5. Varistoren: Typen, Beschreibung und Funktionen Bipolare Varistoren: PIN-Dioden Funktionsprinzip Anwendungen von PIN-Dioden Schalter Dämpfungsglied, Modulator, Phasenschieber Unipolare Varistoren: Schottky-Dioden Funktionsprinzip Anwendungen von Schottky-Dioden Mischer (abwärts) Impulsgenerator, Frequenzvervielfacher 5. Varistoren Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik www.tu-ilmenau.de/hmt Seit 1961 Schaltungen und Bausteine der HMT Prof. Dr. M. Hein Seite 1 WS 2015/2016 Varistoren Begriff Varistor = variabler Wirkwiderstand (nichtlinearer „Energieverbraucher“) Elemente zur Signalsteuerung und -formung Einsatz komplementär zu Transistoren (bzgl. Frequenz, Leistung, Stabilität) Funktionsprinzip Aussteuerungsabhängiger Wirkwiderstand R(I) oder R(U) Verschiedene Typen: PIN-Dioden, Schottky-Dioden Aussteuerungsbereiche: Sperrbetrieb, Flussbetrieb 5. Varistoren Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik www.tu-ilmenau.de/hmt Seit 1961 Schaltungen und Bausteine der HMT Prof. Dr. M. Hein Seite 2 WS 2015/2016 PIN-Diode p+ n i nn++ SRD Aufbau p/i – Übergang, i – Zone und i/n – Übergang i – Zone: eigenleitend bzw. schwach dotiert (n oder p) Dotierungsprofil ähnlich zu Speicherdiode p-i-n Eigenschaften Sperrbereich (U): Konstante kleine Kapazität, geringe Anschlusswiderstände Große kapazitive Reaktanz (Leerlauf) Flussbereich (I): Große Kapazität (Ladungsspeicherung) parallel zu kleinem Wirkwiderstand Sehr niedrige Impedanz (Kurzschluss) Besondere Eignung als Hochfrequenz-Schalter Weitere Anwendungen: Begrenzer, Abschwächer, Modulator Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik www.tu-ilmenau.de/hmt Seit 1961 Schaltungen und Bausteine der HMT Prof. Dr. M. Hein Seite 3 WS 2015/2016 5. Varistoren PIN-Diode in Sperrrichtung p+ n++ n i Kleinsignal-Ersatzschaltbild N(x) Idealisiertes rechteckförmiges Dotierungsprofil Elektrisches Feld und Sperrschichtweite: -E(x) Rb Cs Cν Rν Rν�1/(ωCν) ω/ωdiel � 1 0 wν x C R 5. Varistoren Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik www.tu-ilmenau.de/hmt Seit 1961 Schaltungen und Bausteine der HMT Prof. Dr. M. Hein Seite 4 WS 2015/2016 PIN-Diode in Flussrichtung KleinsignalErsatzschaltbild Rb Rb ωτ � 1 oder qI0 � kT Ri GD/2 Dynamisches Verhalten CD/2 Ri τ ≈ µs Tiefpass-Charakter Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik www.tu-ilmenau.de/hmt Seit 1961 ωτ � 1: Wechselstromgesteuerte Gleichrichtung ωτ � 1: Gesteuerter Wirkwiderstand (Leitfähigkeitsmodulation) Schaltungen und Bausteine der HMT Prof. Dr. M. Hein Seite 5 WS 2015/2016 5. Varistoren Bemessung von PIN-Dioden Vollständiges ESB Idealer Schalter zwischen Fluss- und Sperrrichtung Rb aussteuerungsabhängig, Rf durch Rb0 begrenzt Lpar Zeitkonstanten Rb Einschalten (in Flussrichtung): Rf Cpar Cs Ausschalten (in Sperrrichtung): Bemessungsregeln i-Zone / Merkmal Cs klein Rf klein schnell Leistung Länge w lang kurz kurz lang Lebensdauer τ --- lang kurz --- Fläche A klein groß klein groß 5. Varistoren Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik www.tu-ilmenau.de/hmt Seit 1961 Schaltungen