствующих гармоник уменьшаются. Если убрать один из двух входных сигналов, в выражении для тока останутся высшие гармоники частоты второго. Чтобы выделить и использовать любую из имеющихся в устройстве гармоник, можно, например, в схеме рис. 2.8 настроить на нее холостой контур и подать развивающийся в нем сигнал на выход.

При использовании только одного входного сигнала схема упрощается, и можно получить любую из его высших гармоник. Однако вместо усиления сигнала такое преобразование осуществляется с некоторыми потерями, которые растут с увеличением кратности умножения частоты. Поэтому на практике редко используются коэффициенты умножения выше 3. Если же требуется повысить частоту сигнала с большим коэффициентом, рациональнее применять цепочки из нескольких умножительных каскадов.

Пример планарной схемы умножителя частоты диапазона миллиметровых волн (ММВ) приведен на рис. 2.9, его упрощенная эквивалентная схема представлена на рис. 2.10.

Пассивные элементы схемы выполнены на кварцевой подложке, размещенной в прямоугольном волноводе; ее размеры указаны на рисунке. К входу и выходу схемы подведены волноводы с поршнями, позволяющими оптимизировать связь волноводов с устройством. Варактор размещен непосредственно в выходном волноводе, обратное напряжение смещения подается на него через фильтр нижних частот. Предусмотрены также 2 режекторных фильтра (РФ), предотвращающих прохождение второй и третьей гармоник сигнала, генерируемых варактором, во входной волновод. Фильтры выполнены в виде разомкнутых на конце четвертьволновых шлейфов (для соответствующих частот). Попадание входного сигнала в выходной волновод исключается при правильном выборе размеров данного волновода, который является запредельным для его частоты, составляющей в приведенном примере 150 ГГц.

Настройка умножителя на максимальный сигнал второй или третьей гармоники выполняется оптимизацией напряжения смещения варактора и регулировкой положения поршня в выходном волноводе. Стоит отметить, что получаемые на выходе частоты 300 и 450 ГГц лежат на пределе или даже за пределами возможных частот сигналов, генерируемых твердотельными приборами (например, лавинно-пролетными диодами или транзисторами). В рассматриваемом примере мощность сигналов на выходе составляет 0,45 мВт для удвоителя и 0,076 мВт для утроителя частоты, соответствующие значения КПД равны 8,5 и 1,2 %. Такие параметры являются приемлемыми для некоторых устройств диапазона ММВ, применяемых, в частности, в метрологии и в медицине.

Третья разновидность диода с управляемой (регулируемой) емкостью применяется для перестройки частоты генераторов электронным способом. Такой диод называется варикапом, в нем используется зависимость емкости обратносмещенного pn-перехода или барьера Шоттки от напряжения смещения. Названная функция реализуется блоком автоподстройки частоты в большинстве радиоприемных устройств супергетеродинного типа, он осуществляет подстройку гетеродина при колебании частоты передатчика, что позволяет поддерживать промежуточную частоту в пределах рабочей полосы соответствующего усилителя.

К варикапу предъявляются требования получения наибольшей добротности (минимальных активных потерь) и достижения максимального диапазона регулировки емкости при изменении смещения от нуля до напряжения пробоя. В ряде случаев оптимизируется также распределение концентрации примеси в базовой области с целью формирования функции изменения емкости C ~ U ^–2, что обеспечивает линейную зависимость резонансной частоты контура, содержащего данную емкость, от напряжения смещения на диоде [7]. Указанная зависимость особенно удобна при применении варикапа в устройствах частотной модуляции сигналов.

По принципу работы и конструкции СВЧ варикапы не отличаются существенно от аналогичных приборов, используемых в более длинноволновых радиодиапазонах, но имеют меньшие значения типичных емкостей.