. Vysokofrekvenční detektory (návod ke cvičení z 37LBR) Cílem tohoto cvičení je prozkoumat vlastnosti vybraných detektorů a provést jejich porovnání. Jako objekt měření byl vybrán diodový detektor s germaniovou diodou, koaxiální detektor s Shottkyho diodou a logaritmický detekující zesilovač. Úkol měření. Proměřte převodovou charakteristiku detektoru s germaniovou diodou, detektoru s Schottkyho diodou a logaritmického detekujícího zesilovače na kmitočtech 0,7 MHz a 70 MHz v celém rozsahu výstupních úrovní generátoru s krokem alespoň 5 db. 2. Pro diodové detektory s germaniovou a Schottkyho diodou určete z převodové charakteristiky polohu bodu zlomu pro oba kmitočty 0,7 MHz a 70 MHz. Odhadněte dynamický rozsah obou detektorů. 3. Pro diodové detektory s germaniovou a Schottkyho diodou určete detekční účinnost v závislosti na vstupním výkonu. 4. Pro logaritmický detekující zesilovač určete jeho strmost (Slope) a bod zahrazení (Intercept). Na základě těchto parametrů rekonstruujte ideální převodovou charakteristiku a do grafu vyneste rozdíl skutečné a ideální charakteristiky. Přístrojové vybavení pracoviště Generátor G4-58 Stejnosměrný voltmetr HP... Detektory Doporučená literatura [] Oliver, B. M. - Cage, J. M.: Electronic Measurements and Instrumentation. New York, McGraw-Hill, Inc. 97. [2] Buted, R. R.: Zero Bias Detector for the RF/ID Market. HP Journal, Volume 46, Number 6, December, 995, p. 94-98. Revize.0.0 z 8. listopadu 2007
Obsah dokumentu Stručná teorie 3. Konstrukce detektorů.............................. 3.2 Diodové detektory............................... 3.3 Katalogové parametry diodových detektorů.................. 5.4 Logaritmické detekující zesilovače....................... 6.5 Katalogové parametry logaritmických detekujících zesilovačů........ 6 2 Popis měřicích přístrojů a přípravků 6 2. Diodový detektor s germaniovou diodou.................... 6 2.2 Diodový detektor s Schottkyho diodou..................... 6 2.3 Logaritmický detekující zesilovač....................... 7 3 Postup měření 7 3. Měření převodových charakteristik detektorů................. 7
Úloha Vysokofrekvenční detektory Stručná teorie Detektory úrovně či přesněji výkonu signálu jsou v radiotechnických zařízeních poměrně často používaným funkčním blokem. Někdy jsou využity pouze k detekci překročení určité hodnoty výkonu (např. vstupy vf a mikrovlnných výkonových zesilovačů, detektory přebuzení mf zesilovačů v obvodech rádiových přijímačů atd.), někdy slouží jako detekční prvek v obvodech úpravy velikosti signálu na určitou hodnotu systémy ALC (Automatic Level Control) a například v měřicí technice jsou používány jako velice přesné senzory výkonu v širokém kmitočtovém rozsahu i rozsahu vstupních hodnot (vf wattmetry, detektory spektrálních a obvodových analyzátorů atd.).. Konstrukce detektorů Základní funkcí detektorů je převod vstupního vf signálu na stejnosměrné napětí, jehož velikost je závislá na velikosti vstupního vf napětí. Vysokofrekvenční detektory lze podle konstrukce rozdělit do dvou kategorií. Prvou tvoří detektory využívající prvků, které mění své vlastnosti v závislosti na teplotních účincích spotřebovaného výkonu. Sem patří například všechna zapojení s termistory, termočlánky apod. Druhou skupinou jsou detektory, které k převodu vf signálu na signál stejnosměrný využívají nelineární charakteristiku nějakého obvodového prvku (dioda, tranzistor). Škála