Pomiary mikrofalowych diod detekcyjnych

Pomiary mikrofalowych diod detekcyjnych

Wydział Elektroniki
Mikrosystemów i Fotoniki
Politechniki Wrocławskiej
STUDIA DZIENNE
LABORATORIUM
PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH
Ćwiczenie nr 8
Pomiary mikrofalowych diod Schottky’ego
Wykonując pomiary PRZESTRZEGAJ
przepisów BHP związanych z obsługą
urządzeń elektrycznych.
Uszkodzenia bądź nieprawidłowości w
funkcjonowaniu urządzeń
ZGŁOŚ
prowadzącemu
zajęcia. Urządzenia
uszkodzone ODSTAW w miejsce z opisem
„Urządzenia uszkodzone”
Po wykonaniu pomiarów:
ROZŁĄCZ układy pomiarowe.
WYŁĄCZ zasilanie urządzeń i stołu,
UŁÓŻ przewody w uchwytach,
ODSTAW urządzenia przestawione
z innych stanowisk na ich pierwotne
miejsce.
Wrocław 2002
Laboratorium Przyrządów Półprzewodnikowych
Ćwiczenie nr 8
Pomiary mikrofalowych diod Schottky’ego
1. Cel ćwiczenia
Badanie zastosowania diody Schottky’ego w zakresie b.w.cz. – układ detektora.
Wyznaczenie rezystancji dynamicznej diody oraz czułości napięciowej detekcji w zależności
od polaryzacji diody.
2. Zagadnienia do przygotowania
•
Budowa i zasada działania diody Schottky’ego
•
Charakterystyka prądowo-napięciowa diody p-n i diody Schottky
•
Modele zastępcze diody dla m.cz i b.w.cz.
•
Rezystancja dynamiczna złącza p-n i złącza Schottky (wzór, zależność od prądu i napięcia
polaryzacji złącza)
•
Budowa mikrofalowych układów scalonych (hybrydowe MUS)
•
Wartości średnie, skuteczne, amplitudy napięcia; zależności pomiędzy nimi. Wartości
sygnałów napięcia i mocy wyrażone w dB
•
Praca diody w układzie detektora.
3.Literatura
Wykład
Galwas B., Miernictwo mikrofalowe, WKiŁ, 1985
Rosiński W., Sędek E., Wroński Z. Mikrofalowa elektronika półprzewodnikowa, PWN, 1982
Marciniak W., Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone, WNT, 1995
4. Wstęp
Detekcja to proces odzyskiwania sygnału małej częstotliwości, którym zmodulowany jest
sygnał o częstotliwości nośnej, wielkiej częstotliwości. Mówimy o detekcji (rzadziej:
detekowaniu)
sygnału,
który
zawiera
pewną
informację.
W
przypadku
sygnału
mikrofalowego, detektor często używany jest jako miernik mocy sygnału b.w.cz. W naszym
przypadku częstotliwość sygnału nośnego to 3 GHz (pasmo mikrofalowe S), natomiast sygnał
użyteczny o przebiegu prostokątnym (współczynnik wypełnienia 0,5) ma częstotliwość 1kHz.
Proces detekcji zachodzi dzięki nieliniowej charakterystyce I-U diody spolaryzowanej w
kierunku przewodzenia. Jako detektory mogą być stosowane diody ze złączem p-n, diody
ostrzowe i diody Schottky’ego (zastanów się, które są lepsze w zakresie b.w.cz. i dlaczego?).
Przypomnijmy najważniejsze wiadomości o pracy diody dla sygnałów zmiennych
(podstawowe wiadomości: budowa, zasada działania złącza metal-półprzewodnik muszą być
znane - wykład). Dla małych sygnałów zmiennych diodę można przedstawić za pomocą
układu zastępczego (Rys.1). Elementy rd oraz Ci zależą od polaryzacji diody.
Rys.1 Schematy zastępcze diody Schottky’ego: a) dla b.w.cz.; b) dla m.cz;
Dla analizy b.w.cz. schemat ten jest rozbudowany i zawiera również elementy wnoszone
przez obudowę i doprowadzenia, Cob, Ldop, (Rys.1a). W naszym układzie detektora, dioda
występuje w obudowie typu SMD (mikrooprawka do montażu powierzchniowego) lub może
być zamontowana jako „chip” z doprowadzeniem zgrzewanym drutem o średnicy 25-50µm
(taki drut o długości ok.1mm może wnosić indukcyjność Ldop =0,5 nH, co dla częstotliwości
f =3 GHz stanowi już znaczącą impedancję, 2πfLdop ≅ 10 Ω). Dla analizy w zakresie małych
częstotliwości, schemat zastępczy diody znacznie się upraszcza (Rys.1b). Istotne jest, że
wartość rezystancji dynamicznej diody zależy od punktu pracy (polaryzacji diody) i dominuje
wobec Rs (typowo Rs <10Ω), praktycznie aż do wartości prądu polaryzacji, Id =0,5 mA, co
jasno wynika z poniższego wzoru.
