11. Vysokofrekvencˇnı´ detektory (na´vod ke cvicˇenı´ z 37LBR)
Cı´lem tohoto cvicˇenı´ je prozkoumat vlastnosti vybrany´ch detektoru˚ a prove´st jejich porovna´nı´. Jako objekt meˇrˇenı´ byl vybra´n diodovy´ detektor s germaniovou diodou, koaxia´lnı´ detektor s Shottkyho diodou a logaritmicky´ detekujı´cı´ zesilovacˇ.
´ kol meˇrˇenı´ U 1. Promeˇrˇte prˇevodovou charakteristiku detektoru s germaniovou diodou, detektoru s Schottkyho diodou a logaritmicke´ho detekujı´cı´ho zesilovacˇe na kmitocˇtech 10,7 MHz a 70 MHz v cele´m rozsahu vy´stupnı´ch u´rovnı´ genera´toru s krokem alesponˇ 5 dB. 2. Pro diodove´ detektory s germaniovou a Schottkyho diodou urcˇete z prˇevodove´ charakteristiky polohu bodu zlomu pro oba kmitocˇty 10,7 MHz a 70 MHz. Odhadneˇte dynamicky´ rozsah obou detektoru˚. 3. Pro diodove´ detektory s germaniovou a Schottkyho diodou urcˇete detekcˇnı´ u´cˇinnost v za´vislosti na vstupnı´m vy´konu. 4. Pro logaritmicky´ detekujı´cı´ zesilovacˇ urcˇete jeho strmost (Slope) a bod zahrazenı´ (Intercept). Na za´kladeˇ teˇchto parametru˚ rekonstruujte idea´lnı´ prˇevodovou charakteristiku a do grafu vyneste rozdı´l skutecˇne´ a idea´lnı´ charakteristiky.
Prˇ´ıstrojove´ vybavenı´ pracovisˇteˇ • Genera´tor G4-158 • Stejnosmeˇrny´ voltmetr HP... • Detektory
Doporucˇena´ literatura [1] Oliver, B. M. - Cage, J. M.: Electronic Measurements and Instrumentation. New York, McGraw-Hill, Inc. 1971. [2] Buted, R. R.: Zero Bias Detector for the RF/ID Market. HP Journal, Volume 46, Number 6, December, 1995, p. 94-98. Revize 1.0.0 z 18. listopadu 2007
Obsah dokumentu 1 Strucˇna´ teorie 1.1 Konstrukce detektoru˚ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Diodove´ detektory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Katalogove´ parametry diodovy´ch detektoru˚ . . . . . . . . . . 1.4 Logaritmicke´ detekujı´cı´ zesilovacˇe . . . . . . . . . . . . . . . 1.5 Katalogove´ parametry logaritmicky´ch detekujı´cı´ch zesilovacˇu˚
. . . . .
3 3 3 5 6 6
2 Popis meˇrˇicı´ch prˇ´ıstroju˚ a prˇ´ıpravku˚ 2.1 Diodovy´ detektor s germaniovou diodou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Diodovy´ detektor s Schottkyho diodou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Logaritmicky´ detekujı´cı´ zesilovacˇ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6 6 6 7
3 Postup meˇrˇenı´ 3.1 Meˇrˇenı´ prˇevodovy´ch charakteristik detektoru˚ . . . . . . . . . . . . . . . . .
7 7
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
U´loha 11 – Vysokofrekvencˇnı´ detektory
1 Strucˇna´ teorie Detektory u´rovneˇ cˇi prˇesneˇji vy´konu signa´lu jsou v radiotechnicky´ch zarˇ´ızenı´ch pomeˇrneˇ cˇasto pouzˇ´ıvany´m funkcˇnı´m blokem. Neˇkdy jsou vyuzˇity pouze k detekci prˇekrocˇenı´ urcˇite´ hodnoty vy´konu (naprˇ. vstupy vf a mikrovlnny´ch vy´konovy´ch zesilovacˇu˚, detektory prˇebuzenı´ mf zesilovacˇu˚ v obvodech ra´diovy´ch prˇijı´macˇu˚ atd.), neˇkdy slouzˇ´ı jako detekcˇnı´ prvek v obvodech u´pravy velikosti signa´lu na urcˇitou hodnotu – syste´my ALC (Automatic Level Control) a naprˇ´ıklad v meˇrˇicı´ technice jsou pouzˇ´ıva´ny jako velice prˇesne´ senzory vy´konu v sˇiroke´m kmitocˇtove´m rozsahu i rozsahu vstupnı´ch hodnot (vf wattmetry, detektory spektra´lnı´ch a obvodovy´ch analyza´toru˚ atd.).
