Kunsten å bruke P.I.N. dioden som frekvensmultiplikator.

Transkript

1 Kunsten å bruke P.I.N. dioden som frekvensmultiplikator. Versjon6.0 PIN diodens oppbyggning PIN (P lag, I lag og N lag) dioden er en meget universal komponent. Den produseres i en mengde forskjellige kapslinger som glass(fig 1), keramikk, plastikk (fig 2) og metall. Den har mange bruksområder innen elektronikken fra likestrøm til mikrobølge område og brukes til likeretning, signal deteksjon, frekvensblanding, RF switching, signaldempning, modulatorer, med mer. Pin dioden kan blant annet brukes som frekvensdobbler eller tripler. PIN dioder er strømstyrt i motsetting til en varaktor dioder som er spenningsstyrt. Så nå går vi igjennom litt halvleder teori: Silisium er i dag det viktigste halvledermaterialet. Konduktiviteten til silisium kan økes ved tilsetting av fremmedatomer. Disse erstatter silisiumatomene på noen steder på krystallenflaten. Dette kalles for doping. Dioden består av et grensesjikt av silikonkrystall (Intrinsic) hvor krystallendeflatene er dopet forskjellig. Den ene siden kalles for P+ lag som er dopet med positive ladningsbærer( hull ),mens den andre siden (N+) har et overskudd av negative ladningsbærere(elektroner). Fig 1). Her ser en at dioden består av tilkoblingsblokker, P+, I og N+ lag og et glass hus.

2 Kobles dioden til en spenningskilde slik at p+ siden (anoden) blir positiv i forhold til n+ siden (katoden) vil den kunne lede strøm i lederetning. Bytter vi om slik at p+ siden blir negativ i forhold til n+ siden vil dioden nesten sperre for strømgjennomgang. Dioden slipper RF gjennom dersom den har nok hvilestrøm i lederetning. Dette kalles for fremadrettet hvilstrøm. Dersom vi snur retningen på hvilestrømmen har vi revers hvilestrøm og dioden vil delvis eller helt stenge av for RF. Ledeevnen eller sperreevnen er avhengig av poloraritet og strømstyrken som vi lar flyte gjennom dioden. I fremover rettet hvilstrøm stilling kan vi kalle dioden for en slags strømstyrt motstand. PIN dioder kan i så måte brukes som en justerbar attenuator eller modulator for RF! Fig 2. Her ser en de forskjellige diode typene. Fig 3 Gunstig antiparalell diode pakke i SOT-23 utførelse I et nummer av Bullen i fjor, beskrev jeg en krystall oscillator med diode multiplikator for å generer harmoniske til langt opp i mikrobølge området. Men det finnes mange måter å bruke dioden til å produsere ønsket frekvenser. John Fielding ZS5JF, har beskrevet en del forskjellige måter tidligere (1) med serie koblete dioder med og uten ekstern bias. Imidlertid så skal vi i denne artikkelen prøve ut parallelle shunt koblinger.

3 Fig 4 :Shunt diode multiplikator m/bias motstand Fig 5: Anti parallell diode shunt. Ovenfor i fig 4,ser du en typiske enkel diode shunt og i fig 5 en antiparallell shunt diode multiplikator. Her er dioden vanligvis en rask (og kostbar) diode som Schottky eller Hot Carrier for å kunne da disse har en bratt/steil flanke, noe som er gunstig for generering av harmoniske, men PIN dioder som 1N4148 eller 1N914 skal vist nok også vil virke bra, som du snart vil få se. Motstanden i første bilde er for at dioden skal kunne føre en bias diodestrøm, dersom det er en kondensator foran i inngangen og bakenfor i utgangen. Du kan se virkningen av HP sine HSMP-3820 PIN dioder s harmoniske i fig 6. Test oppsett: Fig 6 HP diode diagramer for HSMP-3822 Fig 7 test oppsett Jeg brukte en HP 8640B signalgenerator innstilt på 100 MHz (+13 dbm@50ω) signal ut som signalkilde. For å avlese resultatene brukte jeg en HP 8565A 22GHz spektrumsanalysator. Diodene var vanlige PIN type 1N4148 eller 1N914 weak signal eller RF switch dioder, BAV-99

4 (dobbel antiparallell dioder) og en Schottky steprecovery type 1N5711. Men prøv gjerne andre sorter selv. Basismotstanden er 50Ω inngangsmotstanden i spektrumsanalysatoren. I følge databladet til Agilent Technologies (2) går det an å bruke HSMP-3822 SMD diode par i antiparallell kobling for å favorisere oddetalls harmoniske(f3,f5,f7,f9 osv). Slike overflatedioder er montert på en felles silikon skive og vil da være nokså symmetrisk tilpasset til hverandre i felles innpakning, noe som er bra på mikrobølge frekvenser, der unøyaktigheter vil resultere i mye tap og dårlig undertrykking av uønskede harmoniske. La oss nå se om dette stemmer i praksis. fig MHz signal på -13dBm fra en signal generator uten diode I fig 8 ser du et 100MHz signal på +13dBm (20mW) ut i fra en HP 8640B signal generator. Du vil se i fig 9 at det er nå koblet en enkel diode mellom signalkabelens senterleder og jord (1N4148 med korte som mulig loddeben <2mm). Det er ikke brukt noen form for tilpasnings filter, verken på inngang eller utgang. Bias får diodene via 50Ω impedansmotstanden i spektrumsanalysatorens inngang, ellers kunne du bruke en chip motstand på 50 til 680 Ohm. Vi ser nå at mange harmoniske overtoner har dukket opp. Så, i fig 10 har jeg nå koblet på enda en diode til, men motsatt vei(antiparallell). Måleresultatene mine stemmer forbausende bra på HP sine målinger i fig 6. Det spiller ingen rolle om det er diodens katode eller anode som jordes. Dioden blir ikke tilført noe hvilestrøm eksternt, så en trenger ca. 10 til 13dBm (10-20 milliwatt) effekt for å generere nok internt RF strøm for at dioden skal lede.

