Схема включения диода: Выпрямительные диоды. Схемы замещения диода для прямого и обратного включения, страница 2

Выпрямительные диоды. Схемы замещения диода для прямого и обратного включения, страница 2

Из-за сложности аналитического представления токов и напряжений в реальных схемах с диодами на практике часто используется графоаналитический метод решения задач.

Пример: определить падение напряжения на открытом диоде VD, ток I, r_ДИФ в схеме, представленной на рис. 9.3.2, б. Известна ВАХ диода (рис.8.2, в), U_П = 2 В, R = 1 кОм.

Рис. 8.3.2 Обозначение диода (а), схема включения диода (б), иллюстрация

графического метода определения тока через диод и напряжения на нем (в)

При решении используется 2-ой закон Кирхгофа для цепи (рис. 8.3.2, б):

 

(8.3.2)

Это уравнение прямой линии (нагрузочная прямая), которая строится по двум точкам ее пересечения с осями координат. Напряжение холостого хода U

ХХ – это точка пересечения оси абсцисс и нагрузочной прямой: U_ХХ = U_П = 2 В. Ток короткого замыкания I_КЗ – точка пересечения прямой с осью ординат: I_КЗ = U_П/R = 2 мА. Связь между I и U_ПР диода определяется ВАХ.

Рабочая точка «А» пересечения прямой с ВАХ является графическим решением задачи: I = 1 мА; U_ПР = 1 В.

Для расчета дифференциального сопротивления диода нужно провести касательную к ВАХ в рабочей точке и определить значения DU и DI как проекции на соответствующие оси: 

Этот метод удобно применять для сложных схем, содержащих много элементов.

В простых задачах используются только аналитические зависимости и схемы замещения диода для прямого включения (рис.9.3.3, а) и обратного включения (рис.9.3.3, б). Характеристики диодов, указанные на рисунке, берутся из справочной литературы.

Рис. 8.3.3 Схемы замещения диода

для прямого включения (а) и обратного включения (б).

Пример: при комнатной температуре прямой ток через германиевый диод составляет        I = 1А. Найти, при каком напряжении ток через диод будет равен 1% от величины I. Значение I_ОБР = 3 мкА.

Выражение 8.3.1 для комнатной температуры можно записать в следующем виде:

 

(8.3.3)

где: e – основание показательной функции.

Ответ: U = 0,2 В.

Основная зависимость обратного тока от материала полупроводника определяется шириной запрещенной зоны DW, так как она стоит в экспоненте:

 

(8.3.4)

Поэтому для расчета изменений обратного тока или соотношения этой величины у различных диодов достаточно использовать выражение 8.3.4.

Обозначение полупроводниковых диодов

Обозначение состоит из 6-ти элементов (ГОСТ 10862-72):

1 элемент – это буква, указывающая на основе какого материала выполнен диод (Г или 1 – германий, К или 2 –  кремний, А или 3 – соединения галлия, например, арсенид галлия, И или 4 – соединения индия). Цифрами обозначаются приборы военной приемки, буквами приборы коммерческого назначения.

2 элемент – буква, обозначающая подклассы диода. Выпрямительные, высокочастотные,  импульсные и универсальные – Д.  А – сверхвысокочастотные. Варикапы – В. Туннельные – И. Стабилитроны – С. И – туннельные. Ф – фотодиоды. Л – светодиоды. Ц – выпрямительные столбы и блоки.

3 элемент – цифра, определяющая назначение диода. Для выпрямительных диодов: 1 –  I_ПР.MAX  ≤ 0,3А;  2 – 0,3А ≤ I_ПР.

_MAX  ≤ 10А. У стабилитронов определяет мощность рассеяния.

4 и 5 элементы – цифры, определяющие номер разработки, у стабилитронов напряжение стабилизации.

6 элемент – буква, показывающая деление технологического типа на параметрические группы (модификации диодов), у стабилитронов порядковый номер разработки.

Примеры характеристик выпрямительных диодов

Наименование	UОБР., В	IПР.max, A	IОБР. max, мкА	FD max, кГц
КД102А	250	0.1	0.1	10
КД102Б	300	0.1	1	10
КД103А	50	0.1	0.5	20
КД105В	600	0.3	100	1
КД209Г	1000	0.2	50	1
КД521Д	12	0.05	1	100000
КД522Б	50	0.1	5	100000
КД2997В	50	30	200	100

Особенности работы диодов при прохождении через них импульсных сигналов

 

Для понимания сути процессов, происходящих в диоде при работе в высокочастотных импульсных цепях рассмотрим прохождение через него прямоугольного сигнала (т.е. сигнала с малой длительностью фронта и среза). При этом диод включается по схеме, приведенной на рис. 3.1-1.

 

Рис. 3.1-1. Схема включения диода при рассмотрении переходных процессов

 

В случае, когда входной прямоугольный сигнал является двуполярным, переходные процессы в диоде будут характеризоваться диаграммами, представленными на рис. 3.1-2.

 

Рис. 3.1-2. Переходные процессы в диоде при прохождении через него двуполярного прямоугольного сигнала

 

Для анализа приведенных зависимостей можно воспользоваться выражением для тока диода в переходном режиме:

\( I_д = \cfrac{Q_б}{\tau_б} + \cfrac{\operatorname{d}Q_б}{\operatorname{d}t} + C_б \cfrac{\operatorname{d} U_{p-n}}{\operatorname{d}t}\) ,

где:

\(Q_б\) — объемный заряд неосновных носителей в области базы диода;

\(\tau_б\) — время жизни неосновных носителей в области базы;

\(C_б\) — барьерная емкость перехода;

\(U_{p-n}\) — напряжение на \(p\)-\(n\)-переходе диода.

 

Первое слагаемое выражения связано с рекомбинацией неосновных носителей в области базы. Второе слагаемое определяет изменение во времени объемного заряда неосновных носителей в области базы. Третье — обусловлено перезарядом барьерной емкости \(p\)-\(n\)-перехода при изменении входного сигнала во времени.

Таким образом, основными причинами инерционности заряда являются: эффект накопления избыточного заряда в базовой области прибора и наличие барьерной емкости перехода.

 

Рассмотрим участок времени \([t_0;t_1]\), когда входное напряжение скачком увеличивается от \(–U_{вх обр}\) до \(+U_{вх пр}\).

При увеличении прямого тока сопротивление базы диода уменьшается (эффект модуляции сопротивления области базы). Поскольку скорость накопления избыточного заряда в области базы конечна, то установление прямого сопротивления диода требует некоторого времени. Учитывая, что \(R_Н \gg r_{д пр}\), можно показать, что ток диода не зависит от его сопротивления. Поэтому эффект модуляции сопротивления базы приводит к появлению резкого выброса напряжения на диоде при его включении.

Перезаряд барьерной емкости диода \(C_б\), наоборот, ведет к замедлению скорости увеличения напряжения на диоде.

Вследствие действия двух противоположных тенденций реальный вид переходного процесса определяется конкретным соотношением параметров диода. При малых уровнях инжекции превалирующими являются процессы, связанные с перезарядом емкости \(C_б\). При больших уровнях инжекции — процессы, связанные с изменением объемного заряда области базы. Поэтому для диодов различных типов переходные процессы при включении могут иметь качественно отличный вид. На приведенной на рис. 3.1-2 диаграмме представлен случай большого уровня инжекции и соответственно малого влияния \(C_б\).

Длительность всплеска напряжения на диоде \(\tau_у\) называется временем установления. Рассчитанное для \(1,2 U_{д пр}\), оно примерно равно: \(\tau_у \approx 2,3 t_б\) , а максимальное падение напряжения на диоде:

\(U_{д пр max} \approx \varphi_к + I_{пр} \cdot r_{дб}\),

где:

\(\varphi_к\) — контактная разность потенциалов,

\(r_{дб}\) — сопротивление области базы диода.

 

Интервал времени [t1;t2] характеризует установившийся режим в диодном ключе. В базовой области диода накоплен избыточный заряд неосновных носителей \(Q_б = I_{пр} \cdot \tau_б\). Концентрация избыточных носителей при этом падает по мере удаления от перехода. Прямой ток, протекающий через диод, равен:

\(I_{пр} = \cfrac{U_{вх пр} – U_{д пр}}{r_{д пр} + R_н}\).

 

В момент времени \(t_2\) входное напряжение изменяет свою полярность на обратную. Однако до момента \(t_4\) диод будет находиться в проводящем состоянии. До момента \(t_3\) через него в обратном направлении будет протекать ток, импульсное значение которого \(I_{обр}\) и соизмеримо с \(I_{пр}\). Далее, по мере рассасывания объемного заряда неосновных носителей в области базы и разряда барьерной емкости на интервале \([t_3;t_4]\), обратный ток через диод будет уменьшаться, стремясь к своему установившемуся значению.

Как видно из приведенной диаграммы (рис. 3.1-2), в момент времени \(t_2\) смены полярности входного напряжения падение напряжения на диоде скачком уменьшается на долю падения напряжения на активном сопротивлении диода \( \operatorname{d} U_д = r_{дб} \left( I_{пр} + I_{обр и} \right)\) и далее остается постоянным. Это объясняется тем, что избыточный заряд, накопленный в базовой области диода во время его прямого смещения, остается достаточным для поддержания импульса обратного тока на уровне:

\( I_{обр и} = \cfrac{U_{обр} – \left[ U_{д пр} – r_{дб} \left( I_{пр} + I_{обр и} \right) \right] }{\tau_б} \),

 

т.е. непосредственно после смены полярности \(U_{вх}\) диод обладает практически нулевым сопротивлением.

 

Для интервала времени \([t_2;t_3]\): \(I_д = –I_{обр и}\). Предполагая, что в конце этого интервала концентрация неосновных носителей заряда в непосредственной близости к \(p\)-\(n\)-переходу уменьшается до нуля, получим:

\(t_{рас} = t_3 – t_2 \approx t_б \cdot \ln{\left( 1+ \cfrac{I_{пр}}{I_{обр и}} \right)} \).

 

Временной интервал \(t_{рас}\) называется временем рассасывания неосновных носителей из области базы. Следует отметить, что приведенное выражение является приближенным, так как не учитывает особенностей изменения пространственного заряда \(Q_б\), характерных для диодов, изготовленных по различным технологиям.

На временном интервале \([t_3;t_4]\) суммарный объемный заряд в области базы уменьшается до нуля, что характеризуется уменьшением тока диода от значения \(I_{обр и}\) до величины \(I_{обр}\), соответствующей стационарному обратному току диода в выключенном состоянии.