1.1 Konstrukce detektoru˚ Za´kladnı´ funkcı´ detektoru˚ je prˇevod vstupnı´ho vf signa´lu na stejnosmeˇrne´ napeˇtı´, jehozˇ velikost je za´visla´ na velikosti vstupnı´ho vf napeˇtı´. Vysokofrekvencˇnı´ detektory lze podle konstrukce rozdeˇlit do dvou kategoriı´. Prvou tvorˇ´ı detektory vyuzˇ´ıvajı´cı´ prvku˚, ktere´ meˇnı´ sve´ vlastnosti v za´vislosti na teplotnı´ch u´cˇincı´ch spotrˇebovane´ho vy´konu. Sem patrˇ´ı naprˇ´ıklad vsˇechna zapojenı´ s termistory, termocˇla´nky apod. Druhou skupinou jsou detektory, ktere´ k prˇevodu vf signa´lu na signa´l stejnosmeˇrny´ vyuzˇ´ıvajı´ nelinea´rnı´ charakteristiku neˇjake´ho obvodove´ho prvku (dioda, tranzistor). Sˇka´la obvodovy´ch zapojenı´ teˇchto detektoru˚ je pomeˇrneˇ bohata´, zacˇ´ına´ neˇkde u jednoduchy´ch paralelnı´ch cˇi se´riovy´ch diodovy´ch detektoru˚ a koncˇ´ı u obvodoveˇ komplikovany´ch integrovany´ch logaritmicky´ch detekujı´cı´ch zesilovacˇu˚ charakteristicky´ch dobrou linearitou a velky´m dynamicky´m rozsahem.
1.2 Diodove´ detektory V poslednı´ch desetiletı´ch umozˇnily nove´ plana´rnı´ technologie aplikovane´ na galium-arzenidove´ polovodicˇove´ struktury vy´robu vysokofrekvencˇnı´ch a mikrovlnny´ch detekcˇnı´ch a smeˇsˇovacı´ch diod zcela novy´ch kvalit. Diody se vyra´beˇjı´ pod oznacˇenı´m Schottkyho PDB diody (PDB = Planar Doped Barrier) a jsou pouzˇitelne´ do frekvencı´ prˇiblizˇneˇ 50 GHz. Majı´ maly´ rozptyl parametru˚, snesou i kra´tkodobe´ vy´konove´ prˇetı´zˇenı´ a prˇi nulove´m prˇedpeˇtı´ (Zero Bias Schottky Diode) majı´ tvar voltampe´rove´ charakteristiky vhodny´ pro kvadraticke´ detektory, jejich koeficient neidea´lnosti vyjadrˇujı´cı´ odchylku od kvadraticke´ho pru˚beˇhu je velmi maly´, n ≈ 1,05. Na obr. 1 je na´hradnı´ obvod detektoru s tı´mto typem diody, obecneˇ vsˇak platny´m i pro diody jine´ technologie. S dobrou prˇesnostı´ vystihuje vlastnosti detektoru azˇ do kmitocˇtu prˇiblizˇneˇ 10 GHz.