obvodových zapojení těchto detektorů je poměrně bohatá, začíná někde u jednoduchých paralelních či sériových diodových detektorů a končí u obvodově komplikovaných integrovaných logaritmických detekujících zesilovačů charakteristických dobrou linearitou a velkým dynamickým rozsahem..2 Diodové detektory V posledních desetiletích umožnily nové planární technologie aplikované na galium-arzenidové polovodičové struktury výrobu vysokofrekvenčních a mikrovlnných detekčních a směšovacích diod zcela nových kvalit. Diody se vyrábějí pod označením Schottkyho PDB diody (PDB = Planar Doped Barrier) a jsou použitelné do frekvencí přibližně 50 GHz. Mají malý rozptyl parametrů, snesou i krátkodobé výkonové přetížení a při nulovém předpětí (Zero Bias Schottky Diode) mají tvar voltampérové charakteristiky vhodný pro kvadratické detektory, jejich koeficient neideálnosti vyjadřující odchylku od kvadratického průběhu je velmi malý, n,05. Na obr. je náhradní obvod detektoru s tímto typem diody, obecně však platným i pro diody jiné technologie. S dobrou přesností vystihuje vlastnosti detektoru až do kmitočtu přibližně 0 GHz. Obrázek. Náhradní obvod detektoru Ohraničená oblast představuje jednoduchý náhradní obvod diody, indukčnost L s spolu s kapacitou C p reprezentují parazitní parametry zapouzdření diody. Odpor R s je sériový odpor diody, který je představován zejména odporem substrátu a kontaktu (typicky 4 až 50 Ω), R j je diferenciální odpor přechodu (někdy též nazývaný video odpor) a C j je kapacita přechodu. Celkový proud protékající diodou je dán vztahem ( ) ) Ub I = (exp, () nu t 3
37LBR Laboratoř radioelektronických měření kde je saturační proud diody, U b bariérové napětí na diodě a U t tepelné napětí, n koeficient neideálnosti. Bariérové napětí je o úbytek napětí na odporu R s menší než napětí na diodě. Pokud je proud protékající diodou malý, lze obě napětí ztotožnit. Potom ze vtahu () lze za podmínky malého určit diferenciální odpor přechodu jako R j = du b di = nu t. (2) Pro nulové předpětí a pro n =,08 je diferenciální odpor diody roven R j = 28 [Ω; ma, ma]. (3) Změny velikosti odporu lze tedy za výše uvedených podmínek dosáhnout změnou saturačního proudu. To lze provést v případě Schottkyho diody výběrem vhodného kovu a typu polovodivého materiálu. Zvyšování proudu silnou dotací polovodiče však zvyšuje i kapacitu C j, což snižuje detekční vlastnosti diody na vyšších kmitočtech. Velikost C j Schottkyho detekčních diod bývá v rozsahu od 0, do 0,5 pf, velikost R j v řádu jednotek až desítek kω. Základní charakteristikou diodových detektorů je převodová charakteristika, která je definována jako závislost výstupního detekovaného stejnosměrného napětí na vstupním vysokofrekvenčním výkonu. Tato závislost je nelineární a závisí na mnoha činitelích. Obecně ji lze vyjádřit relací U out = γp in, (4) kde činitel γ je napět ová citlivost detektoru. Ta je svázána s voltampérovou charakteristikou diody podle vztahu γ = β, (5) i u kde β je proudová citlivost, která má teoretickou hodnotu 20 A/W. Potom podle vztahu (3) pro diodu s koeficientem neideálnosti n =,08 obdržíme γ = 0,56. (6) Výsledky takto jednoduché analýzy ideálního diodového detektoru se však značně odlišují od reálného měření. Napět ová citlivost detektoru je totiž silně závislá i na dalších prvcích náhradního schématu diody, zatěžovacím odporu detektoru a činiteli odrazu na vstupu