Длительность интервала \(t_{сп} = t_4 – t_3\), называемого временем спада обратного тока диода, также сильно зависит от технологии его изготовления. Реально: \(t_{сп} \approx {(0,1…1)} \cdot t\), т.е. практически для всех типов диодов \(t_{рас} > t_{сп}\). Временной интервал \(t_{рас} + t_{сп} = t_{вос}\) носит название времени восстановления обратного сопротивления диода и является важной характеристикой быстродействия.{t_4} I_{обр}(t) \operatorname{d}t \).

 

В случае, когда напряжение входного прямоугольного сигнала не является двуполярным, на диаграммах переходных процессов возникнут качественные отличия от приведенного на рис. 3.1-2 вида.

Временные диаграммы для случая однополярного прямоугольного сигнала приведены на рис. 3.1-3.

 

Рис. 3.1-3. Переходные процессы в диоде при прохождении через него однополярного прямоугольного сигнала

 

Очевидно, что и в этом случае переходные процессы будут сильно искажать форму сигнала, проходящего через диод в нагрузку.

Процесс включения диода аналогичен случаю двуполярного сигнала. Существенные отличия наблюдаются при выключении диода.

После окончания действия напряжения \(U_{пр}\) в момент времени \(t_2\) напряжение на диоде резко уменьшается на \(\Delta U_д = r_{д обр} \left( I_{пр} + I_{обр и} \right) \) и затем еще достаточно продолжительное время сохраняет полярность прямосмещенного диода. При условии \(U_{вх} = 0\) это означает, что к нагрузке прикладывается напряжение обратной полярности, равное:

\( U_{вых обр} \approx – \left[ U_{пр} – r_{д пр} \left( I_{пр} + I_{обр и} \right) \right] \cfrac{R_н}{R_н + R_{вн}} \),

где \( R_{вн}\) — внутреннее сопротивление источника сигнала.

 

Причиной возникновения этого напряжения является объемный заряд \(Q_б\), накопленный в области базы. После окончания импульса \(U_{вх}\) неосновные носители в области базы постепенно рекомбинируют, создавая ток в цепи нагрузки диода. Поэтому длительность интервала \([t_2;t_3]\) определяется как собственными параметрами диода, так и параметрами внешней цепи. При уменьшении сопротивления разряда \(R_{раз} = R_н \cfrac{R_{вн}}{R_н + R_{вн}}\) длительность \([t_2;t_3]\) уменьшается.

Напряжение, присутствующее на диоде после окончания импульса \(U_{вх}\) принято называть послеинжекционным.

Таким образом, при применении диодов в импульсных цепях следует учитывать, что их некоторая инерционность является причиной искажения формы проходящих через них импульсов. Причем эти искажения тем существеннее, чем меньше длительность обрабатываемых импульсов и их фронтов (срезов).

 

 

< Предыдущая		Следующая >

Диод Шоттки. Устройство, принцип работы и основные характеристики.

Приветствую всех на сайте MicroTechnics снова! Сегодня мы продолжим курс «Основы электроники«, и героем статьи станет еще один электронный компонент, а именно диод Шоттки. В недавних статьях мы рассматривали принцип работы и применение обычных диодов и стабилитронов:

И вот настало время диода Шоттки!

Основной отличительной особенностью этого элемента является малое падение напряжения при прямом включении (относительно обычного выпрямительного диода). Давайте разберемся, с чем же в данном случае связано это пониженное падение.

«Сердцем» диода Шоттки является не p-n переход, который образуется при соприкосновении двух полупроводников с разными типами проводимости, а так называемый барьер Шоттки. И элемент, и барьер названы так в честь немецкого физика Вальтера Шоттки, который занимался исследованием этих процессов и явлений в 1930-х годах.

Так вот барьер Шоттки — это переход между металлом и полупроводником. В обычном диоде у нас используется переход между полупроводниками p-типа и n-типа, а здесь уже совсем другая история — металл + полупроводник.

Для работы барьера Шоттки необходимо, чтобы работы выхода использующихся металла и полупроводника были различными. А работа выхода, в свою очередь, это энергия, которую необходимо сообщить электрону для его удаления из твердого тела. Рассмотрим случай, когда барьер образуется при контакте металла и полупроводника n-типа. Причем работа выхода электронов из полупроводника меньше, чем работа выхода из металла:

\phi_{П} < \phi_{М}

Возникающий ток термоэлектронной эмиссии можно рассчитать следующим образом:

j = (1 \medspace — < R>) \medspace A \medspace T^2 \medspace e^{-\phi / kT}

Здесь нам важно заметить, что поскольку \phi_{М} > \phi_{П}, то, напротив, j_{М} < j_{П}. В результате этого при контакте металла и полупроводника в пограничной области буду скапливаться заряды:

Иными словами, из-за того, что работа выхода из полупроводника меньше, то электронам проще перейти из него в металл, чем наоборот, в обратном направлении. Но как и для p-n перехода этот процесс не будет протекать бесконечно. Эти заряды создадут дополнительное электрическое поле в граничной области, и, в результате, под действием этого поля токи термоэлектронной эмиссии выравняются.

Как видите, в целом, процессы, протекающие в барьере Шоттки, по своей сути очень похожи на то, что происходит в p-n переходе при контакте двух полупроводников. При подключении внешнего напряжения возникает дополнительное поле, которое смещает баланс токов в пограничной области.

Несмотря на некую схожесть процессов ключевым отличием является то, что в диоде Шоттки протекание тока как при прямом смещении, так и при обратном, связано исключительно с перемещением основных носителей заряда. То есть по сравнению с p-n переходом отсутствует диффузионная составляющая тока, которая связана с инжекцией неосновных носителей. А это, в свою очередь, приводит ко второй важнейшей отличительной особенности диодов Шоттки — повышенному быстродействию (поскольку отсутствуют рекомбинационные и диффузионные процессы).

Как вы помните, при прямом смещении в обычном диоде в полупроводниковых областях накапливаются неосновные носители заряда — дырки в n-области и электроны в p-области:

Так вот в момент перехода диода в закрытое состояние (при подаче обратного смещения) неосновные носители начинают перемещаться навстречу друг другу, что приводит к возникновению кратковременного импульса обратного тока. Для диодов Шоттки же этот негативный и нежелательный эффект фактически сводится на нет!

Итак, суммируем все, что мы рассмотрели, и построим вольт-амперную характеристику диода Шоттки и обычного выпрямительного диода:

А теперь резюмируем плюсы и минусы этих элементов:

• Первое преимущество — меньшее падение напряжения при прямом включении. Для диодов Шоттки оно может составлять 0.2-0.4 В, тогда как для обычных кремниевых диодов величина равна 0.6-0.7 В. А меньшее напряжение при одинаковом токе — это меньшая рассеиваемая мощность, то есть диод Шоттки будет нагреваться гораздо меньше.
• Быстродействие — бесспорный плюс, который позволяет использовать диоды Шоттки на более высоких частотах.
• Из сравнения вольт-амперных характеристик мы можем заметить, что обратный ток обычного диода имеет меньшую величину. Это уже относится к недостаткам диодов Шоттки. Причем с повышением температуры обратный ток будет увеличиваться еще больше.
• И еще один недостаток — при превышении максимально допустимого значения обратного напряжения диод Шоттки выходит из строй с вероятностью равной 100%. В то же время обычный диод может перейти в режим обратимого пробоя (лавинного или туннельного) в том случае, если для него не произошел тепловой пробой (также необратимый). И при этом максимально допустимые значения обратного напряжения для диодов Шоттки почти всегда значительно меньше, чем для обычных диодов!

А теперь давайте проведем несколько практических экспериментов. Протестируем две аналогичные схемы на работу с сигналами высокой частоты. Только в одной схеме задействуем диод Шоттки, а в другой обычный выпрямительный диод и сравним осциллограммы сигналов на выходе.

На принципиальных схемах диод Шоттки обозначается так:

Тесты будем проводить на простой схеме однополупериодного выпрямителя:

Для эксперимента я взял диод Шоттки 10BQ015 и выпрямительный диод 1N4001. Попробуем подать на вход синусоиду с частотой 1 КГц:

Первый канал (желтый) — сигнал на входе
Второй канал (красный) — сигнал на выходе цепи с диодом Шоттки
Третий канал (синий) — сигнал на выходе цепи с обычным диодом

Результат вполне ожидаем. Диоды пропускают ток только в одном направлении, поэтому нижний полупериод входного сигнала срезается. Пока разницы, честно говоря, никакой не наблюдается. Увеличиваем частоту входного сигнала до 100 КГц:

Первый канал (желтый) — сигнал на входе
Второй канал (красный) — сигнал на выходе цепи с диодом Шоттки
Третий канал (синий) — сигнал на выходе цепи с обычным диодом

И здесь уже видим, что обычный диод с таким сигналом попросту перестает справляться. При переключении диода (из открытого состояния в закрытое) возникает нежелательный импульс обратного тока (в точности так, как мы и обсудили чуть ранее).

Итак, мы рассмотрели устройство, основные характеристики и принцип работы диода Шоттки. Давайте на этом и завершим сегодняшнюю статью, всем большое спасибо за уделенное время и до встречи в новых статьях!

PIN-диоды для чайников. Часть 3 / Хабр

PIN-диод представляет собой полупроводниковую структуру, состоящую из сильнолегированных p⁺ и n⁺ областей и разделяющего их слаболегированного слоя – слоя собственной проводимости (intrinsic). Благодаря наличию этого слоя, т.н. «базы», pin-диод является плохим выпрямителем и находит применение в СВЧ-технике. В данной статье рассмотрены аспекты использования pin-диодов в СВЧ-схемах для практических применений, то есть только необходимые разработчику данные, чтобы максимально точно выполнить проектирование. Статья не претендует на сколько-либо научный труд, а является скорее справочником и сборником разрозненной информации о pin-диодах. Особое внимание уделено особенностям использования pin-диодов на высоком уровне СВЧ-мощности, таких как вопросы пробоя, влияния высокочастотного поля на режим работы диода и проблемы тепловыделения, которые являются ключевыми для разработчика мощных приборов.

Первую часть, посвященную общей информации о pin-диодах, можно прочитать тут.

Вторая часть посвящена способам включения pin-диода в СВЧ схему и влиянию СВЧ на диод.