Wzór na rezystancję dynamiczną diody jest bardzo prosty:
rd =
n kT
q Id
rd [ Ω ] =
n 26[mV]
I d [mA]
dla T = 300 K
gdzie: n - współczynnik doskonałości złącza
Id – prąd polaryzujący diodę (pkt. pracy)
Tutaj należy przypomnieć sobie sposób wyprowadzenia powyższej zależności z równania
Shockley’a dla złącza p-n. Analogiczne jest wyprowadzenie dla charakterystyki I-U złącza
metal-półprzewodnik.
W ćwiczeniu zastosowana jest krzemowa dioda Schottky’ego w układzie detektora
wykonanego techniką hybrydowego mikrofalowego układu scalonego (HMUS). Podłoże
takiego układu wykonane jest z izolatora o ściśle określonej wartości względnej
przenikalności dielektrycznej, εr (ceramika, teflon, laminat). Sygnał mikrofalowy prowadzony
jest w postaci pola elektromagnetycznego propagowanego w podłożu pomiędzy górną ścieżką
przewodzącą a dolną elektrodą (ziemia) nałożoną na spodnią stronę podłoża (Rys.2). Jest to,
jeden z rodzajów prowadnicy falowej, tzw. niesymetryczna linia paskowa (NLP), inaczej linia
mikropaskowa, szeroko stosowana w technice mikrofalowej.
Rys.2 Przekrój poprzeczny płytki HMUS z linią mikropaskową.
Efektywna długość fali, λ sygnału prowadzonego w układzie NLP jest mniejsza niż długość
fali w próżni (powietrzu, εr =1) i wynosi:
λ = λo /√εr
Przykład:
λo = 10 cm
dla częstotliwości f = 3 GHz
podłoże – ceramika Al2O3
εr =9,8
λ = 3,2 cm
podłoże – laminat
εr =3
λ = 5,7 cm
W miarę wzrostu częstotliwości sygnału efektywna długość fali staje się porównywalna z
wymiarami elementów układu mikrofalowego (np. f =30GHz –pasmo K, λ <1cm). Wówczas
należy stosować inne podejście do analizy układowej (modele z elementami o stałych
rozłożonych). Dotyczy to szczególnie linii mikropaskowych. Za pomocą odpowiedniego
kształtu ścieżki można zrealizować szereg elementów biernych jak: pojemności,
indukcyjności, sprzęgacze, zwarcia, transformatory impedancji, rezonatory (występuje w
naszym układzie) itp. Ważną wielkością charakterystyczną jest impedancja falowa, Zo linii
paskowej. Jej wielkość wynika ze stosunku szerokości ścieżki przewodzącej, w do grubości, h
stosowanego podłoża.
dla εr =parametr
Zo =f(w/h)
W układach mikrofalowych standardowo przyjęto wartość impedancji falowej Zo = 50 Ω.
(stąd generatory i mierniki na zakres b.w.cz. mają najczęściej impedancje wyjściowe lub
wejściowe równe właśnie 50 Ω). Dla podłoża o względnej przenikalności dielektrycznej εr =3
taką impedancję realizuje geometria NLP w/h ≅ 2.
Zwiększenie impedancji uzyska się poprzez zmniejszenie tego stosunku ( np.: w/h ≅ 0,2 daje
Z≅300 Ω). W ten sposób są wykonane elementy reprezentujące indukcyjności w naszym
układzie.
Przykładowe parametry mikrofalowej diody Schottky’ego podano w tabelach niżej:
Parametry dopuszczalne:
URmax [V]
IFmax [mA]
Pimax [mW]
3
25
75
Parametry charakterystyczne:
Cimax [pF]
RSmax [Ω]
Cob [pF]
Ldop [nH]
0,2
10
0,01
0,1
Czułość napięciowa detektora, gp (w zależności od pkt. pracy diody) 0,5 - 10 mV/mW
Układ detektora mikrofalowego
Układ pomiarowy detektora przedstawia Rys.3.
Rys.3 Układ pomiarowy detektora (a) oraz rzeczywisty wygląd płytki HMUS (b).
Generator mikrofalowy o impedancji wyjściowej 50Ω podłączony jest do wejścia detektora.