5 Fig 9: Enkel diode shunt (1N4148 eller 1N914) I fig 10 ser vi at odde talls harmoniske er sterkere enn før, mens styrken for partall harmoniske er sunket med mer enn 40dB. Her har oddetalls harmoniske har fått sin energi på bekostning av partalls harmoniske! Fig 10 Oddetall harmoniske er favorisert med antiparallell diode shunt (2X 1N4148) De med skarpe øyner vil se at de dempete partalls signalene er noe større på mitt forsøk (fig 10) i forhold til HP(fig 6). Grunnen til dette vil jeg anta er ubalanse mellom de dioder som jeg brukte. De var ikke matchede par, men tilfeldig valgt ut fra min junk boks eller rotekasse. Dersom en bruker antiparallell dioder fra små SMD pakker SOT-23 beregnet til overflate montering, vil en kunne forvente bra samsvar mellom diodene i en og samme pakke. Det er nettopp denne konstruksjonsmessige symmetrien i diodepakken og svært korte ben som skaper en fin balanseforhold som skal balansere ut partalls harmoniske. Fig 11 viser en BAV-99 diodepakke som testes. Igjen så er det ingen filter på oppkoblingen. Signalene synker med omtrent 5dB for hver trippling etter tredje harmoniske. Slett ikke verst! Hvorfor 200 MHz og 400 MHz harmoniske ikke er

6 like godt undertrykt (bare 8dB mer) forundrer meg! Det kan tenkes det grunner i en eller annen form for selvresonans i koaksialkabel skjermskjøtene ved dioden. Men så er alle de andre partalls harmoniske forsvunnet helt ut av bildet (dvs de ligger under -70dBm ). Fig 11. Her ser du bedre undertrykelse av partalls harmoniske med BAV-99 Så kom testen til den spesial ny innkjøpte 1N5711 dioden. Stor var forventningen til disse raske dioder. Men som dere ser i fig 12, så faller de i gjennom. Både 1N914, 1N4148 og BAV-99 er bedre både på heltall og oddetals harmoniske. Fig 12 Enkel diode shunt (1N5711)

7 10ende harmonisk på 1GHz er faktisk 20 db svakere med denne dioden! Og harmoniske over 2GHz ikke eksiterende. Overraskende resultat må jeg si! Så i fig 13 er det samme diodetypen men nå i antiparallell kobling. Igjen ikke noe spesielt gode resultater. Fig 13 Dobbelt diode antiparallell shunt (2x 1N5711) Mikrobølgesignal ved hjelp av diode frekvensmultiplikasjon: I fig 10 ser dere et eksempel på en LO kjede ved hjelp av diode multiplikatorer og noen MMIC forsterkere. Grunnfrekvensen er 120MHz (for eks. et 120MHZ krystall oscillator) og ut frekvensen er 5,4GHz. Jeg vil nok anbefale en TOKO helical filter etter hver multiplisering.. Fig 14 Blokk skjema på en frekvens multiplikator som omvandler 120MHz til 5,4GHz Det å lage harmoniske fra en lavere frekvens er veldig enkel, så sant du har et signalnivå på +10dBm til +16dBm(10mW til ca 40mW) til å starte med. Under dette drive nivået avtar styrken på de harmoniske drastisk. Det er derfor nødvendig med mellomsteg forsterkere ved bruk av flere multiplikator trinn i serie. I fig 14 ser vi nettopp dette.for hver diode multiplikator er signal nivået forsterket opp til ca +12dBm for å sikre best resultat.

8 Fig 15 Forslag til impedans tilpasnings filter. Filteret i fig 11 ser gjerne en 42nH eller 100nH drossel parallelt over diodene (dette sikrer også diodestrøm ved kapasitivt kobling). Mrk: Jeg har kjørt testen her helt uten noen form for tilpassning eller filter av noen slag og har ikke merket noen ulemper av den grunn. Bias strøm er muliggjort takket være den innebygget 50Ω dempeleddet i signalgeneratoren og spektrumsanalysatoren.. Konklusjon. Etter å ha prøvet ut flere typer dioder og sett forskjellen mellom de, er jeg kommet frem til at det beste typen er faktisk de billig 1N914 eller 1N4148 typen. Har en behov for ekstra undertrykelse av partalls harmoniske ved frekvensmultiplisering, vil jeg anbefale BAV-99 antiparallell løsningen. Noen av de høyeste frekvenser fikk noe signalfall grunnet tap i koakskabelen (RG-316 dobbeltskjermet), men lengdene jeg brukte var korte (under 30 cm hver) og det ble benyttet SMA koaksplugger i begge ender. Return loss målinger ble ikke foretatt. Lineæritets målinger ble heller ikke foretatt. kilder: (1) VHF Communications, 3/2006. John Fielding (2) Low Cost Frequency Multipliers Using Surface Mount Diodes. App note 1054 (3) The PIN diode circuit designers handbook, Microsemi-Watertown 1998 (4) Transistor Pulsteknikk, Teknologisk forlag, Oslo, 1970 (5) Two-diode Odd-Order Frequency Multipliers, Wenzel Associates, Inc, July, 2007 ( (6) Dioder og Transistorer, fys 2150:øvelse 7, Fysisk institutt, Universitetet I Oslo.