SPnT переключатель (один вход и n выходов)

Простейшим способом создать SPnT ключ является использование n идентичных SPST ключей. При этом все приведенные в части 2 выражения остаются актуальными, кроме развязки – она увеличивается на 6 дБ независимо от количества выходов. Это связано с тем, что на одиночном закрытом ключе оказывается все напряжение генератора, а при наличии нескольких выходов половина напряжения генератора падает на согласованной нагрузке открытого канала, а на закрытых ключах всех остальных каналов, параллельно подключенных к генератору – вторая половина. Уменьшение напряжения соответствует уменьшению мощности в 4 раза или на 6дБ. Надо отметить, что параллельные схемы ключей необходимо подключать на расстоянии, равном четверти длины волны от места разветвления каналов, поэтому такие ключи являются более габаритными и узкополосными, хотя и обеспечивают лучшую развязку по сравнению с последовательными схемами. Кроме того, в многоканальном переключателе все каналы, кроме одного, закрыты, но, при параллельном включении в линию pin-диоды в них открыты, то есть потребляют ток. При последовательном же включении открыт только один диод.

Для создания широкополосных ключей или ключей с высоким значением развязки используются комбинации последовательных и параллельных схем ключей, а также многокаскадные ключи.

Надо отметить, что ключи с несколькими выходами требуют создания цепей согласования, так как диод в закрытом состоянии является не идеальным разрывом, а представляет собой емкость. Кроме того, необходимо компенсировать паразитные параметры корпуса диода. Ниже приведен пример топологии параллельного ключа с согласующими элементами.

Вторым примером решения этой проблемы является более удобная схема параллельного ключа, не требующая согласования, однако также являющаяся узкополосной. Четвертьволновый разомкнутый шлейф создает КЗ в точке включения диода в линию, при условии, что диод открыт. Когда же диод закрыт, он представляет собой параллельную линии емкость, а короткозамкнутый шлейф, также подключенный к точке включения диода в линию, представляет собой распределенную индуктивность, образующую с емкостью диода параллельный резонансный контур на рабочей частоте, то есть в этом состоянии волна проходит без помех.

Аналогом такой схемы для последовательного включения pin-диода является схема, приведенная выше. Здесь параллельно диодам включены индуктивности, которые также обеспечивают резонанс с емкостью закрытого диода. Включения конденсатора с большой емкостью необходимо для того, чтобы анод и катод диода не были под одним потенциалом. Такая схема обеспечивает хорошую развязку, однако требует согласования.

Общие рекомендации

Для подачи смещения на диоды необходимо создать такие цепи, которые пропускали бы постоянный ток, но были бы изолированы по СВЧ. Обычно для этих целей используются печатные четвертьволновые линии с чередующимися высоким и низким волновыми сопротивлениями. Это проще с точки зрения изготовления, однако не очень компактно. Возможно использовать для подачи смещения сосредоточенные навесные индуктивности с высоким импедансом на высоких частотах. Кроме того, такие элементы имеют собственные корпусные резонансы, обусловленные наличием паразитной емкости корпуса. Если подобрать элемент по его s-параметрам с паразитным резонансом на центральной рабочей частоте, то можно добиться большой развязки при очень компактных размерах самого компонента. Необходимо только учесть, что индуктивности обладают ограничением по пропускаемому току, поэтому ток, открывающий диод, не должен превышать максимальный ток, разрешенный для конкретного компонента.

Вторым моментом, на который стоит обратить внимание, являются потери, обусловленные сопротивлением диода в открытом состоянии. Как видно из формул, приведенных в части 2, эти потери не зависят от частоты, а определяются самим значением сопротивления и импедансом подводящей линии. Поэтому целесообразно использовать линию с высоким волновым сопротивлением, так как это уменьшит потери, а соответственно и тепловыделение на диоде. Из минусов такого подхода можно отметить необходимость введения в схему трансформаторов для приведения импеданса линии к 50 Ом, а также повышенное напряжение на диоде.

Еще одним полезным фактом является то, что, благодаря различиям в вольт-амперных характеристиках, арсенид-галлиевый pin-диод, в отличие от кремниевого, может управляться стандартными TTL-напряжениями. +5 вольт логической единицы откроют оба диода, однако +0.2 вольта логического нуля частично откроют кремниевый диод, но еще не откроют диод из арсенида галлия. Соответственно при низких уровнях СВЧ-мощности удобно управлять арсенид-галлиевыми диодами без дополнительных источников питания.

Коммутационное качество pin-диода

Для количественного описания качества управляющего устройства применяют характеристику, называемую фактором коммутационного качества K. Она является универсальной характеристикой управляющего устройства любой природы (феррит, сегнетоэлектрик, полупроводник). В данном случае определяется оно исходя из того, что диод обладает большим и малым сопротивлением СВЧ-полю в закрытом и открытом состояниях соответственно. При этом можно считать, что в открытом состоянии диод представляет собой резистор r, а в закрытом – последовательно соединенные емкость C и резистор R, при этом r_{@ R– Тогда можно считать, что у диода меняется только мнимая часть импеданса, и в таком случае}

Для любого переключаемого элемента, пригодного для практических применений K > 1000. Данная формула действительна для бескорпусного диода, однако K не изменится и в присутствии корпуса, если в нем нет существенных потерь.

Использованная литература

1. Microsemi corp. The PIN diode circuit designers’ handbook.

2. Skyworks solution inc. Design with PIN diodes.

3. О.Г.Вендик, М.Д.Парнес. Антенны с электрическим сканированием (Введение в теорию).

4. Г.С.Хижа, И.Б.Вендик, Е.А.Серебрякова. СВЧ фазовращатели и переключатели.

5. Г.Уотсон. СВЧ-полупроводниковые приборы и их применение.

6. А.В.Вайсблат. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых приборах.

7. СВЧ устройства на полупроводниковых диодах. Проектирование и расчет. Под редакцией И.В.Мальского и Б.В.Сестрорецкого.

8. R.Caverly and G.Hiller. Establishing the minimum reverse bias for a p-i-n diode in a high-power switch.

9. Н.Т.Бова, Ю.Г.Ефремов, В.В.Конин. Микроэлектронные устройства СВЧ.

10. MA-COM tech. Comparison of Gallium Arsenide and Silicon PIN diodes for High Speed Microwave Switches.

Добавим диод и улучшим электросхему автомобиля.

Приветствую всех любителей постоянно что-то улучшать в своей машине своими руками, в этой небольшой статье мы рассмотрим на что способен обыкновенный диод, и что даст нам его главная способность —  проводить электрический ток только в одном направлении. Многие водители знают, что диоды установлены в выпрямителях генераторов (диодный мост ), и выпрямляют переменный ток от генератора в постоянный ток для заряда батареи. Но не многие знают, что германиевый или кремниевый диод, можно использовать на машине не только для этого.

Если знать, куда добавить (припаять) в электросхеме автомобиля диод, то этим можно добиться некоторых полезных свойств в электрооборудовании машины. Например на машинах прошлых лет выпуска, можно сделать так, что при включении насоса омывателя стекла, дворники сами включатся при этом. Нужно просто добавить диод и подключить моторчик насоса, как показано на схеме № 1.

 

 

А при опускании водителем кнопки Вк 1, насос отключается, но при этом дворники остановятся только после завершения цикла и при возвращении на своё место (внизу стекла). Ну а диод в этой схеме нужен для того, чтобы насос не включался, когда будут работать дворники, при включенной заводской кнопке Вк 2 (например во время дождя, когда насос не нужен).

На схеме 1 моторчик стеклообывателя это М1, а М2 — это моторчик дворников. Вк 1 — это кнопка включения омывателя, а Вк 2 это выключатель дворников (стеклоочистителей). Ну а VD — это диод КД 202, который можно наглядно увидеть на самом верхнем фото.

Полезные свойства диода можно использовать и в схемах зажигания. Например на катушке зажигания (типа Б 117) не установлено добавочное сопротивление (резистор). И конечно же у жигулёвского стартера нет дополнительных контактов в тяговом реле.

Ну а если установить на машину катушку типа Б-115, и подключить диод, как показано на схеме № 2, то он обеспечит поступление напряжения на первичную обмотку, когда будет работать стартер. Благодаря этому, можно не бояться перегреть катушку зажигания и разрядить аккумулятор, как бывает при заводской схеме, если оставить ключ зажигания включенным.

На схеме №2 показано как подключить катушку зажигания Б 115, вместо катушки Б 117. Буква П на схеме — это прерыватель, а буквы VD означают диод КД 202Р.

 

 

Ещё диод можно добавить в заводскую электросхему включения фар и звукового сигнала, как показано на схеме №3. Добавление диода в схему, обеспечит включение фар как только вы нажмёте на звуковой сигнал. Но благодаря диоду, звуковой сигнал не будет звучать, если вы включите фары. В этой схеме можно использовать даже маломощные кремниевые диоды, например КД 209 (так как силовые функции здесь возложены на реле света и сигнала).

На схеме №3 показано как совместно включить фары и звуковой сигнал. Буквы Зс — это звуковой сигнал, Р1 — это реле сигнала, а Р2 — это реле дальнего света фар. Ну а буквы Вк1 означают кнопку включчения звукового сигнала, а буквы Вк2 — это включатель дальнего света.

 

 

 

 

 

Диод можно подключить и в цепь регулятора напряжения, а для чего это нужно? Для начала напомню, что при протекании тока через диод в прямом направлении, падение напряжения на этом диоде практически не зависит от величины этого тока и составляет примерно 0, 7 вольта (для кремниевого диода) или 0,4 вольта (для германиевого диода).

И поэтому, если вы подключите диод (как на схеме № 4) в цепь питания реле-регулятора напряжения (Я112), которое устанавливается на генераторах большинства отечественных автомобилей, то вы повысите напряжение генератора на вашей машине тоже на о,4 или на 0,7 вольта (в зависимости от типа диода). А чуть повысить напряжение бывает полезно в зимний период, или при каждодневных коротких поездках на работу, когда батарея постоянно недозаряжается.

Ну а чтобы в любой момент вернуть величину напряжения в заводское состояние, например летом или когда вы отправляетесь в дальнюю поездку, то нужно подключить тумблер Вк (зима — лето), с помощью которого в любой момент вы сможете выключить влияние диода на работу генератора.

В схемах можно использовать кремниевые диоды, например: КД 202, КД 203, КД 213, Д 231, Д 232, Д 214, Д 215, Д 242, Д 243, Д 245, Д 246, Д 247.

Так же подойдут и германиевые диоды, но их поменьше, например: Д 304 или Д 305.

Надеюсь данная статья поможет кому то улучшить заводскую электросхему своего автомобиля, с помощью такой полезной мелочи как диод; удачи всем.

 

ОСНОВЫ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ДИОДОВ

Повторите эксперимент 1, но подключите вольтметр постоянного тока к клеммам диода. Измеритель должен иметь чувствительность 20 кОм / вольт и быть установлен на диапазон 10 В. В идеале вы должны использовать измеритель с центральным отсчетом 10v-0v-10v, но вы можете использовать обычный измеритель и поменять местами провода, чтобы получить положительное показание.

