混頻二極管及其應(yīng)用
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混頻二極管是一種肖特基勢(shì)壘二極管，它是利用金屬和N型半導(dǎo)體相接觸所形成的金屬半導(dǎo)體結(jié)的原理而制成的。當(dāng)金屬與半導(dǎo)體相接觸時(shí)，它們的交界面處會(huì)形成阻礙電子通過(guò)的肖特基勢(shì)壘，即表面勢(shì)壘。為了使半導(dǎo)體中的載流子容易地越過(guò)勢(shì)壘進(jìn)入金屬，它必須采用電子逸出功（電子跑出半導(dǎo)體或金屬表面所需的能量）比金屬大得多的N型半導(dǎo)體。當(dāng)二極管加上正向偏壓時(shí)，勢(shì)壘下降，多數(shù)載流子（電子）便從半導(dǎo)體進(jìn)入金屬。混頻二極管與一般二極管相比，由于利用多數(shù)載流子工作，沒有少數(shù)載流子儲(chǔ)存效應(yīng)，所以具有頻率高、噪聲低和反向電流小等特點(diǎn)，主要用于混頻器。
2 電特性
2.1正向特性
表1給出日立公司生產(chǎn)的混頻二極管的電性能，共17個(gè)型號(hào)，主要用于UHFTV調(diào)諧混頻器、CATV平衡混頻器和調(diào)諧混頻器，外形DO-35個(gè)玻殼封裝，尺寸為4.2mm×2.0mm，引出線為2個(gè)引腳；DO-34為玻殼封裝，尺寸為2.4mm×2.0mm，2個(gè)引腳；UMD為微型玻殼封裝，尺寸為2.6mm×1.6mm，2個(gè)引腳；LLD為無(wú)引線玻殼封裝，尺寸為3.5mm×1.35mm；MPAK（EIAJSC-59）為片狀化封裝，尺寸為2.8mm×1.5mm×1.1mm，引出線為3個(gè)引腳；SRP為片狀化封裝，尺寸為2.6mm×1.6mm×1.1mm，引出線為2個(gè)引腳。HSM88S/SR和HSM88AS/ASR都是由兩個(gè)串聯(lián)的混頻二極管組成，HSM88S與HSM88SR的區(qū)別僅在于引出線的正負(fù)端有所不同，HSM88AS與HSM88ASR的區(qū)別也是如此。HSM88WA/WK由兩個(gè)并聯(lián)的混頻二極管組成，WA與WK的區(qū)別僅在于引出線的正負(fù)端有有不同。從表1中可知，國(guó)外混頻二極管在外形上有兩大發(fā)展趨勢(shì)，一是尺寸越來(lái)越小，如玻殼封裝從DO-35到DO-34再到UMD，二是從軸向有引線向片狀化方向發(fā)展，從DO-35到LLD/MPAK/SRP。
為了敘述方便，這里僅以1SS86/1SS87為例說(shuō)明。它們的正向特性由圖1所示，當(dāng)正向電流IF為1mA時(shí)，1SS86的正向壓降VF≤0.2V，1SS87的VF≤0.45V；當(dāng)IF為10mA時(shí)，1SS86的VF=0.4V，1SS87的VF=0.6V。另外，從表1中可知，國(guó)外混頻二極管的正向特性越做越好，主要表現(xiàn)在正向特性的一致性更好，有類似于變?nèi)莨艿呐鋵?duì)特性，如在IF=10mA下，1SS165的VF=520mV～600mV±5mV；HSM88S/SR與HSM88AS/ASR的VF分別為520mV～600mV±10mV和500mV～580mV±10mV，表明VF的偏差只有5mV～10mV。
型號(hào) | 正向電壓VF/mV | 反向電流IR/μA | 結(jié)電容C/pff=1MHz,VR=0.5V | 外形 | 用途 |
1SS86 | ≤500(8mA) | ≤50(0.5V) | ≤0.85 | DO-35 | UHFTV調(diào)諧混頻器 |
1SS87 | ≤500(3mA) | ≤10(2V) | ≤0.85 | DO-35 | 同上 |
1SS88 | 365430(1mA)520 600±5(10mA) | ≤0.2(2V) ≤10(10V) | ≤0.97±0.05(0V) | DO-35 | CATV平衡混頻器 |