Obra´zek 1. Na´hradnı´ obvod detektoru Ohranicˇena´ oblast prˇedstavuje jednoduchy´ na´hradnı´ obvod diody, indukcˇnost Ls spolu s kapacitou Cp reprezentujı´ parazitnı´ parametry zapouzdrˇenı´ diody. Odpor Rs je se´riovy´ odpor diody, ktery´ je prˇedstavova´n zejme´na odporem substra´tu a kontaktu (typicky 4 azˇ 50 Ω), Rj je diferencia´lnı´ odpor prˇechodu (neˇkdy te´zˇ nazy´vany´ „video“ odpor) a Cj je kapacita prˇechodu. Celkovy´ proud prote´kajı´cı´ diodou je da´n vztahem ¶ ¶ µ µ Ub −1 , (1) I = Is exp nUt 3
37LBR – Laboratorˇ radioelektronicky´ch meˇrˇenı´ kde Is je saturacˇnı´ proud diody, Ub barie´rove´ napeˇtı´ na diodeˇ a Ut tepelne´ napeˇtı´, n koeficient neidea´lnosti. Barie´rove´ napeˇtı´ je o u´bytek napeˇtı´ na odporu Rs mensˇ´ı nezˇ napeˇtı´ na diodeˇ. Pokud je proud prote´kajı´cı´ diodou maly´, lze obeˇ napeˇtı´ ztotozˇnit. Potom ze vtahu (1) lze za podmı´nky male´ho Is urcˇit diferencia´lnı´ odpor prˇechodu jako Rj =
nUt dUb = . dI Is
(2)
Pro nulove´ prˇedpeˇtı´ a pro n = 1,08 je diferencia´lnı´ odpor diody roven Rj =
28 Is
[Ω; mA, mA].
(3)
Zmeˇny velikosti odporu lze tedy za vy´sˇe uvedeny´ch podmı´nek dosa´hnout zmeˇnou saturacˇnı´ho proudu Is . To lze prove´st v prˇ´ıpadeˇ Schottkyho diody vy´beˇrem vhodne´ho kovu a typu polovodive´ho materia´lu. Zvysˇova´nı´ proudu Is silnou dotacı´ polovodicˇe vsˇak zvysˇuje i kapacitu Cj , cozˇ snizˇuje detekcˇnı´ vlastnosti diody na vysˇsˇ´ıch kmitocˇtech. Velikost Cj Schottkyho detekcˇnı´ch diod by´va´ v rozsahu od 0,1 do 0,5 pF, velikost Rj v rˇa´du jednotek azˇ desı´tek kΩ. Za´kladnı´ charakteristikou diodovy´ch detektoru˚ je prˇevodova´ charakteristika, ktera´ je definova´na jako za´vislost vy´stupnı´ho detekovane´ho stejnosmeˇrne´ho napeˇtı´ na vstupnı´m vysokofrekvencˇnı´m vy´konu. Tato za´vislost je nelinea´rnı´ a za´visı´ na mnoha cˇinitelı´ch. Obecneˇ ji lze vyja´drˇit relacı´ Uout = γPin ,
(4)
kde cˇinitel γ je napeˇt’ova´ citlivost detektoru. Ta je sva´za´na s voltampe´rovou charakteristikou diody podle vztahu β (5) γ = ∂i , ∂u
kde β je proudova´ citlivost, ktera´ ma´ teoretickou hodnotu 20 A/W. Potom podle vztahu (3) pro diodu s koeficientem neidea´lnosti n = 1,08 obdrzˇ´ıme γ=
0,56 . Is
(6)