und Bausteine der HMT Prof. Dr. M. Hein Seite 6 WS 2015/2016 Kommerzielle PIN-Dioden 5. Varistoren Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik www.tu-ilmenau.de/hmt Seit 1961 Schaltungen und Bausteine der HMT Prof. Dr. M. Hein Seite 7 WS 2015/2016 Kommerzielle PIN-Dioden: Kennlinien Diodenkapazität 0.2…0.3 pF Flusswiderstand 0.6…1.5 Ω Ladungsträgerlebensdauer 0.5 µs Weite der i-Zone 10…15 µm Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik www.tu-ilmenau.de/hmt Seit 1961 Schaltungen und Bausteine der HMT Prof. Dr. M. Hein Seite 8 WS 2015/2016 5. Varistoren PIN-Diode als Schalter Schalter: Kernelemente rekonfigurierbarer Systeme Prinzip: Schalten zwischen resistivem KS (s) und kapazitivem LL (o) Vorteile: Höhere Leistungsverträglichkeit und linearere Kennlinie als pnDiode Schneller und verlustärmer als Ferrit-Schalter Prinzipschaltung für einpoligen Schalter SPST: single-pole single-throw (andere: SPDT, SPnT etc.) Reihenschaltung (Schalten zwischen „Ein“ und „Leerlauf“) Parallelschaltung (Schalten zwischen „Kurzschluss“ und „Ein“) 5. Varistoren Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik www.tu-ilmenau.de/hmt Seit 1961 Schaltungen und Bausteine der HMT Prof. Dr. M. Hein Seite 9 WS 2015/2016 HF-Schalter 1 Eigenschaften idealer Schalter Z=1/Y 2 [y] Zweitor-ESB mit y-Parametern Schaltimpedanz ZS Maximal schaltbare Leistung Einpoliger verlustloser Einwegschalter im Transmissionsbetrieb: ro – rs = 1 5. Varistoren Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik www.tu-ilmenau.de/hmt Seit 1961 Schaltungen und Bausteine der HMT Prof. Dr. M. Hein Seite 10 WS 2015/2016 Anpassnetzwerk für idealen Transmissionsschalter Transformiert Strom I auf Ims (“on”, KS) und Spannung U auf Umo (“off”, LL) Prinzipschaltbild und Bemessungsregel (Beispiel) Ideale Übertrager: Anpassung an Generator- und Lastwiderstände X2: Querzeig stromlos für offenen Schalter (“off”) X1: Querzweig spannungslos für geschlossenen Schalter (“on”) Vertiefung: Aufgabe 13 1:ü ü:1 jX1 Z Lpar Z jX2 Übertragungsverhältnis Cs 5. Varistoren Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik www.tu-ilmenau.de/hmt Seit 1961 Schaltungen und Bausteine der HMT Prof. Dr. M. Hein Seite 11 WS 2015/2016 PIN-Dioden-Schalter-IC Projekt: Rekonfigurierbare 4x4 Ka-BandSchaltmatrix für Satellitenanwendungen Breitbandiger SP4T-Serien-Parallel Schalter mit integriertem DCSteuernetzwerk (MA4SW410B-1) DC J2 J3 J4 J1 (common port) J5 S. Humbla, Dissertation 2014 Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik www.tu-ilmenau.de/hmt Seit 1961 5. Varistoren Schaltungen und Bausteine der HMT Prof. Dr. M. Hein Seite 12 WS 2015/2016 PIN-Dioden-Schalter für Phasenschieber jX Reflexions-Phasenschieber Zirkulatorschaltung (seriell oder parallel) 1 4 3 2 Hybridschaltung (z.B. seriell) jX erfordert Paar identischer Dioden TransmissionsPhasenschieber jX L Z Z ZL Vertiefung: Aufgabe 14 Reaktanz x = X/Z0 bestimmt Phasenverschiebung Z jB1 jB2 jB1 jB2 Z 5. Varistoren Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik www.tu-ilmenau.de/hmt Seit 1961 Schaltungen