Основные действия защитных устройств

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Способы построения, схемы и характеристики СВЧ монолитных ограничителей мощности

2. Двухкаскадный ограничитель на встречно-параллельных диодах Шоттки X-диапазона

3. Двухкаскадный ограничитель на встречно-параллельных VPIN-диодах

Введение

Во входных каскадах приемных устройств современных радиолокационных станций СВЧ-диапазона часто применяются малошумящие транзисторы, которые весьма чувствительны к воздействию мощного СВЧ-сигнала. В частности, для реализации минимального коэффициента шума полевые транзисторы с барьером Шоттки должны обладать коротким затвором и низкими пробивными напряжениями. Такие транзисторы наиболее подвержены электрическому пробою, поэтому для защиты СВЧ приемных устройств применяют ограничители.

Ограничители, или защитные устройства (ЗУ), предназначены для снижения до безопасного уровня СВЧ-мощности, поступившей на вход приемников, в качестве входных устройств которых используются транзисторные усилители (допустимая средняя мощность около 25 мВт) либо смесители на диодах (допустимая средняя мощность около 300 мВт) .

В настоящей работе выполнен краткий обзор способов построения и схем СВЧ-ограничителей мощности в диапазоне частот до 25 ГГц, в том числе изготавливаемых на основе GaAs монолитной технологии. Целью обзора являлся выбор вариантов построения ЗУ при разработке СВЧ-приемников Х-диапазона в монолитном исполнении.

Ограничители, или защитные устройства (ЗУ) - устройства, предназначенные для снижения СВЧ-мощности до безопасного уровня, поступившей на вход приемников, в качестве входных устройств которых используются транзисторные усилители, либо смесители на диодах.

Для реализации ЗУ применяются различные по способам построения и области применения защитные устройства:

1) газоразрядные устройства для уровней входной мощности более 10 кВт;

2) ферритовые ограничители для уровней входной мощности более 100 Вт;

3) диодные ограничители для уровней от единиц милливатт до сотен ватт как с внешним управлением, так и самоуправляемые (на основе варакторов, pin-диодов, диодов Шоттки и др.)

По конструктивному признаку ЗУ могут быть реализованы в волноводном, коаксиальном и полосковом исполнении в зависимости от области применения, частотного диапазона и допустимой входной мощности.

Для реализации ЗУ в монолитных интегральных схемах (МИС) и обеспечения высокого быстродействия значительный интерес представляет использование быстродействующих управляющих приборов, таких как pin-диоды и диоды Шотки. Диоды Шотки обладают меньшим пробивным напряжением и меньшей стойкостью к перегреву по сравнению с pin-диодами. Однако они могут быть технологически совместимы с малошумящими транзисторами и просто интегрированы в МИС малошумящих усилителей (МШУ) , в отличие от pin-диодов.

1. Способы построения, схемы и характеристики СВЧ монолитных ограничителей мощности

Наиболее часто используемая схема полупроводникового СВЧ-ограничителя - это схема ЗУ на основе встречно-параллельных диодов. В ней обычно используются pin-диоды либо диоды Шотки.

Простейшая такая схема изображена на рис. 1, а. Она имеет два состояния: состояние пропускания при малой мощности входного сигнала и состояние запирания - при большой мощности. Переход из одного состояния в другое основывается на нелинейных свойствах полупроводниковых диодов и осуществляется с помощью управляющего напряжения, образуемого за счет пришедшей СВЧ-мощности. Встречные диоды ограничивают как положительные, так и отрицательные полуволны сигнала на некотором уровне напряжения (рис. 1, б).

Рис. 1. ЗУ на встречно-параллельных диодах:

2. Двухкаскадный ограничитель на встречно-параллельных диодах Шоттки X-диапазона

Диод Шоттки -- полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении. Назван в честь немецкого физика Вальтера Шоттки. В специальной литературе часто используется более полное название -- Диод с барьером Шоттки (ДШБ).

В диодах Шоттки в качестве барьера Шоттки используется переход металл-полупроводник, в отличие от обычных диодов, где используется p-n переход. Переход металл-полупроводник обладает рядом особенных свойств (отличных от свойств полупроводникового p-n перехода). К ним относятся: пониженное падение напряжения при прямом включении, высокий ток утечки, очень маленький заряд обратного восстановления. Последнее объясняется тем, что по сравнению с обычным p-n переходом у таких диодов отсутствует диффузия, связанная с инжекцией неосновных носителей, т.е. они работают только на основных носителях, а их быстродействие определяется только барьерной емкостью.

Диоды Шоттки изготавливаются обычно на основе кремния (Si) или арсенида галлия (GaAs), реже -- на основе германия (Ge). Выбор металла для контакта с полупроводником определяет многие параметры диода Шоттки. В первую очередь -- это величина контактной разности потенциалов, образующейся на границе металл-полупроводник. При использовании диода Шоттки в качестве детектора она определяет его чувствительность, а при использовании в смесителях -- необходимую мощность гетеродина. Поэтому чаще всего используются металлы Ag, Au, Pt, Pd, W, которые наносятся на полупроводник и дают величину потенциального барьера 0,2...0,9 эВ.