Vy´sledky takto jednoduche´ analy´zy idea´lnı´ho diodove´ho detektoru se vsˇak znacˇneˇ odlisˇujı´ od rea´lne´ho meˇrˇenı´. Napeˇt’ova´ citlivost detektoru je totizˇ silneˇ za´visla´ i na dalsˇ´ıch prvcı´ch na´hradnı´ho sche´matu diody, zateˇzˇovacı´m odporu detektoru a cˇiniteli odrazu na vstupu detektoru. Na vysˇsˇ´ıch kmitocˇtech snizˇuje barie´rova´ kapacita Cj impedanci prˇechodu a docha´zı´ tak k nezanedbatelne´ vy´konove´ ztra´teˇ na odporu Rs . Potom napeˇt’ova´ citlivost s rostoucı´m kmitocˇtem klesa´ a za podmı´nky Rs ¿ Rj pro ni platı´ γ1 = γ ·
PRj 1 0,56 · . = PRs + PRj Is 1 + ω 2 Cj2 Rj Rs
(7)
Velikost odporu Rj je v porovna´nı´ s velikostı´ odporu RL nezanedbatelna´. Budeme-li z hlediska vy´stupnı´ch svorek povazˇovat detektor za napeˇt’ovy´ zdroj s vnitrˇnı´m odporem Rj , bude napeˇt’ova´ citlivost detektoru v du˚sledku konecˇne´ velikosti odporu RL snı´zˇena na hodnotu γ2 = γ1 ·
RL 0,56 1 RL = · · . 2 2 Rj + RL Is 1 + ω Cj Rj Rs Rj + RL
(8)
Dalsˇ´ı snı´zˇenı´ napeˇt’ove´ citlivosti zpu˚sobuje nenulovy´ cˇinitel odrazu na vstupu prˇizpu˚sobovacı´ho obvodu diodove´ho detektoru. Docha´zı´ opeˇt ke snı´zˇenı´ napeˇt’ove´ citlivosti detektoru a platı´ ¡ ¢ 0,56 ¡ ¢ 1 RL 2 γ3 = γ2 · 1 − |ΓD |2 = · · · 1 − |Γ | . D Is 1 + ω 2 Cj2 Rj Rs Rj + RL 4
(9)
U´loha 11 – Vysokofrekvencˇnı´ detektory Budeme-li da´le detailneˇ studovat na´hradnı´ sche´ma detektoru na obr. 1, zjistı´me, zˇe pro vysokofrekvencˇnı´ admitanci diody vcˇetneˇ prvku˚ Ls a Cp lze psa´t YD = jωCp +
1 Rs + jωLs +
1 jωCj + R1
(10)
j
Z rovnice je mozˇne´ urcˇit dva rezonancˇnı´ kmitocˇty – se´riovy´ ωs a paralelnı´ ωp 1 Lp Cj
ωs = p
ωp =
√1 Lp Cj
(11)
1 +√
1 Lp C p
(12)
prˇicˇemzˇ platı´ ωs < ωp . Tyto rezonance shora omezujı´ kmitocˇtovy´ rozsah detektoru˚, nebot’ zpu˚sobujı´ znacˇne´ zvlneˇnı´ napeˇt’ove´ citlivosti detektoru. Naprˇ´ıklad u diod s axia´lnı´mi prˇ´ıvody ve skleneˇne´m pouzdru docha´zı´ k vy´skytu rezonancı´ jizˇ na kmitocˇtech pod 10 GHz, u diod s potlacˇeny´mi parazitnı´mi parametry ve specia´lnı´m keramicke´m pouzdru na kmitocˇtech do 20 GHz. Mikrovlnne´ detektory urcˇene´ pro kmitocˇty do rˇa´du desı´tek GHz musı´ by´t konstruova´ny jako cˇip, ktery´ je soucˇa´stı´ plana´rnı´ho vedenı´ uvnitrˇ koaxia´lnı´ho detektoru nebo je umı´steˇn ve specia´lnı´m vlnovodne´m drzˇa´ku.