Когда цепь была подключена в соответствии со схемой, показание напряжения было 0,7 В постоянного тока. Это связано с тем, что диод был проводящим, а 0,7 В – это падение напряжения прямого смещения диода.Когда аккумулятор был перевернут, показание напряжения было 10 В. Диод разомкнут, и полное напряжение батареи находится на диоде.

Практическое применение – домофон

Показанный до сих пор простой переключатель можно использовать в простых аудиоприложениях. Вот простая схема внутренней связи «все ведущие», которая направляет усилитель звука на один из нескольких удаленных приемников. Все показанные блоки идентичны и подключены к одному многопарному кабелю. Все устройства питаются от одной батареи.

Домофон «all master» на 5 станций с диодной коммутацией.

Вы нажимаете кнопку, соответствующую станции, с которой хотите поговорить. При нажатии любого переключателя «TALK» горизонтальные диоды подают питание 12 В постоянного тока от кабеля на усилитель 741 MIC. Здесь вы можете увидеть, как диоды используются для объединения постоянного тока с общим источником. Это предотвращает обратную подачу энергии на другие каналы.

Резисторы 1K0 подают питание постоянного тока на один из четырех выбранных диодов.Рабочая точка постоянного тока 741 операционного усилителя составляет около 5,5 В, которая подается на катод всех четырех вертикальных диодов. Переключатель TALK и соответствующий резистор вызывают положительное смещение одного из этих четырех диодов. Диод будет ограничивать линию выбранной станции до 6,2 В, с наложением на нее 500 мВ RMS aoudio. На этой схеме вы можете видеть, что была нажата кнопка станции 2.

На станции 2 постоянный ток и аудиосигнал проходят через заслонку для удаления нежелательных радиочастот. Резистор 2K2 фиксирует вход на массу при отсутствии входного сигнала.При вызове значение 2K2 слишком велико, чтобы повлиять на это. Схема приемника представляет собой аудиоусилитель со связью по постоянному току. Когда он не вызывается, условия постоянного тока нарушаются, и он не потребляет ток. При вызове от вызывающей станции поступает правильное смещение постоянного тока, и усилитель приводит в действие динамик.

Во время работы вы просто нажимаете кнопку станции, с которой хотите поговорить. Этот человек нажимает кнопку вашей станции, чтобы ответить. Этот метод означает, что другие станции также бесплатны и могут также вести личный разговор: например, станции с 1 по 2 и другой разговор между станциями 3 и 4.

Усилитель OpAmp MIC имеет пару встречных диодов для ограничения аудиосигнала размахом 1,5 В, что предотвращает перегрузку переключения диодов. Резистор 220R в цепи обратной связи выбран для правильного усиления. Я предположил, что используется микрофон ELECTRET с выходным сигналом от 10 мВ до 20 мВ. Если вы используете динамический микрофон, вам нужно удалить помеченный резистор 10 кОм и, возможно, выбрать 220 Ом для большего усиления (уменьшите значение). В идеале динамик и микрофон следует размещать как можно дальше друг от друга и направлять друг от друга.Избегайте механической проводимости между этими двумя. При нормальной работе вам нужно будет говорить близко к микрофону, а резистор 220 должен быть установлен так, чтобы не возникала обратная связь.

Сопротивление динамика должно быть 36 Ом.

Практическое применение – частотная модуляция

Вот довольно новое приложение. Большинство из вас, вероятно, узнают схему генератора как генератор Кольпита. «Интересный» бит – это диод и потенциометр.Вот схема для вашего прочтения:

В этом случае частота генератора определяется значениями конденсатора и катушки индуктивности: C и L. Обратите внимание, что я добавил диод и еще один конденсатор 10C (в 10 раз больше, чем C). Колебания на концах L представляют собой синусоидальную волну, изменяющуюся выше и ниже клеммы Gnd (батарея -ve).

Я подключил диод к концу L и подключил его к потенциометру. Поток обеспечивает переменное напряжение от 0 до +3 В. в моем примере.Как только колебания превышают напряжение потенциометра, конденсатор 10С включается в цепь, увеличивая время периода колебаний. Я выбрал 3 В, потому что в последнем измеренном мною осцилляторе уровень составлял +/- 3 В от пика к пику.

Общий эффект заключается в понижении частоты генератора за счет изменения VR1. Максимальное напряжение должно быть равным без сдвига частоты. Этот метод может дать ОЧЕНЬ широкий частотный сдвиг, хотя искажение присутствует из-за асимметричной формы волны.Следовательно, для схемы действительно требуется некоторая форма постфильтрации, но, поскольку должен быть также буфер, добавление фильтра нижних частот должно быть легко реализовано.

Шунтирующие диоды

До сих пор я рассмотрел последовательные диоды и то, как их можно включать и выключать при прохождении тока. Если вы вернетесь к эксперименту №1, но на этот раз включите генератор на 1 МГц, вы увидите, что схема не полностью отключает сигнал при перестановке батареи.Это связано с тем, что через диод проходит некоторый перепад сигнала. Это связано с магнитной и емкостной связью. Рассмотрим этот эксперимент .:

Модифицированный эксперимент, с шунтирующим диодом D2.

Здесь мы видим ту же схему, что и раньше, но в сигнальную цепь были добавлены еще один резистор и диод. Опять же, конденсаторы «вставляются», когда это необходимо, чтобы блокировать коммутационные напряжения постоянного тока.

Когда батарея подключена, как показано, положительный полюс батареи подается через резистор на анод D1, заставляя его проводить.Другой резистор подает положительный полюс на катод D2, предотвращая проводимость D2. Но когда аккумулятор перевернут, D1 перестанет проводить, нарушая путь прохождения сигнала. D2 также будет проводить, замыкая любой сигнал «прыжка» на землю. Таким образом, комбинация последовательных и шунтирующих диодов может улучшить изоляцию. Такая изоляция необходима при работе с передатчиками УКВ и чувствительными приемниками.

RF Коммутация

При переключении антенны между передатчиком и приемником 1N914 или 1N4148 все еще можно использовать, но с уменьшением успеха по мере увеличения частоты.Обычной практикой в ​​преобразователях УКВ является использование диода с PN переходом, но со слегка легированной «собственной» областью между слоями P и N. Диод называется PIN-диодом.

Когда PIN-диод пропускает ток, он имеет низкое сопротивление, как и обычный PN-диод. Но когда ток удаляется, возникает задержка, когда носители заряда не рекомбинируют немедленно, что приводит к задержке. Эта задержка приводит к фазовому сдвигу и может дать PIN-диоду много других применений, например, в качестве заглушки детектора скорости полицейского РАДАРА.Но свойства «более совершенного диода» и задержка выключения – это те, на которые полагаются, чтобы защитить ваш хороший приемник с чувствительностью 0,1 мкВ от сотрясения в 100 вольт.

Вот основная схема переключения диода T / R:

Когда переключатель S1 разомкнут, оба D1 и D2 вообще не смещены, поэтому сигнал антенны проходит через 1/4 волновую линию к приемнику. Когда S1 замкнут, ток проходит через RFC1, D1 и RFC2, поэтому D1 эффективно передает RF от передатчика к антенне.

Ток также будет проходить через RFC3 и диод D2, поэтому D2 будет шунтировать любые RF на входе приемника на землю. Полное короткое замыкание на входе приемника отражается на передатчик в виде высокого импеданса четвертьволновой линией. Таким образом, диод D2 не будет шунтировать цепь передатчика / антенны.

Этот метод может быть построен до довольно сложной схемы, требующей большого количества диодов и способной обрабатывать 100, если не 1000 ватт, и на частотах в диапазоне ГГц.

Я надеюсь, что вы узнали что-то полезное из этой информации. С наилучшими пожеланиями от Гарри – SM0VPO

Вернуться на страницу ИНДЕКС Диод

＜ Типы диодов ＞ | Основы электроники

Выпрямительный диод

(REC): конструкция и особенности

Конструкция	Символ	Приложения ・ Характеристики
		Используется для исправления (т.е. первичная сторона блока питания) В основном класса 1А и выше, высокое напряжение пробоя (400 В / 600 В)

Выпрямительные диоды, как следует из их названия, предназначены для выпрямления общих частот переменного тока. Выпрямление в первую очередь включает преобразование переменного тока в постоянный и может включать высокие напряжения и токи. Эффективность преобразования может сильно различаться в зависимости от рабочей частоты и условий. Таким образом, предлагаются различные типы, включая модели с низким V _F (прямое напряжение), высокоскоростное переключение и модели с низким уровнем шума.

Конфигурация схемы выпрямления］

Переключающий диод (SW): устройство и особенности

Конструкция	Символ	Приложения ･ Характеристики
		Идеально подходит для различных коммутационных приложений Скорость переключения ： Короткое время обратного восстановления trr

Эти диоды обеспечивают переключение.Подача напряжения в прямом направлении вызовет протекание тока (ВКЛ). И наоборот, подача напряжения в обратном направлении остановит ток. Переключающие диоды обычно характеризуются более коротким временем обратного восстановления (trr), что приводит к лучшим характеристикам переключения.

Включить	Выключить
>

Что такое время обратного восстановления (trr)?

Время обратного восстановления trr относится к времени, за которое переключающий диод полностью выключится из состояния ВКЛ.Как правило, электроны нельзя остановить сразу после выключения работы, что приводит к протеканию некоторого тока в обратном направлении. Чем выше этот ток утечки, тем больше потери. Однако время обратного восстановления можно сократить за счет диффузии тяжелых металлов, оптимизации материалов или разработки FRD (диодов быстрого восстановления), которые подавляют звон после восстановления.

Ключевые моменты

• Trr относится к времени, за которое ток исчезает после переключения напряжения в противоположном направлении.
• Чем короче trr, тем меньше потери и выше скорость переключения

Диоды с барьером Шоттки (SBD): структура и особенности

Конструкция	Символ	Приложения ･ Характеристики
		Используется для выпрямления вторичного источника питания Низкий V F (малые потери), большой I R Быстрая скорость переключения

В отличие от обычных диодов, которые обеспечивают характеристики диодов через переход PN (полупроводник-полупроводник), в диодах с барьером Шоттки используется барьер Шоттки, состоящий из перехода металл-полупроводник.Это приводит к гораздо более низким характеристикам V _F (прямое падение напряжения) по сравнению с диодами с PN переходом, что обеспечивает более высокую скорость переключения. Однако есть один недостаток – больший ток утечки (I _R ), что требует принятия контрмер для предотвращения теплового разгона.

