Упрощенная эквивалентная схема диода

Схематический вид статической диодной характеристики (масштабы при положительных и отрицательных V разные)

Статическая диодная характеристика (рис.21.2.6) математически может быть записана в виде:

,

(21.2.1)

где – ток, – напряжение на диоде, – ток обратного насыщения, 25-50 мВ при температуре 290⁰К, – постоянная Больцмана, – диодная температура, – заряд электрона, =1.2 для диода Шоттки, =2 – для точечно-контактного диода.

Разлагая (21.2.1) по степеням отношения , при 50 мВ можно ограничиться квадратичным членом:

.

(21.2.2)

На первый взгляд, при очень малом напряжении можно было бы ограничиться линейным членом, но при переменном напряжении на входе детектора выпрямленный выходной ток в резистивной нагрузке сильно зависит от квадратичного члена в разложении (21.2.2). Действительно, рассмотрим рис. 21.2.7, на котором показана детекторная цепь, состоящая из линии, нагруженной на 50 Ом, диода и -фильтра с детекторным выходом на сопротивлении .

Детекторная цепь

Напряжение на диоде:

;

(21.2.3)

подставляя это выражение в (21.2.2) и усредняя по периоду, находим средний ток в :

.

(21.2.4)

Учитывая, что интеграл от по периоду равен нулю, из (21.2.4) получаем

.

(21.2.5)

Поскольку , из (21.2.5) находим выходное напряжение детектора:

.

(21.2.6)

Уравнение (21.2.6) показывает, что выходное напряжение детектора пропорционально уровню входной радиочастотной мощности [21.10, 21.11]. Для больших входных сигналов детекторная цепь ведет себя как пиковый детектор с емкостью , заряженной до пикового напряжения на каждой прямой половине периода. После сглаживания получается , то есть линейный пиковый детектор. Таким образом, диапазон квадратичного закона детектирования ограничен шумом на своем нижнем пределе и наступлением линейного закона детектирования на своем верхнем пределе.

Верхний рисунок: зависимость выходного напряжения от входной мощности; нижний рисунок: зависимость девиации от квадратичного закона от входной мощности

Рис. 21.2.8 показывает типичную кривую диодного детектирования [21.12], начинающуюся близко к шумовому уровню порядка -70 дБм и продолжающуюся до уровня +20 дБм. В нижней области «квадратичного закона» выходное напряжение диодного детектирования прямо пропорционально входной мощности ( пропорционально ) и поэтому измеряет мощность прямо. Выше -20 дБм диод совершает характерный переход к линейной детекторной функции (переходная зона) ( пропорционально ) и соотношение квадратичного закона уже не верно.

Традиционно диодные мощностные сенсоры специфицировали для измерения мощности в диапазоне от -70 до -20 дБм, делая их преимущественным сенсорным типом для применений, которые требуют высокой чувствительности измерений, подобных верификационным входным уровням в тестах чувствительности приемника. В применениях, которые требуют высокой скорости измерений, диодные сенсоры предпочитают термопарным типам за их более быструю реакцию на изменения входной мощности. Примеры этой высокочувствительной диодной технологии – серия 8480 -адических сенсоров фирмы Аджилент.

Когда необходимо тестирование от -70 дБм до +20 дБм, что становится все более частым случаем, традиционный подход – использовать диодный сенсор для покрытия нижнего конца диапазона, а термопарный сенсор – верхнего конца диапазона. Однако, эта дуальная измерительная конфигурация не отвечает требованию малости тестового времени, особенно если должна достигаться оптимальная точность измерения. Чтобы выполнить эти требования, часто идут по другому пути: расширяют динамический диапазон диодных мощностных сенсоров путем использования корректирующих факторов. Последние выводятся из экспериментов с генератором непрерывных волн разных частот, заносятся в таблицу с двумя входами – частота и мощность, и сохраняются в памяти компьютера. С помощью корректирующих факторов можно компенсировать отклонения детекторной характеристики от квадратичного закона в переходной области (примерно от -29 дБм до 0 дБм) и области линейного детектирования (выше 0 дБм). В применении к единичному сенсору это приводит к возможности точного измерения мощности непрерывной волны и сигналов постоянной амплитуды от -70 дБм до +20 дБм. Этот рецепт расширения динамического диапазона годится для скалярного анализатора цепей, пока и поскольку в нем используются сигналы без модуляции и с периодической модуляцией, но не обязательно годится, если используется непериодическая модуляция и, тем более, сложные виды модуляции, типичные для систем беспроводной связи. В последнем случае корректирующие факторы, установленные в экспериментах с непрерывной волной, могут привести к дополнительным ошибкам, сравнимым с самыми большими ошибками, обусловленными измерительными неопределенностями опорного источника и инструментальными неопределенностями.

Дифференцируя (21.2.1) по (для этого сначала находим , а затем «переворачиваем» дробь) и полагая , получаем начальное сопротивление:

.

(21.2.7)

Если ко входу детектора подключается коаксиальная линия передачи с характеристическим сопротивлением 50 Ом, то было бы идеально, если было равно 50 Ом; тогда детектор был бы согласован с подводящей линией и осуществлял бы максимальное преобразование мощности и имел бы максимальную чувствительность. Однако это невозможно. Действительно, подставляя в (21.2.7) значения и , находим

,

и для того, чтобы было Ом, необходимо, чтобы обратный ток насыщения достигал 0.5 мА. На самом деле, для точечно-контактных диодов, диодов на переходе и на металл-полупроводниковом переходе значения достигают лишь величин 10 мкА, 1 нА, 1 мкА соответственно, а минимальные значения – 2.5 кОм, 25 Мом, 25 кОм. Продолжая рассмотрение вопроса, заметим, что точечно-контактные диоды хрупки, нестабильны и не могут использоваться для нормального точного измерения мощности; остается сравнить диоды на переходе и на металл-полупроводниковом переходе (диоды Шоттки), которые, наоборот, высоко стабильны.