Допустимое обратное напряжение выпускаемых диодов Шоттки ограничено 1200 вольт (CSD05120 и аналоги), на практике большинство диодов Шоттки применяется в низковольтных цепях при обратном напряжении порядка единиц и нескольких десятков вольт.

На рис. 2 представлены принципиальная схема и топология двухкаскадного ограничителя на встречно-параллельных диодах Шотки X-диапазона. Каждый из каскадов представляет собой последовательно-параллельную цепочку из двух диодов, каскады разделены отрезком микрополосковой линии.

Два каскада в ЗУ используются для обеспечения необходимой рассеиваемой мощности в режиме ограничения.

Стоит отметить, что данная схема обладает особенностью: при подаче смещения на одну из пар диодов микросхемы происходит ослабление входного сигнала в зависимости от тока смещения.

На рис. 3 показаны ограничительная характеристика, а также частотные зависимости вносимых потерь при различных токах смещения ЗУ в диапазоне до 12 ГГц.

Вносимые потери в режиме пропускания (при нулевом токе смещения) в основном вызваны потерями полезной мощности сигнала в подводящих и согласующих отрезках микрополосковой линии. На верхних частотах диапазона увеличение потерь вызвано влиянием емкости закрытого диода.

Рис. 3. Ограничительная характеристика (а) и частотные зависимости вносимых потерь при различных токах смещения (б) ЗУ

3. Двухкаскадный ограничитель на встречно-параллельных VPIN-диодах

PIN-диод -- разновидность диода, в котором между областями электронной (n) и дырочной (p) проводимости находится собственный полупроводник (i-область). p и n области как правило легируются сильно, так как они часто используются для омического контакта к металлу.

Широкая нелегированная i-область делает pin-диод плохим выпрямителем (обычное применение для диода), но, с другой стороны, это позволяет использовать его в аттенюаторах (ослабителях сигнала), быстрых переключателях, фотодетекторах, а также в высоковольтной электронике.

Как правило предназначен для работы в сантиметровом диапазоне волн. монолитный ограничитель двухкаскадный диод

Характерные качества pin-диода проявляются при работе в режиме сильной инжекции, когда i-область заполняется носителями заряда из сильнолегированных n+ и p+ областей, к которым прикладывается прямое смещение напряжения. pin-диод функционально можно сравнить с ведром воды с отверстием сбоку: как только ведро наполняется до уровня отверстия, оно начинает протекать. Точно так же и диод начинает пропускать ток, как только заполнится носителями заряда i-область.

Из-за того, что в i-области очень низкая концентрация носителей заряда, там практически отсутствуют процессы рекомбинации во время инжекции. Но в режиме прямого смещения концентрация носителей заряда на несколько порядков превышает собственную концентрацию.

На низких частотах для pin-диода справедливы те же уравнения, что и для обычного. На высоких частотах pin-диод ведёт себя как практически идеальный резистор -- его вольт-амперная характеристика (ВАХ) линейна даже для очень большого значения напряжения. На высоких частотах в i-области находится большое количество накопленного заряда, который позволяет диоду работать. На низких частотах заряд в i-области рекомбинирует и диод выключается.

Реактивное сопротивление обратно пропорционально постоянному току, протекающему через pin-диод. Таким образом, можно варьировать значение сопротивления в широких пределах -- от 0,1 Ом до 10 кОм -- меняя постоянную составляющую тока.

Большая ширина i-области также означает, что pin-диод имеет небольшую ёмкость при обратном смещении.

Области пространственного заряда (ОПЗ) в pin-диоде практически полностью находятся в i-области. По сравнению с обычными, pin-диод имеет значительно бомльшую ОПЗ, границы которой незначительно меняются в зависимости от приложенного обратного напряжения. Таким образом увеличивается объём полупроводника, где могут быть образованы электронно-дырочные пары под воздействием излучения (например, оптического -- фотона). Некоторые фотодетекторы, такие как pin-фотодиоды и фототранзисторы (в которых переход база-коллектор является pin-диодом), используют pin-переход для реализации функции детектирования.

При проектировании pin-диода приходится искать компромисс: с одной стороны, увеличивая величину i-области (а соответственно, и количество накопленного заряда) можно добиться резистивного поведения диода на более низких частотах, но с другой стороны, при этом для рекомбинации заряда и перехода в закрытое состояние потребуется большее время. Поэтому, как правило, pin-диоды каждый раз проектируются под конкретное приложение.

На рис. 4 приведены принципиальная схема и топология двухкаскадного ограничителя на встречно-параллельных vpin-диодах (vertical pin-diode - pin-диод с балочными выводами) в частотном диапазоне 3-25 ГГц.

Рис. 4. Двухкаскадный ограничитель на встречно-параллельных VPIN-диодах: принципиальная схема (а) и топология (б)

На рис. 5 изображены ограничительная характеристика на частоте 10 ГГц, а также частотные зависимости вносимых и обратных потерь ЗУ.

Рис.5 (начало)

Рис. (продолжение) Ограничительная характеристика (а) и частотные зависимости вносимых и обратных потерь (б) ЗУ

Размещено на Allbest.ru