1.3 Katalogove´ parametry diodovy´ch detektoru˚ ´ cˇinnost detektoru U
´ cˇinnost detektoru je funkcı´ kmitocˇtu a velikosti vstupnı´ho harmonicke´ho napeˇtı´. Pro dany´ kmitocˇet je U definova´na pomeˇrem 1 Uout η=√ · 100 [%] (13) 2 Uinef Kmitocˇtovy´ rozsah detektoru
Kmitocˇtovy´ rozsah detektoru je vymezen nejnizˇsˇ´ım a nejvysˇsˇ´ım kmitocˇtem, prˇi ktere´m se vy´stupnı´ detekovane´ napeˇtı´ neodchy´lı´ od jeho strˇednı´ hodnoty o prˇedem danou mez, naprˇ. ±1 % nebo ±1 dB apod. Prˇevodova´ charakteristika
Prˇevodova´ charakteristika detektoru je urcˇena za´vislostı´ vy´stupnı´ho stejnosmeˇrne´ho napeˇtı´ detektoru Uout na vstupnı´m vysokofrekvencˇnı´m vy´konu Pin prˇi dane´m pracovnı´m kmitocˇtu f . Bod zlomu
V urcˇite´ cˇa´sti prˇevodove´ charakteristiky zakreslene´ v logaritmicke´m meˇrˇ´ıtku (napeˇt’ova´ i vy´konova´ osa) se meˇnı´ sklon asymptot, ktery´mi jsou prolozˇeny linea´rnı´ u´seky charakteristiky (obr. X). V oblasti mezi kvadratickou a linea´rnı´ cˇa´stı´ charakteristiky lezˇ´ı tzv. bod zlomu. Jeho pozice na charakteristice je definova´na vstupnı´m vy´konem, ktery´ je o dany´ pocˇet dB vysˇsˇ´ı nezˇ vy´kon odecˇteny´ na prˇ´ımce prodluzˇujı´cı´ linea´rnı´ u´sek kvadraticke´ charakteristiky, pro stejne´ vy´stupnı´ stejnosmeˇrne´ napeˇtı´ detektoru. U diodovy´ch detektoru˚ se Schottkyho diodami by´va´ v rozsahu −30 dBm azˇ −15 dBm vstupnı´ho vy´konu pro rozdı´l vy´konu˚ ∆ = 0,3 azˇ 1 dB. Dynamicky´ rozsah
Dynamicky´ rozsah vymezuje oblast detektorem meˇrˇitelny´ch u´rovnı´ signa´lu. Shora je omezen maxima´lnı´m absorbovatelny´m vy´konem detektoru, zdola potom vlastnı´m sˇumem detektoru. 5
37LBR – Laboratorˇ radioelektronicky´ch meˇrˇenı´ Rezonancˇnı´ frekvence
Z na´hradnı´ho obvodu detekcˇnı´ diody vyply´vajı´ dveˇ rezonancˇnı´ frekvence. Dioda, ktera´ je zapouzdrˇena v koaxia´lnı´m drzˇa´ku, tyto rezonancˇnı´ frekvence vı´ce cˇi me´neˇ kopı´ruje, avsˇak jejich poloha i prˇevy´sˇenı´ se mohou konstrukcı´ pouzdra zmeˇnit.
1.4 Logaritmicke´ detekujı´cı´ zesilovacˇe Princip cˇinnosti a za´kladnı´ parametry logaritmicky´ch detektoru˚ jsou dobrˇe popsa´ny v prˇilozˇene´ aplikacˇnı´ pozna´mce.
1.5 Katalogove´ parametry logaritmicky´ch detekujı´cı´ch zesilovacˇu˚ Prˇevodnı´ charakteristika
Prˇevodnı´ charakteristikou logaritmicke´ho detekujı´cı´ho zesilovacˇe se rozumı´ za´vislost vy´stupnı´ho stejnosmeˇrne´ho napeˇtı´ ve Voltech nebo mV na vstupnı´m vy´konu v dBm. Strmost
Strmost logaritmicke´ho detekujı´cı´cho zesilovacˇe je urcˇena derivacı´ prˇ´ımky prokla´dajı´cı´ linea´rnı´ cˇa´st jeho prˇevodnı´ charakteristiky. Vyjadrˇuje se zpravidla v mV/dB nebo ve V/dB. Zahrazenı´
Zahrazenı´ je vy´konova´ sourˇadnice pru˚secˇ´ıku prˇ´ımky prokla´dajı´cı´ linea´rnı´ cˇa´st prˇevodnı´ charakteristiky detektoru s vodorovnou osou. Dynamicky´ rozsah
Dynamicky´ rozsah vymezuje oblast detektorem meˇrˇitelny´ch u´rovnı´ signa´lu. Shora je zpravidla omezen limitacı´ poslednı´ho zesilovacı´ho stupneˇ logaritmicke´ho detekujı´cı´ho zesilovacˇe, zdola potom vlastnı´m sˇumem prˇedevsˇ´ım prvnı´ho zesilovacı´ho stupneˇ a sˇ´ırˇkou pa´sma zesilovacˇu˚.