detektoru. Na vyšších kmitočtech snižuje bariérová kapacita C j impedanci přechodu a dochází tak k nezanedbatelné výkonové ztrátě na odporu R s. Potom napět ová citlivost s rostoucím kmitočtem klesá a za podmínky R s R j pro ni platí γ = γ P Rj = 0,56 P Rs + P Rj + ω 2 Cj 2R. (7) jr s Velikost odporu R j je v porovnání s velikostí odporu R L nezanedbatelná. Budeme-li z hlediska výstupních svorek považovat detektor za napět ový zdroj s vnitřním odporem R j, bude napět ová citlivost detektoru v důsledku konečné velikosti odporu R L snížena na hodnotu γ 2 = γ R L = 0,56 R j + R L + ω 2 C 2 j R jr s R L R j + R L. (8) Další snížení napět ové citlivosti způsobuje nenulový činitel odrazu na vstupu přizpůsobovacího obvodu diodového detektoru. Dochází opět ke snížení napět ové citlivosti detektoru a platí γ 3 = γ 2 ( Γ D 2) = 0,56 + ω 2 C 2 j R jr s R L R j + R L ( Γ D 2). (9) 4
Úloha Vysokofrekvenční detektory Budeme-li dále detailně studovat náhradní schéma detektoru na obr., zjistíme, že pro vysokofrekvenční admitanci diody včetně prvků L s a C p lze psát Y D = jωc p + R s + jωl s + jωc j + R j (0) Z rovnice je možné určit dva rezonanční kmitočty sériový ω s a paralelní ω p ω s = Lp C j () ω p = + (2) Lp C j Lp C p přičemž platí ω s < ω p. Tyto rezonance shora omezují kmitočtový rozsah detektorů, nebot způsobují značné zvlnění napět ové citlivosti detektoru. Například u diod s axiálními přívody ve skleněném pouzdru dochází k výskytu rezonancí již na kmitočtech pod 0 GHz, u diod s potlačenými parazitními parametry ve speciálním keramickém pouzdru na kmitočtech do 20 GHz. Mikrovlnné detektory určené pro kmitočty do řádu desítek GHz musí být konstruovány jako čip, který je součástí planárního vedení uvnitř koaxiálního detektoru nebo je umístěn ve speciálním vlnovodném držáku..3 Katalogové parametry diodových detektorů Účinnost detektoru Účinnost detektoru je funkcí kmitočtu a velikosti vstupního harmonického napětí. Pro daný kmitočet je definována poměrem η = U out 00 [%] (3) 2 U inef Kmitočtový rozsah detektoru Kmitočtový rozsah detektoru je vymezen nejnižším a nejvyšším kmitočtem, při kterém se výstupní detekované napětí neodchýlí od jeho střední hodnoty o předem danou mez, např. ± % nebo ± db apod. Převodová charakteristika Převodová charakteristika detektoru je určena závislostí výstupního stejnosměrného napětí detektoru U out na vstupním vysokofrekvenčním výkonu P in při daném pracovním kmitočtu f. Bod zlomu V určité části převodové charakteristiky zakreslené v logaritmickém měřítku (napět ová i výkonová osa) se mění sklon asymptot, kterými jsou proloženy lineární úseky charakteristiky (obr. X). V oblasti mezi kvadratickou a lineární částí charakteristiky leží tzv. bod zlomu. Jeho pozice na charakteristice je definována vstupním výkonem, který je o daný počet db vyšší než výkon odečtený na přímce prodlužující lineární úsek kvadratické charakteristiky, pro stejné výstupní stejnosměrné napětí detektoru. U diodových detektorů se Schottkyho diodami bývá v rozsahu 30 dbm až 5 dbm vstupního výkonu pro rozdíl výkonů = 0,3 až db. Dynamický rozsah Dynamický rozsah vymezuje oblast detektorem měřitelných úrovní signálu. Shora je omezen maximálním absorbovatelným výkonem detektoru, zdola potom vlastním šumem detektoru. 5