1SS165 | 365435(1mA)520 600±5(10mA) | ≤0.2(2V) ≤10(10V) | ≤1.0±0.05(0V) | DO-34 | 同上 |
1SS166 | 同上 | 同上 | ≤1.2±0.05(0V) | UMD | 同上 |
1SS174 | ≤500（35mA） | ≤50(0.5V) | ≤1.2 | DO-34 | UHFTV調(diào)諧混頻器 |
1SS228 | ≤500（35mA） | ≤50(0.5V) | ≤1.1 | UMD | 同上 |
1SS276 | ≤500（35mA） | ≤50(0.5V) | ≤0.8 | UMD | 調(diào)諧混頻器 |
HSK151 | ≤500（35mA） | ≤50(0.5V) | ≤1.2 | LLD | UHFTV調(diào)諧混頻器 |
HSM885 /SR | 365435(1mA)520 600±10(10mA) | ≤0.2(2V) ≤10(10V) | ≤0.85±0.1(0V) | MPAK | CATV平衡混頻器 |
HSM88AS /ASR | 350420(1mA)500 580±10(10mA) | ≤0.2(2V) ≤10(10V) | ≤0.85±0.1(0V) | MPAK | 同上 |
HSM88WA /WK | 同上 | 同上 | 同上 | 同上 | 同上 |
HSM2765 | ≤500（35mA） | ≤50(0.5V) | ≤0.9±0.1 | MPAK | 同上 |
HSR276 | ≤500（35mA） | ≤50(0.5V) | ≤0.85 | SRP | 調(diào)諧混頻器 |
它們的反向特性由圖2所示。混頻二極管的反向漏電流較小，如在VR=2V下，1SS86的IR為20μA，1SS87的IR為1μA；在VR=4V下，1SS86的IR為70μA，1SS87的IR為4μA，表明1SS87的反向特性比1SS86好。混頻器要求混頻二極管的反向漏電流小，這樣，混頻器的噪聲系數(shù)也小。
2.3結(jié)電容
它們的結(jié)電容與反向電壓的關(guān)系由圖3所示。當(dāng)VR=0V時(shí)，1SS86/1SS87的結(jié)電容C都小于0.85pF；在VR=1V時(shí)，它們的電容C都小于0.7pF。由于混頻二極管的結(jié)電容較小，所以混頻器的頻率較高。另外，從表1可知，國(guó)外混頻二極管的結(jié)電容的偏差也越來(lái)越小，如在VR=0V時(shí)，1SS88/1SS165/1SS166的電容偏差ΔC均為±0.05pF；HSM88S/SR、HSM88AS/ASR和HSM88WA/WK的ΔC均為±0.1pF。
3 應(yīng)用
3.1混頻器[1]
混頻器一般由輸入信號(hào)回路、本機(jī)振蕩器、非線性器件和濾波網(wǎng)絡(luò)等4部分組成，如圖4所示。這里的非線性器件本身僅實(shí)現(xiàn)頻率變換，本振信號(hào)由本機(jī)振蕩器產(chǎn)生。若非線性器件既產(chǎn)生本振信號(hào)，又實(shí)現(xiàn)頻率變換，則圖4變?yōu)樽冾l器。所謂混頻，是將兩個(gè)不同的信號(hào)（如一個(gè)有用信號(hào)和一個(gè)本機(jī)振蕩信號(hào)）加到非線性器件上，取其差頻或和頻。混頻器可根據(jù)所用非線性器件的不同分為二極管混頻器、晶體管混頻器、場(chǎng)效應(yīng)管混頻器和變?nèi)莨芑祛l器等。混頻器又可根據(jù)工作特點(diǎn)的不同，分為單管混頻器、平衡混頻器、環(huán)形混頻器、差分對(duì)混頻器和參量混頻器等。在設(shè)計(jì)混頻器時(shí)應(yīng)注意如下幾點(diǎn)：（1）要求混頻放大系數(shù)越大越好。混頻放大系數(shù)是指混頻器的中頻輸出電壓振幅與變頻輸入信號(hào)電壓振幅之比，也稱混頻電壓增益。增大混頻放大系數(shù)是提高接收機(jī)靈敏度的一項(xiàng)有力措施。（2）要求混頻器的中頻輸出電路有良好的選擇性，以抑制不需要的干擾頻率。