Анализ стробоскопического преобразователя частоты

Д.В.Федосов, Омский Государственный Технический Университет, кафедра радиоэлектроникии техники СВЧ 

Стробоскопическое преобразование сигналов широко применяется в экспериментальной физике, осциллографии для исследования переходных процессов в полупроводниковых приборах. Хорошо известен анализ кольцевого диодного стробпреобразователя, выполненный Н.С.Жилиным и В.А.Майстренко [1]. В основу этого анализа положена безынерционная эквивалентная схема полупроводникового диода, учитывающая лишь активное сопротивление базы p-n перехода. В рамках этой статьи будет предложен анализ стробпреобразователя с учетом инерционности полупроводникового диода, сделан выбор эквивалентной схемы диода, наиболее физически правильно отражающей переходные процессы, рассмотрена математическая модель и выполнен краткий анализ нелинейности выходного сигнала стробпреобразователя без обратной связи в диапазоне 10 Мгц-3 Ггц, а также представлен метод уменьшения уровня нелинейности.

1. Эквивалентная схема диода

Взяв за основу эквивалентную схему биполярного транзистора, предложенную Буфуа и Спарксом [2], преобразуем ее в эквивалентную схему полупроводникового диода (рис.1).

В отличие от других эквивалентных схем, в данной вместо диффузионной и барьерной емкости вводится накопитель заряда S. Это более правильно, чем введение формальных емкостей, так как накопитель заряда отражает наиболее точно физический процесс накопления и рассасывания неосновных носителей заряда в базе диода.

Рис. 1.

Эквивалентная схема инерционного диода состоит из безынерционного диода, включенного параллельно с накопителем положительного заряда S, сопротивления базы диода Rд, индуктивности диода (индуктивность контактной пружины) Lд и емкости корпуса диода Cд.

Ток безынерционного диода ip и накопителя заряда ik связаны соотношением (1). Все свойства накопителя заряда S определяются временем рассасывания неосновных носителей заряда tд - постоянной времени диода.

Примем вольтамперную характеристику p-n перехода диода в следующем виде:

где iобр - обратный ток диода; - показатель экспоненты; U - напряжение на p-n переходе.

Выражение для токов диода при подключении к диоду источника сигнала с сопротивлением rс следующее:

2. Математическая модель кольцевого стробоскопического преобразователя частоты

Напряжение на выходе преобразователя без учета влияния сопротивления нагрузки Rн определяется формулой (5):

ID1 - ток диода D1; ID2 - ток диода D2.