37LBR Laboratoř radioelektronických měření Rezonanční frekvence Z náhradního obvodu detekční diody vyplývají dvě rezonanční frekvence. Dioda, která je zapouzdřena v koaxiálním držáku, tyto rezonanční frekvence více či méně kopíruje, avšak jejich poloha i převýšení se mohou konstrukcí pouzdra změnit..4 Logaritmické detekující zesilovače Princip činnosti a základní parametry logaritmických detektorů jsou dobře popsány v přiložené aplikační poznámce..5 Katalogové parametry logaritmických detekujících zesilovačů Převodní charakteristika Převodní charakteristikou logaritmického detekujícího zesilovače se rozumí závislost výstupního stejnosměrného napětí ve Voltech nebo mv na vstupním výkonu v dbm. Strmost Strmost logaritmického detekujícícho zesilovače je určena derivací přímky prokládající lineární část jeho převodní charakteristiky. Vyjadřuje se zpravidla v mv/db nebo ve V/dB. Zahrazení Zahrazení je výkonová souřadnice průsečíku přímky prokládající lineární část převodní charakteristiky detektoru s vodorovnou osou. Dynamický rozsah Dynamický rozsah vymezuje oblast detektorem měřitelných úrovní signálu. Shora je zpravidla omezen limitací posledního zesilovacího stupně logaritmického detekujícího zesilovače, zdola potom vlastním šumem především prvního zesilovacího stupně a šířkou pásma zesilovačů. 2 Popis měřicích přístrojů a přípravků 2. Diodový detektor s germaniovou diodou Sériový diodový detektor s germaniovou diodou má příznivý průběh voltampérové charakteristiky. Nepříjemnou vlastností je však časová nestálost a teplotní závislost jeho parametrů. Naměřené hodnoty činitele odrazu detektoru (Z 0 = 50 Ω) jsou uvedeny v následující tabulce. Kmitočet [MHz] 0 50 00 200 500 000 2000 Γ [ ] 2.2 Diodový detektor s Schottkyho diodou Diodový detektor Elsy D2000 je určen pro detekci signálů v kmitočtovém rozsahu 0 MHz až 2000 MHz. Maximální povolený absorbovaný výkon je 3 dbm. Detektor je umístěn v pouzdře se vstupním konektorem BNC-M a výstupním konektorem BNC-F, k detekci je použita Schottkyho dioda. Naměřené hodnoty činitele odrazu detektoru (Z 0 = 50 Ω) jsou uvedeny v následující tabulce. Kmitočet [MHz] 0 50 00 200 500 000 2000 Γ [ ] 6
Úloha Vysokofrekvenční detektory 2.3 Logaritmický detekující zesilovač Přípravek obsahuje logaritmický detekující zesilovač v integrované podobě AD8307 doplněný operačním zesilovačem, který vhodně upravuje výstupní stejnosměrné napětí detektoru. Vstupní obvody přípravku jsou navrženy tak, aby činitel odrazu detektoru byl zanedbatelný do kmitočtu asi 200 MHz. Měřený signál se přivádí na vstupní konektor N-M, výstupní napětí je vyvedeno na konektor BNC-F. Přípravek s detektorem vyžaduje externí zdroj napájecího napětí 2 V. Kmitočet [MHz] 0 50 00 200 500 000 2000 Γ [ ] 3 Postup měření 3. Měření převodových charakteristik detektorů Převodní charakteristiky detektorů měříme pomocí generátoru a přesného stejnosměrného voltmetru. Přesnost měření převodních charakteristik detektorů je velmi závislá na přesnosti výstupního napětí použitého generátoru a útlumu propojovacích kabelů. Proto budeme během měření využívat pouze interního kalibrovaného atenuátoru se skokově proměnným útlumem a vyvarujeme se zbytečné manipulace s kabely i detektorem. Naměřené převodové charakteristiky vyneste do grafů, kde na vodorovné ose bude vstupní výkon v dbm a na svislé ose stejnosměrné výstupní napětí v logaritmické škále (diodové detektory) a lineární škále (logaritmický detekující zesilovač).vypočtenou detekční účinnost diodových detektorů vyneste taktéž do grafu. 7