SBD

, которые часто используются для выпрямления вторичного источника питания, имеют характеристики, которые могут сильно различаться в зависимости от типа используемого металла. ROHM предлагает широкий ассортимент ведущих в отрасли SBD, в которых используются различные металлы.

• RB ** 1 серия низкая V _F тип
• RB ** 0 серия низкая I _R тип
• ROHM предлагает серию RB ** 8 диодов со сверхнизким I _R для автомобильных приложений

Ключевые моменты

• Low V _F и I _R можно получить, просто изменив тип металла.

Термический побег

Диоды с барьером Шоттки

чувствительны к чрезмерному тепловыделению при протекании большого тока.В результате сочетание высокой температуры с увеличением I _R (ток утечки) может вызвать повышение как температуры корпуса, так и окружающей среды. Следовательно, реализация неправильной тепловой конструкции может привести к тому, что количество выделяемого тепла превысит количество рассеиваемого, что может привести к увеличению тепловыделения и тока утечки и, в конечном итоге, к повреждению. Это явление называется «тепловым разгоном».

Ключевые моменты

• Высокая температура окружающей среды может стать причиной теплового разгона

Стабилитрон

(ZD) ： Структура и характеристики

Конструкция	Символ	Приложения ・ Характеристики
		Используется в цепях постоянного напряжения Защищает ИС от повреждений из-за импульсных токов и электростатических разрядов Генерирует постоянное напряжение, когда напряжение подается в обратном направлении

Стабилитроны обычно используются в цепях постоянного напряжения для обеспечения постоянного напряжения даже при колебаниях тока или в качестве элементов защиты от импульсных токов и электростатических разрядов.В отличие от стандартных диодов, которые используются в прямом направлении, стабилитроны предназначены для использования в обратном направлении. Напряжение обратного пробоя стабилитрона называется напряжением стабилитрона V _Z , а значение тока в это время называется током стабилитрона (I _Z ). В последние годы в связи с продолжающейся миниатюризацией и увеличением производительности электронных устройств возникает потребность в более совершенных устройствах защиты, что привело к появлению диодов TVS (подавления переходных напряжений).

Ключевые моменты

• В обратном направлении работают только стабилитроны

Высокочастотные диоды (PIN-диоды) ： Структура и особенности

Какая емкость диода (C

_t )

Сумма внутреннего накопленного заряда при подаче обратного смещения называется емкостью диода (C _t ). Электрически нейтральный обедненный слой формируется путем заполнения внутреннего слоя, созданного между слоями P и N, носителями заряда (дырками и электронами).Слой обеднения действует как паразитный конденсатор с емкостью, пропорциональной площади PN-перехода и обратно пропорциональной расстоянию d. Расстояние определяется концентрацией слоев P и N. Подача напряжения на диод увеличит слой обеднения и уменьшит C _t . Требуемый Ct будет варьироваться в зависимости от приложения.

［При подаче обратного напряжения］

Ключевые моменты

• Чем шире слой обеднения (и больше расстояние), тем меньше емкость C _t .

Диоды на страницу продукта

ROHM использует оригинальные передовые технологии, чтобы предложить широкий модельный ряд диодов. Кроме того, передовой опыт в области малосигнальных диодов и диодов средней / большой мощности позволил разработать высококачественные диоды Шоттки и диоды с быстрым восстановлением.

Диод

как переключатель и переход Простое объяснение – Wira Electrical

Силовой диод – это простейшее статическое устройство среди силовой электроники (PE).Это устройство может действовать как электронный переключатель. Так что использование диода в качестве переключателя кажется удобным.

Обозначение схемы показано на рисунке. (1), это двухконтактное устройство, в котором клемма A обозначает анод, а клемма K обозначает катод.

Рис. 1. Диод питания

Диод питания в качестве переключателя

Если на клемме A будет более высокий потенциал, чем на клемме B, устройство будет работать в режиме прямого смещения, и ток будет течь в указанное направление называется прямым током (I _F ).

Это вызывает относительно небольшое падение напряжения на устройстве (<1 В), и в идеальных условиях им можно пренебречь.

Прежде чем мы перейдем к объяснению, убедитесь, что вы прочитали, что такое электрический ток, чтобы понять принцип работы.

Напротив, при обратном смещении он не пропускает ток, и практический силовой диод будет иметь небольшой ток, протекающий в обратном направлении, называемый током утечки.

При выборе идеального устройства падение напряжения и ток утечки не учитываются.Обычно в PE мы будем использовать расчет, основанный на идеальных условиях.

Его практические характеристики исходят из идеалов нулевого прямого и бесконечного обратного импеданса, как показано на рисунке (2a).

При работе с прямым смещением потенциальный барьер, связанный с распределением зарядов вблизи перехода, вместе с другими эффектами вызывает падение напряжения.

В практическом диоде его характеристика изображена на рис. 2б.

Рисунок 2а.Типичная статическая характеристика

Рисунок 2b. Характеристика в практическом состоянии

Обратите внимание на график характеристики, прямая характеристика изображена как пороговое напряжение V _o и линейное инкрементное или наклонное сопротивление, r . Обратная характеристика остается неизменной во всем диапазоне возможных токов утечки независимо от напряжения в нормальном рабочем диапазоне.

PN Junction Diode

Из характеристики легко заметить, что когда он смещен в прямом направлении, ток, протекающий через него, возрастает с увеличением напряжения.

Ток в режиме обратного смещения относительно невелик, пока не будет достигнуто напряжение пробоя.

Как только приложенное напряжение превысит предел, ток будет быстро течь до очень высокого значения, ограниченного только внешним сопротивлением.

Принцип его работы основан на пропускании или блокировке напряжения и тока.

Характеристики силового диода

Характеристики диода постоянного тока . Наиболее важными параметрами являются следующие:

• Прямое напряжение , В _F – это падение напряжения диода на A и K при прямом смещении.
• Напряжение пробоя , В _B – это падение напряжения на диоде за пределами обратного смещения, также известное как лавина.
• Обратный ток , I _R – это ток при определенном напряжении, которое ниже напряжения пробоя.

Характеристики диода переменного тока . Наиболее часто используемые параметры:

• Время восстановления в прямом направлении , t _FR – это время, необходимое для того, чтобы его напряжение упало до определенного значения после начала прохождения прямого тока.
• Время обратного восстановления , t _rr – это временной интервал между приложением обратного тока и обратным напряжением, упавшим до определенного значения, как показано на рисунке (3). Параметр t _a – это интервал между переходами его тока через ноль до того момента, когда он станет I _RR .Напротив, t _b – это временной интервал от максимального обратного тока до примерно 0,25 I _RR . Соотношение значений t _a и t _b называется коэффициентом мягкости (SF). Для высокочастотной коммутации применяются силовые диоды с характеристиками скачкообразного восстановления.

Важно рассчитать время обратного восстановления. Меньшее значение t _rr указывает на возможность более быстрого переключения.

(1)

Если t _b можно игнорировать (общий случай), то справедливо следующее уравнение:

(2)

И ток обратного восстановления

(3)

где Q _RR – плата за хранение.

Например,

Выбранный диод имеет скорость падения тока di / dt = 20 A / µs, а время обратного восстановления t _rr = 5 µs. Рассчитайте пиковый обратный ток.

Решение,

Пиковый обратный ток составляет,

(4)

Плата за хранение Q _RR составляет,

(5)

Следовательно,

(6)

• Емкость диода , C _D – емкость чистого диода вместе с переходом (C _J ) плюс емкость корпуса (C _P ).

Управляющие ПИН-диоды: Альтернатива операционного усилителя

ПИН-диоды , которые помещают слаболегированную внутреннюю (I) область между сильно легированными P- и N-областями, широко используются в ВЧ- и СВЧ-устройствах. Обычно PIN-диоды применяются в микроволновых переключателях, фазовращателях и аттенюаторах, где требуются высокая изоляция и низкие потери. Их можно найти в испытательном оборудовании, контрольно-измерительных приборах, средствах связи, радарах и в различных военных приложениях.

Каждый PIN-диод в схеме переключения имеет сопутствующий драйвер PIN-диода или драйвер переключателя , который обеспечивает управляемый ток прямого смещения, напряжение обратного смещения и активирующий интерфейс между управляющим сигналом – обычно цифровой логической командой и одним или несколькими PIN-диоды. Эта функция драйвера может быть реализована в виде дискретной конструкции или со специализированными ИС для соответствия приложению.

В качестве альтернативы можно использовать широко доступные операционные усилители и специальные усилители, такие как ограничивающие усилители и дифференциальные усилители, вместо дискретных схем управления PIN-диодами и дорогих микросхем драйверов PIN-диодов.Операционные усилители этого класса имеют широкую полосу пропускания, высокую скорость нарастания напряжения и более чем достаточный установившийся ток для управления PIN-диодами. В этой статье обсуждаются три различные схемы ПИН-драйвера, в которых используются операционные усилители или специальные усилители – AD8037, AD8137 и ADA4858-3. Схемы предназначены для работы с однополюсными двухпозиционными переключателями на PIN-диодах, но они также могут быть адаптированы для других конфигураций схем. Они будут подробно описаны после обсуждения природы и использования PIN-диодов.

PIN диоды

PIN-диоды

используются в качестве резисторов с регулируемым током на ВЧ- и СВЧ-частотах, с сопротивлением, которое может варьироваться от долей Ом при прямом смещении или на до более 10 кОм при обратном смещении или при обратном смещении. В отличие от типичных диодов с PN-переходом, PIN-диоды имеют дополнительный слой из собственного полупроводникового материала с высоким сопротивлением (I в PIN), зажатый между материалами P и N (рис. 1).

Рисунок 1.PIN-диод.

Когда PIN-диод смещен в прямом направлении, дырки из материала P и электроны из материала N инжектируются в область I. Заряды не могут мгновенно рекомбинировать; конечное количество времени, необходимое для их рекомбинации, называется сроком службы носителей . Это вызывает общий накопленный заряд в области I, снижая его сопротивление до значения, обозначенного как R _S , эффективного на сопротивлении диода (рис. 2a).

При подаче напряжения обратного смещения или нулевого смещения диод выглядит как большое сопротивление, R _P , зашунтированное емкостью C _T (рисунок 2b).Изменяя геометрию диода, можно адаптировать PIN-диоды к различным комбинациям R _S и C _T для удовлетворения потребностей различных схемотехнических приложений и диапазонов частот.

Рис. 2. Эквивалентные схемы PIN-диодов. a) включен , I _BIAS >> ​​0. b) Off , V _BIAS ≤ 0.