（3）為了減少混頻器的頻率失真和非線性失真以及本振頻率產(chǎn)生的各種混頻現(xiàn)象，要求混頻器工作在非線性特性不過(guò)于嚴(yán)重的區(qū)域，使之既能完成頻率變換，又能少產(chǎn)生各種形式的干擾。（4）要求混頻器的噪聲系數(shù)越小越好，在設(shè)計(jì)混頻器時(shí)，必須按設(shè)備總噪聲系數(shù)分配給出的要求，合理地選擇線路和器件以及器件的工作點(diǎn)電流。（5）要考慮混頻器的工作穩(wěn)定性，如本機(jī)振蕩器頻率不穩(wěn)定引起的混頻器輸出不穩(wěn)等。（6）注意混頻器的輸入端和輸出端的連接條件，在選定電路和設(shè)計(jì)回路時(shí)，應(yīng)充分考慮如何匹配的問(wèn)題。
3.2二極管混頻器
所謂二極管混頻器就是混頻器中的非線性器件采取混頻二極管的混頻器，它的電原理圖如圖5所示。圖5中L1C1為輸入信號(hào)回路，調(diào)諧于輸入信號(hào)頻率fS；L2C2為輸出中頻回路，調(diào)諧于中頻頻率fi。輸出中頻回路直接與混頻二極管D、信號(hào)輸入電壓μS、本振電壓μO和偏置電源EO串聯(lián)在一起，輸出中頻電壓μi全部反作用到混頻二極管上。這種二極管混頻器具有電路簡(jiǎn)單、噪聲小和工作頻率高等特點(diǎn)，但混頻電壓增益較低。這種電路在大信號(hào)混頻中使用時(shí)，混頻二極管在開關(guān)狀態(tài)工作，它能獲得較大的動(dòng)態(tài)范圍，所以在微波電路中較廣泛地應(yīng)用。若采用單個(gè)器件組成的混頻器，其非線性和動(dòng)態(tài)范圍都不太理想。現(xiàn)在，彩電電調(diào)諧器大多采用兩個(gè)或多個(gè)器件組成的平衡混頻器和差分對(duì)混頻器等，以提高混頻器的性能。
在微波領(lǐng)域中，若將圖4中的非線性器件采用兩個(gè)混頻二極管，則可構(gòu)成混頻二極管短波混頻器[2]。這種混頻器具有如下特性：（1）它屬平衡電路形式，可克服單管混頻器在非線性和動(dòng)態(tài)范圍方面的不足；（2）具有穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，變頻增益低和無(wú)再生效應(yīng)；（3）混頻噪聲小；（4）混頻器的動(dòng)態(tài)范圍依賴于本振電壓的大小。為了提高短波接收機(jī)的性能，可增加短波可調(diào)預(yù)選器，這時(shí)應(yīng)采用由兩個(gè)變?nèi)莨芙M成的參量混頻器，這種參量混頻器稱為上邊帶向上變頻短波參量混頻器，它屬平衡式混頻線路，如圖6所示。這種參量混頻器把短波信號(hào)2MHz～32MHz變換為中頻信號(hào)112MHz，中頻信號(hào)通過(guò)高選擇性的晶體濾波器，以便給±10kHz帶寬提供必要的帶外保護(hù)。短波可調(diào)預(yù)選器可作為寬動(dòng)態(tài)范圍的精密可調(diào)有源濾波器。對(duì)于晶體濾波器±10kHz帶寬以外的頻率來(lái)說(shuō)，接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍將大大增大。在通信中，當(dāng)短波接收機(jī)受到強(qiáng)干擾時(shí)，可將短波可調(diào)預(yù)選器接在天線和短波接收機(jī)之間，從而抵消強(qiáng)干擾所產(chǎn)生的噪聲。圖6中的兩個(gè)變?nèi)莨転?CC17，其結(jié)電容C3=24pF～28pF，C30=2.8pF～3.5pF,電容比C3/C30≥6.8,Q≥100[3]。變?nèi)莨芡ㄟ^(guò)±45V的高阻抗電源取得反向直流偏置電壓，并在適當(dāng)?shù)碾妷弘娖较掳赐仆焓接杀妙l放大器推動(dòng)。泵頻放大器為單管放大器，將頻率合成器來(lái)的電壓放大，使變?nèi)荻O管兩端得到約20V的泵頻電壓，以獲得所需要的140dB的動(dòng)態(tài)范圍
評(píng)論