Диоды сверхвысокочастотные: Параметрические диоды

Параметрическими называют диоды, предназначенные для работы в т.н. параметрических усилителях — одной из разновидностей резонансных регенеративных усилителей. Эффект усиления в параметрических усилителях возникает в результате параметрического изменения (накачки) нелинейной емкости \(p\)-\(n\)-перехода диода и проявления у него отрицательного динамического сопротивления. Таким образом, эти диоды являются разновидностью варикапов.

В основе работы параметрических усилителей лежит физический эффект, описываемый уравнениями Мэнли-Роу. Он заключается в том, что при подаче на нелинейную емкость сигналов с двумя различными частотами часть мощности одного из сигналов (сигнала накачки) можно перенаправить для увеличения мощности другого сигнала (или мощности сигнала суммарной/разностной частоты). В качестве элемента содержащего нелинейную емкость выступает параметрический диод.

Работа параметрического диода может происходить во всей линейной области обратной ветви ВАХ (см. рис. 2.8‑3). Начальное напряжение смещения (\(U_{см}\)) задает рабочую точку в середине этой области. Наибольшее распространение в настоящее время получили параметрические диоды из арсенида галлия с переходом Шоттки.

Рис. 2.8-3. Вольт-амперная и вольт-фарадная характеристики параметрического диода

Важным для работы усилителя является режим накачки параметрического диода. В зависимости от соотношения между сопротивлением \(p\)-\(n\)-перехода диода и сопротивлением резонатора в цепи накачки может использоваться накачка напряжением или накачка током. В последнее время преобладающим стал режим токовой накачки, когда обеспечивается подача на диод синусоидального тока. Этот режим позволяет достичь большей глубины модуляции емкости и стабильности усилителя.

К основным специальным параметрам параметрических диодов относят: постоянную времени (\(\tau\)) и критическую частоту (\(f_{кр}\)).

Постоянная времени (\(\tau\)) и критическая частота (\(f_{кр}\)). Глубина модуляции емкости при работе параметрического усилителя характеризуется коэффициентом модуляции. Иногда, для удобства расчетов оперируют не емкостью, а обратной ей величиной, называемой эластансом или электрической жесткостью \(p\)-\(n\)-перехода. Соответственно, вводится и коэффициент модуляции эластанса (\(M\)). Для достижения максимального значения коэффициента модуляции и, как следствие, максимальной полосы пропускания параметрического усилителя важно установить оптимальные значения напряжения смещения и мощности накачки. На практике максимально достижимые значения коэффициента модуляции эластанса лежат в пределах 0,3...0,4.

Мощность накачки (\(P_{нак д}\)), рассеиваемая на сопротивлении потерь диода (\(r_п\)), при условии изменения напряжения накачки на диоде от \(U_{обр max}\) до нуля с частотой \(f_{нак}\). может быть вычислена по формуле:

\(P_{нак д} \approx \pi^2 f^2_{нак} C_0 r_п \cfrac{U^2_{обр max}}{2}\), где \(C_0\) — среднее значение емкости.

Важнейшим параметром, характеризующим частотные свойства параметрического диода является критическая частота: \(f_{кр} = \cfrac{M}{4 \pi r_п C_0}\), где \(M\) — коэффициент модуляции эластанса при накачке синусоидальным током. Величина \(\tau = r_п C_0\) называется постоянной времени параметрического диода. Типичные значения постоянной времени для диодов из арсенида галлия при \(U_{обр} \approx {2 В}\) составляют 0,2...0,6 пс. В самых совершенных приборах миллиметрового диапазона встречаются значения порядка 0,1 пс.