Комбинация установившегося тока смещения, I _SS и обратного напряжение, обеспечиваемое драйвером, определяет окончательные значения R _S и C _T .Набор взаимосвязей для членов типичного семейства PIN-диодов можно увидеть на рисунках 3 и 4 – для кремниевых диодов серии M / A-COM MADP 042XX8-13060. Материал диода влияет на его свойства. Например, диоды из арсенида галлия (GaAs) требуют небольшого обратного смещения – если оно вообще есть – для достижения низкого значения C _T , как показано на рисунке 9.

Рисунок 3. Зависимость сопротивления кремниевого диода от прямого тока. Рисунок 4. Зависимость емкости кремниевого диода от обратного напряжения.

Накопленный заряд в PIN-диоде может быть аппроксимирован уравнением 1.

(1)

где:

Q _S = накопленный заряд

τ = срок службы диодной несущей

I _SS = установившийся ток

Чтобы включить или выключить диод, необходимо ввести или удалить накопленный заряд. Работа водителя заключается в том, чтобы очень быстро ввести или удалить этот накопленный заряд. В случаях, когда время переключения меньше срока службы несущей диода, пиковый ток (IP), необходимый для быстрого переключения, может быть аппроксимирован уравнением 2.

(2)

где:

t = необходимое время переключения

I _SS = установившийся ток, обеспечиваемый драйвером, который устанавливает сопротивление PIN-диода, RS

τ = срок службы носителя

Ток впрыска или удаления драйвера или пиковый ток , i можно выразить уравнением 3.

(3)

где:

C = емкость выходных конденсаторов драйвера или пиковых конденсаторов

В = напряжение на выходных конденсаторах

dv / dt = скорость изменения напряжения на конденсаторах

во времени

Интерфейс смещения ПИН-диода

Подключение схемы управления драйвером переключателя к PIN-диоду, чтобы он мог включать и выключать диоды, применяя прямое или обратное смещение, является сложной задачей.В схеме смещения обычно используется фильтр нижних частот между ВЧ схемой и драйвером переключателя. На рисунке 5 показан однополюсный двухпозиционный радиочастотный переключатель (SPDT) и его схема смещения. При правильной реализации фильтры L1 / C2 и L3 / C4 позволяют подавать управляющие сигналы на PIN-диоды D1 – D4 с минимальным взаимодействием с РЧ-сигналом, который переключается с RF IN на PORT 1 или PORT 2. Эти элементы позволяют относительно управляющие сигналы более низкой частоты проходят через PIN-диоды, но не позволяют высокочастотному сигналу выходить из тракта радиочастотного сигнала.Ошибочные потери РЧ-энергии означают нежелательно более высокие вносимые потери для коммутатора. Конденсаторы C1, C3 и C5 блокируют смещение постоянного тока, подаваемое на диоды, от проникновения в схемы на пути радиочастотного сигнала. Катушка индуктивности L2 в обратном пути постоянного тока к земле позволяет с легкостью передавать сигналы постоянного тока и низкочастотные сигналы переключателя-драйвера, но имеет высокий импеданс на ВЧ и микроволновых частотах, уменьшая потери РЧ-сигнала.

Рисунок 5. Типовая схема однополюсного двухпозиционного переключателя (SPDT).

Поскольку схемы смещения, ВЧ и драйвера переключателя все взаимодействуют и влияют на производительность друг друга, компромиссы важны, как и в любой конструкции.Например, если C2 и C4 большие (> 20 пФ) – что желательно для радиочастотных характеристик – у драйвера есть проблема, потому что большие емкости приводят к более медленным нарастающим и спадающим фронтам. Быстрое переключение желательно в большинстве приложений, поэтому для оптимальной производительности драйвера емкость должна быть минимальной, но при этом достаточно высокой, чтобы соответствовать требованиям радиочастотной цепи.

Драйверы традиционных ПИН-диодов

Драйверы

для PIN-диодов бывают разных форм и размеров. На рисунке 6 представлена ​​схема типичного драйвера дискретного переключателя, который обеспечивает хорошую скорость переключения.Такие драйверы могут быть реализованы либо с помощью микросхемно-проводной конструкции (гибридная), что очень дорого, либо с компонентами для поверхностного монтажа (SMT), которые недороги, но требуют большего количества печатных плат (PCB). площадь, чем гибрид.

Рисунок 6. Схема драйвера дискретного переключателя.

Выделенный переключатель-драйвер интегральных схем (ИС) также доступны; они компактны, имеют интерфейс TTL и обладают хорошей производительностью, но их гибкость ограничена, и они, как правило, дороги.

Другой вид архитектуры переключателя-драйвера, который следует рассмотреть, использует операционные усилители . Явным преимуществом драйверов переключателей операционных усилителей является присущая им гибкость. Их можно легко настроить для различных приложений, напряжений питания и условий, чтобы предоставить проектировщику множество вариантов дизайна.

Драйверы ПИН-диодов ОУ

Схемы операционного усилителя

являются привлекательной альтернативой традиционным драйверам на PIN-диодах. Помимо гибкости, они могут работать с переходными скоростями, часто приближающимися или превышающими 1000 В / мкс.Здесь будут показаны три различные схемы усилителя для управления ПИН-диодами RF. Выбранные усилители принципиально разные, но все они выполняют схожие функции. Эти схемы усилителя будут управлять PIN-диодами из кремния или арсенида галлия (GaAs), но каждый может предложить что-то свое.

AD8037 — Клещевой усилитель

Эта схема может работать на частоте до 10 МГц с отличными характеристиками переключения и общей задержкой распространения 15 нс. Выходное напряжение и ток могут быть настроены , для различных приложений, изменяя либо усиление, либо напряжение фиксации.

Фиксирующий усилитель AD8037, изначально разработанный для управления АЦП, обеспечивает фиксированный выход для защиты от перегрузки входа АЦП. В конфигурации, показанной на Рисунке 7, пара AD8037 (U2 и U3) используется для управления PIN-диодами.

Рис. 7. Схема драйвера PIN-диода AD8037.

Здесь U2 и U3 настроены на неинвертирующее усиление, равное 4. Уникальная функция ограничения входного сигнала AD8037 обеспечивает исключительно чистый и точный зажим. Он линейно усиливает входной сигнал до точки, где будет превышено усиление, умноженное на положительное и отрицательное напряжение фиксации (V _CH и V _CL ).С коэффициентом усиления 4 и фиксирующими напряжениями ± 0,75 В выходное напряжение будет в четыре раза больше входного напряжения для входов меньше ± 0,75 В, но будет ограничено максимумом ± 3 В, когда входной сигнал больше ± 0,75. V. Эта функция ограничения обеспечивает очень быстрое восстановление (обычно менее 2 нс) после перегрузки. Напряжения фиксаторов (V _CH и V _CL ) определяются делителями напряжения R2, ​​R3, R7 и R8.

Цифровой интерфейс реализован логическим вентилем 74F86 XOR (U1), который выдает управляющие сигналы для U2 и U3 с минимальным рассогласованием задержки распространения между двумя дополнительными выходами.Сеть резисторов R4, R5, R6 и R9 обеспечивает сдвиг уровня выходов TTL примерно до ± 1,2 В, который подается на U2 и U3 через R10 и R12.

Входы ± 1,2 В для U2 и U3 обеспечивают перегрузку 60%, гарантируя, что выходы перейдут в фиксированное состояние (4 × 0,75 В). Таким образом, выходные уровни для кремниевого драйвера PIN-диода установлены на ± 3 В. Резисторы R16 и R17 ограничивают установившийся ток. Конденсаторы C12 и C13 устанавливают пиковый ток для PIN-диодов.

AD8137 – Дифференциальный усилитель

Дифференциальные усилители, такие как AD8137, использованные в этом примере, обеспечивают исключительную высокоскоростную коммутационную способность при низких затратах и ​​предлагают разработчикам большую гибкость при управлении различными типами ВЧ нагрузок.Доступны различные дифференциальные усилители, в том числе более быстрые и высокопроизводительные устройства.

Высокоскоростной дифференциальный усилитель AD8137, обычно используемый для управления АЦП, также может служить недорогим и маломощным драйвером PIN-диодов. Достигая типичного времени переключения от 7 нс до 11 нс, включая задержки распространения драйвера и ВЧ-нагрузки, он имеет дополнительные выходы и является универсальной альтернативой более дорогим обычным драйверам.

Схема на рисунке 8 преобразует несимметричный вход TTL (0 В в 3.5 В) с дополнительным сигналом ± 3,5 В с минимизацией задержки распространения. Сигнал TTL усиливается в 4 раза для обеспечения требуемого размаха ± 3,5 В на выходах AD8137. Средняя точка (или синфазное напряжение) сигнала TTL составляет 1,75 В; то же значение должно применяться к R ₂ , как V _REF , чтобы избежать появления ошибки синфазного смещения на выходах усилителя. Лучше всего управлять этой точкой от источника с низким импедансом; любое последовательное сопротивление будет добавлено к R ₁ и повлияет на усиление усилителя.

Рисунок 8. Схема драйвера PIN-диода.

Коэффициент усиления выходного напряжения определяется уравнением 4.

(4)

Чтобы правильно ограничить входное сопротивление генератора импульсов до 50 Ом, необходимо определить входное сопротивление схемы дифференциального усилителя. Это можно вычислить с помощью уравнения 5, которое дает R _T = 51,55 Ом, для которого ближайшее стандартное значение 1% составляет 51.1 Ом. Для симметричного размаха на выходе важно, чтобы две входные цепи имели одинаковый импеданс. Это означает, что инвертирующий входной импеданс должен включать в себя сопротивление Тевенина источника и оконечного сопротивления в установочное сопротивление, R ₂ . Более подробное объяснение см. В примечаниях к применению AN-1026.

(5)

На рисунке 8, R ₂ примерно на 20 Ом больше, чем R ₁ для компенсации дополнительного сопротивления (25 Ом), вносимого параллельной комбинацией резистора источника, R _S и согласующий резистор R _T .Установка R ₄ на 1,02 кОм, ближайшее стандартное значение к 1,025 кОм, гарантирует, что два соотношения резисторов равны, чтобы избежать появления синфазной ошибки.

Сдвиг выходного уровня легко выполняется с помощью вывода V _OCM AD8137, который устанавливает синфазный уровень выходного постоянного тока. В этом случае вывод V _OCM связан с землей для симметричного колебания выхода относительно земли.

Резисторы R5 и R6 устанавливают установившийся ток PIN-диода, как показано в уравнении 6.

(6)

Конденсаторы C5 и C6 устанавливают пиковый ток, который помогает вводить и удалять накопленный заряд в PIN-диодах. Их значения емкости можно регулировать для оптимизации характеристик, необходимых для конкретной диодной нагрузки. Пиковый ток можно определить по уравнению 7.