Do wyjścia detektora podłączona jest rezystancja obciążenia RL. Zasilacz z rezystorem R1
umożliwiają polaryzację stałoprądową diody. Oscyloskop i woltomierz selektywny pozwalają
na obserwację i pomiar sygnały wyjściowego m.cz.
Dla zrozumienia zasady działania detektora ważna jest dokładna analiza obwodu. W
przedstawionym układzie płyną trzy składowe prądu:
•
Składowa stała płynie w obwodzie: zasilacz, miliamperomierz, rezystor R1, induktor L2,
dioda, induktor L1,
•
Składowa b.w.cz zamyka się w obwodzie: generator mikrofalowy, dioda, kondensator C1
•
Składowa m.cz. zamyka się w obwodzie: induktor L1, dioda, induktor L2, kondensator
C2, rezystor RL
Zasadę pracy detektora wyjaśnia rysunek Rys.4. Dioda Schottky’ego spolaryzowana jest
stałym prądem ustalającym punkt pracy (Id,, Ud). Na wejście detektora doprowadzony jest
sinusoidalny
sygnał
b.w.cz.
modulowany
prostokątnym
przebiegiem
m.cz..
Siła
elektromotoryczna generatora b.w.cz., EG poprzez rezystancję wewnętrzną RG wymusza
zmiany prądu diody. Chwilowa wartość prądu diody wynika z przecięcia jej charakterystyki z
przesuwającą się wokół punktu pracy prostą obciążenia RG=50Ω. Na skutek silnej
nieliniowości charakterystyki I-U przebieg prądu diody jest zniekształcony. Dodatnie
półokresy mają większa amplitudę niż ujemne. Składowa m.cz. prądu diody, Idmcz jest
uśrednioną wartością i odtwarza sygnał modulujący. Prąd ten, przepływając przez równolegle
połączone obciążenie (RL) i rezystancję wewnętrzną detektora (Rdmcz. = rd + RS), wytwarza
obserwowane napięcie wyjściowe, U mcz (patrz Rys.5).
Rys.4 Analiza pracy detektora .
Podstawowym parametrem detektora jest czułość napięciowa gp. definiowana jako stosunek
napięcia wyjściowego, U mcz. do mocy mikrofalowej Pi=EG2/(4RG) doprowadzonej do wejścia
gp= Umcz./Pi [ mV/mW ]
Wartość gp silnie zależy od punktu pracy diody i charakterystyka gp=f(Id) posiada maksimum
w zakresie średnich wartości prądów polaryzacji. Występowanie maksimum można
wytłumaczyć w następujący sposób. Przy zmniejszaniu prądu diody następuje wzrost
rezystancji dynamicznej, która zaczyna być bocznikowana przez reaktancją pojemności
złączowej. Natomiast przy dużych prądach polaryzacji rezystancja dynamiczna jest mała i
porównywalna z rezystancją generatora RG. W tej sytuacji prąd diody ograniczony jest RG a
nie przebiegiem charakterystyki I-U diody.
Należy zwrócić uwagę, że wartość napięcia wyjściowego detektora jest proporcjonalna do
mocy sygnału wejściowego b.w.cz., czyli do kwadratu amplitudy jego napięcia . Dlatego taki
detektor nazywamy kwadratującym i wykorzystujemy do pomiaru mocy sygnału
mikrofalowego.
Układ detektora dla małych sygnałów możemy rozpatrywać jako czwórnik (Rys.5).
Rys.5 Układ detektora w postaci czwórnika dla małych sygnałów.
Proces detekcji sygnału zależy od warunków dopasowania czwórnika na wejściu i wyjściu.
Od strony wejścia detektor widziany jest jako zespolona impedancja czwórnika w skład której
wchodzi model zastępczy diody dla b.w.cz. Ze względu na złożoność zagadnienia
dopasowania dla sygnału mikrofalowego ograniczymy się tutaj do analizy warunku
dopasowania impedancyjnego na wyjściu. Impedancja widziana od strony wyjścia czwórnika
(Rdmcz) wynika przede wszystkim z modelu zastępczego diody. Sygnałem wyjściowym jest
sygnał m.cz. (1kHz) w związku z czym schemat zastępczy diody upraszcza się do
szeregowego połączenia jej rezystancji dynamicznej (zależnej od punktu pracy) i rezystancji
szeregowej.
Warunek dopasowania wymaga podłączenia rezystancji obciążenia, RL o wartości równej
Rdmcz. Ze schematu przedstawionego na Rys.5 wynika metoda wyznaczania wartości Rdmcz.