2 Popis meˇrˇicı´ch prˇ´ıstroju˚ a prˇ´ıpravku˚ 2.1 Diodovy´ detektor s germaniovou diodou Se´riovy´ diodovy´ detektor s germaniovou diodou ma´ prˇ´ıznivy´ pru˚beˇh voltampe´rove´ charakteristiky. Neprˇ´ıjemnou vlastnostı´ je vsˇak cˇasova´ nesta´lost a teplotnı´ za´vislost jeho parametru˚. Nameˇrˇene´ hodnoty cˇinitele odrazu detektoru (Z0 = 50 Ω) jsou uvedeny v na´sledujı´cı´ tabulce. Kmitocˇet [MHz]
10
50
100
200
500
1000
2000
|Γ| [–]
2.2 Diodovy´ detektor s Schottkyho diodou Diodovy´ detektor Elsy D2000 je urcˇen pro detekci signa´lu˚ v kmitocˇtove´m rozsahu 10 MHz azˇ 2000 MHz. Maxima´lnı´ povoleny´ absorbovany´ vy´kon je 13 dBm. Detektor je umı´steˇn v pouzdrˇe se vstupnı´m konektorem BNC-M a vy´stupnı´m konektorem BNC-F, k detekci je pouzˇita Schottkyho dioda. Nameˇrˇene´ hodnoty cˇinitele odrazu detektoru (Z0 = 50 Ω) jsou uvedeny v na´sledujı´cı´ tabulce. Kmitocˇet [MHz] |Γ| [–]
6
10
50
100
200
500
1000
2000
U´loha 11 – Vysokofrekvencˇnı´ detektory
2.3 Logaritmicky´ detekujı´cı´ zesilovacˇ Prˇ´ıpravek obsahuje logaritmicky´ detekujı´cı´ zesilovacˇ v integrovane´ podobeˇ AD8307 doplneˇny´ operacˇnı´m zesilovacˇem, ktery´ vhodneˇ upravuje vy´stupnı´ stejnosmeˇrne´ napeˇtı´ detektoru. Vstupnı´ obvody prˇ´ıpravku jsou navrzˇeny tak, aby cˇinitel odrazu detektoru byl zanedbatelny´ do kmitocˇtu asi 200 MHz. Meˇrˇeny´ signa´l se prˇiva´dı´ na vstupnı´ konektor N-M, vy´stupnı´ napeˇtı´ je vyvedeno na konektor BNC-F. Prˇ´ıpravek s detektorem vyzˇaduje externı´ zdroj napa´jecı´ho napeˇtı´ 12 V. Kmitocˇet [MHz]
10
50
100
200
500
1000
2000
|Γ| [–]
3 Postup meˇrˇenı´ 3.1 Meˇrˇenı´ prˇevodovy´ch charakteristik detektoru˚ Prˇevodnı´ charakteristiky detektoru˚ meˇrˇ´ıme pomocı´ genera´toru a prˇesne´ho stejnosmeˇrne´ho voltmetru. Prˇesnost meˇrˇenı´ prˇevodnı´ch charakteristik detektoru˚ je velmi za´visla´ na prˇesnosti vy´stupnı´ho napeˇtı´ pouzˇite´ho genera´toru a u´tlumu propojovacı´ch kabelu˚. Proto budeme beˇhem meˇrˇenı´ vyuzˇ´ıvat pouze internı´ho kalibrovane´ho atenua´toru se skokoveˇ promeˇnny´m u´tlumem a vyvarujeme se zbytecˇne´ manipulace s kabely i detektorem. Nameˇrˇene´ prˇevodove´ charakteristiky vyneste do grafu˚, kde na vodorovne´ ose bude vstupnı´ vy´kon v dBm a na svisle´ ose stejnosmeˇrne´ vy´stupnı´ napeˇtı´ v logaritmicke´ sˇka´le (diodove´ detektory) a linea´rnı´ sˇka´le (logaritmicky´ detekujı´cı´ zesilovacˇ).Vypocˇtenou detekcˇnı´ u´cˇinnost diodovy´ch detektoru˚ vyneste takte´zˇ do grafu.
7