(7)

ADA4858-3 – Тройной операционный усилитель с нагнетательным насосом

Для многих приложений доступен только один источник питания.Это часто может быть проблематичным для разработчика схем, особенно при поиске низкой выходной емкости в схемах PIN. В таких случаях операционный усилитель со встроенной накачкой заряда полезен в схеме для управления кремниевыми или GaAs PIN-диодами, не требуя внешнего отрицательного источника питания. Это может обеспечить значительную экономию за счет экономии места, энергии и бюджета.

Одним из таких устройств является ADA4858-3, высокоскоростной тройной усилитель с обратной связью по току, отличающийся тем, что он включает в себя встроенную подкачку заряда, которая позволяет изменять выходной сигнал с –3 В до –1.8 В под землей, в зависимости от напряжения питания и нагрузки. Он достаточно надежен, чтобы на самом деле питать другие схемы отрицательным током питания до 50 мА.

ADA4858-3 обеспечивает уникальное решение проблемы управления СВЧ-переключателем с дополнительным PIN-диодом в системе с однополярным питанием. Вспоминая рисунок 4, можно увидеть, что, в зависимости от типа PIN-диода, даже небольшое обратное смещение помогает снизить емкость диода, C _T . GaAs PIN-диоды выигрывают от этого типа драйвера, поскольку они обычно не требуют такого большого отрицательного смещения, чтобы поддерживать низкую емкость выключенного состояния (C _T ) (рисунок 9).

Рис. 9. Зависимость емкости трансформатора тока GaAs от напряжения.

На рисунке 10 показана схема, использующая ADA4858-3 в качестве драйвера PIN-диода. Ко входу можно добавить буферный вентиль, чтобы схема была совместима с TTL или другой логикой. Для этой схемы требуется преобразовать размах входного сигнала TTL 0-В в 3,5 В в дополнительный размах от –1,5 В до + 3,5 В для управления PIN-диодами.

Рисунок 10. ADA4858-3 как драйвер PIN-диода.

R1, R2, R3 и U1C образуют опорный сигнал –1,5 В для цепи с внутренним отрицательным напряжением CPO, генерируемым встроенной накачкой заряда.Конденсаторы C3 и C4 необходимы для работы зарядного насоса. Затем отрицательное задание пассивно суммируется с входом V _TTL через делитель напряжения (R5 и R9). Результирующее напряжение (V _RD ) появляется на неинвертирующем входе U1B. Выходное напряжение U1B можно рассчитать с помощью уравнения 8.

(8)

где:

(9)

Отрицательное задание также подается на усилитель U1A, где оно суммируется с входом TTL; Результирующее выходное напряжение V2 можно рассчитать с помощью уравнения 10.

(10)

Поскольку в этих усилителях используется архитектура с обратной связью по току, необходимо уделить внимание выбору сопротивления обратной связи, которое играет важную роль в стабильности и частотной характеристике усилителя. Для этого приложения резистор обратной связи установлен на 294 Ом, как рекомендовано в техническом паспорте. Выходные напряжения V1 и V2 можно описать уравнением 8 и уравнением 10 соответственно.Величину пикового выходного тока можно определить с помощью уравнения 3 для напряжения на конденсаторах C5 и C6. Установившийся ток, который устанавливает сопротивление PIN-диода, устанавливается разностью напряжений на R11 и R12 и зависит от кривых PIN-диода и требований системы.

Для этого приложения в качестве нагрузки РЧ-переключателя использовался SPDT-переключатель на кремниевом PIN-диоде MASW210B-1, используемый во входном каскаде микроволнового понижающего преобразователя (рис. 11).

Рисунок 11. Блок-схема понижающего преобразователя.

Форма выходного сигнала переключателя и входной сигнал TTL показаны на рисунке 12. Обратите внимание на быстрые нарастающие и спадающие фронты. В этом приложении не использовались пиковые конденсаторы C5 и C6 из-за относительно медленного времени переключения, требуемого переключателем, примерно 50 нс. R11 и R12, которые определяют установившийся ток диода, были резисторами 330 Ом.

Рисунок 12. Форма волны, показывающая скорость переключения РЧ. Рисунок 13. Спектральная характеристика понижающего преобразователя.

На рисунке 13 показана спектральная частотная характеристика входного каскада понижающего преобразователя с переключателем SW1 в фиксированном положении для проверки вносимых потерь.Обратите внимание на отсутствие гармоник или боковых полос – хороший признак того, что нет заметных артефактов переключения 100 кГц, исходящих от встроенной накачки заряда ADA4858-3 – важное соображение при использовании этих устройств в этом типе приложений.

Заключение

Как показывают эти три примера, операционные усилители могут предоставить творческую альтернативу традиционным драйверам, с производительностью, сопоставимой с характеристиками специализированных ИС, предназначенных исключительно для управления PIN-диодами. Кроме того, операционные усилители дают возможность настраивать коэффициенты усиления, управлять входами и – при использовании устройств, содержащих внутреннюю подкачку заряда – устранять отрицательное напряжение питания, добавляя гибкость конструкции драйверов для PIN-диодов и других схем.Простые в использовании и настройке операционные усилители относительно легко решают сложные проблемы.

использованная литература

Хиллер, Джеральд. Конструкция с PIN-диодами . Примечание по применению M / A-COM AG312.

Общие сведения о твердотельных коммутаторах ВЧ / СВЧ и их применении . Примечание по применению Agilent.

Благодарности

Данные о скорости переключения и спектральные характеристики, ВЧ-нагрузка и испытательное оборудование были любезно предоставлены Sage Laboratories, Hudson, NH.Испытания проводились под руководством Тони Каппелло, технического директора, при технической поддержке Дэвида Дункана, вице-президента по проектированию.

Силовые коммутационные цепи

Цепи переключения питания
Развлечения и игры с синхронным выпрямители

---

“Zero Volt Diode” – схема синхронного выпрямителя. Вильф Ригтер:

Zero Volt Diode (ZVD) – это схема, полезная в множество приложений, включая солнечные зарядные устройства всех типы.Это новая схема, в которой действует силовой полевой МОП-транзистор. как диод с очень низким падением напряжения, который переключает состояние при 0 В и который используется для проведения отрицательного тока от слив в источник.

В солнечных двигателях типа D1 диод с малыми потерями может использоваться для зарядите крышку до напряжения холостого хода солнечного элемента и используется в зарядных устройствах солнечных батарей, аккумулятор заряжается с максимальной скоростью, когда напряжение источника является самым высоким.В диод должен использоваться последовательно с солнечной панелью, иначе крышка или батарея разряжались через солнечную панель когда напряжение панели падает ниже сохраненного напряжения. В диод или эквивалентный переключатель, чувствительный к полярности, поэтому необходим для солнечных зарядных устройств.

Большинство диодов, используемых в BEAM SE и солнечных зарядных устройствах, являются Кремниевые диоды, такие как 1N4001, у которых падение напряжения составляет 0.От 6В до 1В при токах до 1А. Более эффективные диоды для токи от> 100 мА до десятков ампер Выпрямители типа Шоттки с падением напряжения от 200 мВ до 1000 мВ в зависимости от текущего уровня. Для <100 мА применения германиевый диод может использоваться с 200 мВ или меньше уронить.

Эта проблема падения напряжения важна в соревнованиях по солнечной энергии. двигатели, так как вы хотите, чтобы максимальное напряжение зарядите крышку и подайте нагрузку (низкое падение диода) и держите заряд накапливается на крышке при падении уровня освещенности (отключение тока утечки) и срабатывает SE.Кроме того, поскольку энергия в крышке пропорциональна квадрату напряжение даже небольшое падение напряжения на диоде снижает доступная энергия. Одно очевидное простое улучшение по сравнению с оригинальная конструкция D1 предназначена для замены диода Ge 1N34A (Радио Shack) вместо диода Si 1N4001.

Идеальный диод имел бы нулевое падение напряжения. В то время как прямое подключение солнечного элемента имеет минимальное падение напряжения он протекает, если свет падает, и у любого реального диода есть передний падение напряжения.Что делать?

Решение – использовать полевой МОП-транзистор в качестве выпрямителя. точно так же, как приложения синхронного выпрямителя в преобразователи напряжения. MOSFET должен быть переключен ВКЛ, когда солнечное напряжение больше, чем конденсатора или батареи и выключить, когда солнечное напряжение ниже сохраненного Напряжение. Вот небольшая конструкция для зарядки конденсаторов от солнечных батарей с нулевым падением напряжения на конце цикла зарядки. Его можно легко масштабировать до более высокие токи, заменив 2N7000 на больший МОП-транзистор. Если присутствует параллельная нагрузка, цепь также обеспечивает максимальное напряжение при минимальном вносимые потери от солнечного элемента.МОП-транзистор включается, когда разность напряжений равна нулю и выключается, когда солнечное напряжение падает ниже 100мВ ниже крышки или аккумулятора. Транзистор NPN нормально включен, когда крышка напряжение больше, чем 0,6 В, и это зажимает затвор выключенного 2N7000. PNP транзистор подключен к отрицательной клемме солнечная панель и когда напряжение на ней клемма падает ниже 0 В, PNP включается.Это в Turn выключает NPN, и 2N7000 включается. У полевых МОП-транзисторов есть интересная особенность: они действуют как двунаправленные переключатели, поэтому 2N7000 вполне доволен стоком провести отрицательный ток к линии 0 В. Когда напряжение на минусовой клемме солнечной панели более положительный, чем 0 В, PNP отключается и NPN ON и 2N7000 выключается со стоком напряжение положительное по отношению к напряжению источника и линия 0В.Поскольку 2N7000 не включается пока напряжение на затворе не станет более 2 В (в практика: выше по справочнику) a логический полевой транзистор с более низким напряжением включения затвора будет быть предпочтительнее. В любом случае MOSFET имеет интегральный обратный диод от стока к истоку, который будет нести ток до тех пор, пока напряжение на цоколе не достигнет 2В в этот момент включается полевой МОП-транзистор и передний напряжение падает до нескольких десятков мВ.

Как работают диоды Шоттки | ОРЕЛ

Как и другие диоды, диод Шоттки управляет направлением тока в цепи. Эти устройства действуют как улица с односторонним движением в мире электроники, позволяя току проходить только от анода к катоду. Однако, в отличие от стандартных диодов, диод Шоттки известен своим низким прямым напряжением и возможностью быстрого переключения.Это делает их идеальным выбором для радиочастотных приложений и любых устройств с низким напряжением. Диод Шоттки имеет множество применений, в том числе:

• Выпрямление мощности. Диоды Шоттки могут использоваться в приложениях с большой мощностью благодаря низкому прямому падению напряжения. Эти диоды потребляют меньше энергии и могут уменьшить размер радиатора.