Jeżeli RL = Rdmcz. to Umcz =0.5 Umcz | RL=∞ .
Praktycznie wystarczy ustawić wartość obciążenia RL ≥ 10 kΩ, odczytać wartość napięcia
wyjściowego, Umcz , następnie zmniejszać RL aż mierzone napięcie wyjściowe będzie 2 razy
mniejsze. Wówczas odczytujemy wartość RL = Rdmcz
5. Przebieg pomiarów
Przygotowanie układu pomiarowego:
1. Połączyć układ pomiarowy zgodnie ze schematem (Rys.3).
2. Ustawić parametry generatora mikrofalowego:
częstotliwość f=3GHz
tłumienie mocy sygnału wyjściowego (1W) - 40dB, czyli Pi = 100µW
prostokątny sygnał modulujący
3. Ustawić rezystancję obciążenia RL≥10 kΩ
4. Ustawić częstotliwość miliwoltomierza selektywnego równą częstotliwości modulacji
(1kHz)
5. Ustawić zerowe napięcie zasilacza polaryzacji detektora.
6. Włączyć generator, przyrządy pomiarowe i zasilacz.
7. Ustawić natężenie prądu polaryzacji diody detekcyjnej w granicach 0.1mA<Id<1mA
Na
oscyloskopie
powinniśmy
zaobserwować
przebieg
prostokątnego
napięcia
wyjściowego m.cz. detektora. Sprawdzić jego częstotliwość. Ponieważ na sygnał m.cz.
może być nałożony znaczny szum do pomiaru napięcia wyjściowego używamy woltomierz
selektywnego.
Woltomierz
selektywny
wskazuje
wartość
skuteczną
pierwszej
harmonicznej prostokątnego sygnału m.cz. wycinając wyższe harmoniczne w tym szumy.
Napięcie wskazywane przez woltomierz selektywny przyjmujemy jako wartość
wyjściowego sygnału m.cz. detektora, Umcz .
Przeprowadzenie pomiarów i prezentacja wyników:
1. Zmieniając natężenie prądu polaryzacji diody, Id w zakresie od 10µA do 1mA (5 punktów
na dekadę, tzn.: 10,20,30,50,70,100 itd.) mierzymy w każdym punkcie pracy:
•
Stałe napięcie polaryzacji diody Ud
•
Wyjściową rezystancję wewnętrzną detektora Rdmcz (zgodnie z metodą opisaną w
Rozdziale 4)
•
Wartość sygnału wyjściowego, Umcz detektora, dla wyznaczonej RL= Rdmcz
Id
uA
Ud
mV
Rdmcz
Ω
Umcz
mV
R*dmcz
Ω
gp
mV/mW
10
20
30
50
70
100
200
....
...
....
....
2. Rysujemy charakterystykę Id=f(Ud) diody w układzie lin-lin oraz logI-U. Z charakterystyki
można oszacować wartość współczynnika n (gdy I2/I1=10, a U2-U1=s 60mV, to n=s )
3. Obliczamy teoretyczną wartość rezystancji dynamicznej diody, rd dla każdego punktu
pomiarowego prądu Id i wyznaczamy teoretyczną wartość R*dmcz = rd + RS ( przyjmujemy
n =wartość obliczona oraz RS obliczone z wykresu logI-U, ewentualnie RS = RSmax =10Ω)
4. Na jednym wykresie (lin-log) rysujemy zależności
Rdmcz=f(Id) oraz R*dmcz= f(Id) i
porównujemy ich przebieg (do zastanowienia: jak zmieni się przebieg R*dmcz dla innych
od przyjętych wartości n oraz RS)
5 Dla każdego punktu pomiarowego obliczamy czułość napięciową detektora gp=Umcz/Pi
przy RL=Rdmcz.
Rysujemy charakterystykę gp=f(Id); (lin-log) znajdujemy maksymalną wartość czułości
napięciowej oraz odpowiadający optymalny prąd polaryzacji diody Idopt
6. Pomiar liniowości detektora (wyznaczamy zakres Pi, w którym wartość gp jest stała)
Ustawiamy optymalną wartość prądu polaryzacji diody Id=Idopt. i RL=Rdmcz
Zmieniając moc wejściową Pi w zakresie
od –55dB do –25dB mierzymy sygnał
wyjściowy Umcz. Rysujemy charakterystykę Umcz=f(Pi) w układzie: Umcz [mV] skala log i
Pi [dB] skala lin. Określamy liniowy zakres otrzymanej charakterystyki.
Uwaga: Ostatni, szósty punkt wykonujemy w miarę dostępnego czasu (proszę spytać
Prowadzącego zajęcia)