• Несколько источников питания. Диоды Шоттки также могут помочь разделить питание в схеме с двумя источниками питания, например, с сетью и батареей.

• Солнечные элементы. Диоды Шоттки могут помочь максимизировать эффективность солнечных элементов благодаря низкому прямому падению напряжения. Они также помогают защитить ячейку от обратных зарядов.

• Зажим. Диоды Шоттки также могут использоваться в качестве фиксаторов в транзисторных схемах, например, в логических схемах 74LS или 74S.

( Источник изображения )

Преимущества и недостатки диода Шоттки

Одним из основных преимуществ использования диода Шоттки перед обычным диодом является их низкое прямое падение напряжения.Это позволяет диоду Шоттки потреблять меньше напряжения, чем стандартному диоду, используя только 0,3-0,4 В на его переходах. На графике ниже вы можете видеть, что прямое падение напряжения примерно на 0,3 В начинает значительно увеличивать ток в диоде Шоттки. Это увеличение тока не вступит в силу до 0,6 В для стандартного диода.

( Источник изображения )

На изображениях ниже представлены две схемы, иллюстрирующие преимущества более низкого прямого падения напряжения.Схема слева содержит обычный диод, справа – диод Шоттки. Оба питаются от источника постоянного тока 2 В.

( Источник изображения )

Обычный диод потребляет 0,7 В, а для питания нагрузки остается только 1,3 В. Благодаря более низкому прямому падению напряжения диод Шоттки потребляет всего 0,3 В, оставляя 1,7 В для питания нагрузки. Если бы наша нагрузка требовала 1,5 В, тогда только диод Шоттки подойдет.

Другие преимущества использования диода Шоттки по сравнению с обычным диодом:

• Более быстрое время восстановления .Небольшой заряд, накопленный в диоде Шоттки, делает его идеальным для приложений с высокоскоростным переключением.
• Меньше шума . Диод Шоттки будет производить меньше нежелательных шумов, чем обычный диод с p-n переходом.
• Лучшая производительность . Диод Шоттки потребляет меньше энергии и может легко удовлетворить требования низковольтных приложений.

Диоды Шоттки имеют ряд недостатков. Диод Шоттки с обратным смещением будет испытывать более высокий уровень обратного тока, чем традиционный диод.При обратном подключении это приведет к большей утечке тока.

Диоды Шоттки

также имеют более низкое максимальное обратное напряжение, чем стандартные диоды, обычно 50 В или меньше. Как только это значение будет превышено, диод Шоттки выйдет из строя и начнет проводить большой ток в обратном направлении. Однако даже до достижения этого обратного значения диод Шоттки будет пропускать небольшой ток, как любой другой диод.

Как работает диод Шоттки

Типичный диод объединяет полупроводники p-типа и n-типа для образования p-n перехода.В диоде Шоттки металл заменяет полупроводник p-типа. Этот металл может варьироваться от платины до вольфрама, молибдена, золота и т. Д.

Когда металл соединяется с полупроводником n-типа, образуется переход m-s. Это соединение называется барьером Шоттки. Поведение барьера Шоттки будет отличаться в зависимости от того, находится ли диод в несмещенном, прямом или обратном смещении.

( Источник изображения )

Беспристрастное состояние

В несмещенном состоянии свободные электроны будут перемещаться от полупроводника n-типа к металлу, чтобы установить баланс.Этот поток электронов создал барьер Шоттки, где встречаются отрицательные и положительные ионы. Свободным электронам потребуется большая подводимая энергия, чем их встроенное напряжение, чтобы преодолеть этот барьер.

( Источник изображения )

Состояние прямого смещения

Подключение положительной клеммы батареи к металлической и отрицательной клеммы к полупроводнику n-типа создаст состояние с прямым смещением. В этом состоянии электроны могут пересекать переход от n-типа к металлу, если приложенное напряжение больше 0.2 вольта. Это приводит к протеканию тока, типичному для большинства диодов.

( Источник изображения )

Состояние с обратным смещением

Подключение отрицательной клеммы батареи к металлу и положительной клеммы к полупроводнику n-типа создаст состояние с обратным смещением. Это состояние расширяет барьер Шоттки и предотвращает прохождение электрического тока. Однако, если обратное напряжение смещения продолжает увеличиваться, это может в конечном итоге разрушить барьер.Это позволит току течь в обратном направлении и может повредить компонент.

( Источник изображения )

Производство диодов Шоттки и параметры

Существует множество методов изготовления диода Шоттки. Самый простой способ – подключить металлический провод к поверхности полупроводника, это называется точечным контактом. Некоторые диоды Шоттки до сих пор производятся с использованием этого метода, но он не известен своей надежностью.

( Источник изображения )

Самый популярный метод – это использование вакуума для осаждения металла на поверхность полупроводника. Этот метод представляет проблему разрушения металлических краев из-за воздействия электрических полей вокруг полупроводниковой пластины. Чтобы исправить это, производители будут защищать полупроводниковую пластину оксидным защитным кольцом. Добавление этого защитного кольца помогает улучшить порог обратного пробоя и предотвращает физическое разрушение соединения.

( Источник изображения )

Параметры диода Шоттки

Ниже вы найдете список параметров, которые следует учитывать при выборе диода Шоттки для вашего следующего электронного проекта:

Примеры диодов Шоттки

Это помогает увидеть, как эти параметры обычно указаны на веб-сайте производителя или в техническом описании. Вот два примера:

Диод Шоттки 1N5711 – это сверхбыстрый переключающийся диод с высоким уровнем обратного пробоя, низким прямым падением напряжения и защитным кольцом для защиты перехода.

Диод Шоттки 1N5828 представляет собой стержневой диод, используемый для выпрямления мощности.

Управляйте потоком

Планируете работать с ВЧ или силовым приложением, требующим работы от низкого напряжения? Диоды Шоттки – это то, что вам нужно! Эти диоды известны своим низким прямым падением напряжения и быстрой скоростью переключения. Независимо от того, используются ли они в солнечных элементах или в выпрямлении энергии, вы не сможете превзойти низкое падение напряжения 0,3 В и дополнительную эффективность.Autodesk EAGLE уже включает в себя массу бесплатных библиотек диодов Шоттки, готовых к использованию. Не нужно делать свое собственное. Загрузите Autodesk EAGLE бесплатно сегодня!

(PDF) Интеграция схемы переключения PIN-диодов с матрицей Батлера для диапазона частот 2,45 ГГц

Интеграция схемы переключения PIN-диодов с матрицей Батлера для диапазона частот 2,45 ГГц

798

потери передачи (S

12

) относительно низкий (S

12

<0.25 дБ). Также можно найти

, измеренные потери передачи

примерно такие же, как при моделировании, что составляет –

1,2259 дБ. Сравнивая полученные результаты, можно сделать вывод, что

оба результата являются приемлемыми, поскольку в данном исследовании было достигнуто минимальное требование

.

4. Выводы

Интеграция схемы переключения PIN-диодов с матрицей Батлера

была успешно спроектирована и смоделирована в этой статье.Схема переключения PIN-диодов

подтверждена в рабочем состоянии, с достаточной величиной возвратных потерь

и характеристикой излучения. Предлагаемая конструкция схемы переключения диодов PIN

обеспечивает наилучшие обратные потери на желаемой частоте

2,45 ГГц. Хотя результаты измерения

вызывают сдвиг частоты в некоторых случаях

, диапазон рабочих частот все еще находится в диапазоне

беспроводной связи. Установлено, что схема переключения матричного PIN-диода

может нормально работать с матрицей Butler

, и полученные результаты показывают, что диаграмма излучения

каждого выхода интегрированной матрицы Батлера с коммутационной схемой

PIN-диода приблизительно равна тот же

с теорией диаграммы направленности матрицы Батлера.

Благодарность

Авторы хотели бы поблагодарить Wireless

Communication Center (WCC), Fakulti Kejuruteraan

Elektrik, Universiti Teknologi Malaysia, Малайзия за

, предоставляющие все возможности.

Ссылки

[1] Б. Доэрти, Основы ПИН-диодов, MicroNote

Series 701, 1 (2006).

[2] Синго Танака, Сатору Хориучи, Цунето Кимура,

Ясунори Ацуми, IEEE Transactions on Microwave

Theory and Techniques 54, 1561 (2006).

[3] С. Танака, Т. Кимура, IEEE MTT-S Int. Микроу.

Symp. Коп., 1129 (2004).

[4] К. Д. Кеппке, В. Дж. Перольд, П. В. ван дер Уолт,

IEEE Transactions on Broadcasting 34, 331 (1988).

[5] Czwartacka, A., Stachowski, B., The 12

th

International Conference on Microwaves and Radar

(MIKON’98) 1, 93 (1998).

[6] Цян Чен, Макото Курахаши, Кунио Савая,

Тематическая конференция IEEE по беспроводным технологиям

Коммуникационные технологии, 148 (2003).

[7] Т. Аль-Мазнаи, Х. Э. Абд-Эль-Рауф, Progress In

Electromagnetics Research C 6, 145 (2009).

[8] Дж. Монти, Л. Корчиа, Л. Тарриконе, Progress In

Electromagnetics Research C 9, 13 (2009).

[9] М. Ф. Ямлос, О. А. Азиз, Т. А. Рахман, М. Р.

Камарудин, П. Саад, М. Т. Али, М. Н. Мд Тан,

Журнал электромагнитных волн и приложений

24, 1079 (2010).

[10] М. С. Хашми, З. С. Рогожан, Ф. М. Ганнучи,

Progress In Electromagnetics Research C 13,

1 (2010).

[11] М. С. Хашми, З. С. Рогоян, С. Р. Назифи, Ф. М.

Ганнуши, Прогресс в исследованиях в области электромагнетизма

C 13, 121 (2010).

[12] Ахмед Хидре, Адель Абдель Рахман, Хала Эльсадек,

Аббас Омар, Хани Рагай, Microwave and Optical

Technology Letters 52, 2076 (2010).

[13] М. Ф. Ямлос, Т. А. Рахман, М. Р. Камарудин, М. Т.

Али, М. Н. Мд Тан, П. Саад, Progress In

Труды симпозиума по исследованиям в области электромагнетизма,

Сиань, Китай, 573 (2010).

[14] Ангус К. К. Мак, Корбетт Р. Роуэлл, Росс Д. Марч,

IEEE Transactions on Antennas and Propagation 57,

3051 (2009).