und Bausteine der HMT Prof. Dr. M. Hein Seite 13 WS 2015/2016 PIN-Dioden-Dämpfungsglied: Leistungsbilanz Schaltungseigenschaften Ri Variabler normierter Wirkwiderstand ri = Ri/ZL ZL ⇒ Reflexion und Absorption ⇒ Dämpfungsfaktor a [dB] pin verf /P Leistungsverhältnis P Reflexion U2 ZL U0 Leistungsbilanz Dämpfung U1 30 1 25 0.8 ρ 20 ein 0.6 15 0.4 10 5 0.2 0 -20 0 -15 -10 -5 Dämpfung a [dB] 0 5. Varistoren Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik www.tu-ilmenau.de/hmt Seit 1961 Schaltungen und Bausteine der HMT Prof. Dr. M. Hein Seite 14 WS 2015/2016 Schottky-Diode (Me-S) Ausbildung einer Sperrschicht an Grenzfläche (z.B. n-HL mit Akzeptorzuständen) Majoritätsträger: Strom von S zu Me Me S Ältestes elektronisches Bauelement: Spitzengleichrichter (Braun 1874, Schottky 1938) Unterschiede zu pn-Übergang Keine Ladungsspeicherung/Rekombination Flussrichtung: steiler und bei kleineren Spannungen als bei pn-Diode Sperrrichtung: hohe Isolation (ähnlich abruptem Übergang) Flussrichtung Sperrrichtung Anwendungen (insbes. kleine Leistungen und hohe Frequenzen) Detektor, schneller Schalter, (Abwärts-)Mischer, Gleichrichter, Schutzschaltung, Pegelklemmung, … Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik www.tu-ilmenau.de/hmt Seit 1961 Schaltungen und Bausteine der HMT Prof. Dr. M. Hein Seite 15 WS 2015/2016 5. Varistoren Karl Ferdinand Braun (1850-1918) Lebenslauf („Urvater“ der modernen Kommunikationsgesellschaft) 1850 1868 1869 1877 1880 1918 Geboren am 6.6. in Fulda Studium Marburg: Mathe, Physik, Chemie Wechsel nach Berlin Physikprofessor in Marburg Professor in Strassburg Gestorben 20.4. in Brooklyn/NY Wissenschaftliche Arbeiten Fernsehröhre, Gleichrichter und weltweiter Funkverkehr (Telefunken) 1874: Gleichrichtereffekt an Bleiglanz 1897: Braun‘sche Röhre (Kathodenstrahloszilloskop) 1906: Kristallempfänger 1909: mit Guglielmo Marconi Physik-Nobelpreis Beiträge zur Entwicklung der drahtlosen Telegraphie 5. Varistoren Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik www.tu-ilmenau.de/hmt Seit 1961 Schaltungen und Bausteine der HMT Prof. Dr. M. Hein Seite 16 WS 2015/2016 Walter Schottky (1886-1976) Lebenslauf 1886 Geboren am 23.7. in Zürich 1912 Promotion bei Max Planck, Arbeiten bei Max Wien 1915 Forschungslabor Siemens 1920 Habilitation in Würzburg 1923 Professor für Theoretische Physik Rostock 1976 Gestorben am 4.3. in Forchheim Wissenschaftliche Arbeiten Theorien zu Elektronenröhren, Transistor, Störbandleitung 1916 Erfindung der Tetrode (Schirmgitterröhre) 1918 Entwicklung Superheterodyn-Prinzip 1920 Entdeckung des Schroteffektes 1924 Mikrophone und Lautsprecher 1935 Schottky-Effekt; Namensgeber der Schottky-Diode u.a. 5. Varistoren Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik www.tu-ilmenau.de/hmt Seit 1961 Schaltungen und Bausteine der HMT Prof. Dr. M. Hein Seite 17 WS 2015/2016 Strom-Spannungs-Charakteristik der Schottky-Diode Sperrschichtkapazität Weite der Sperrschicht spannungsabhängig (wie für abrupten pn-Übergang) Ladungstransport Vom Halbleiter ins Metall: ähnlich Glühemission aus Metall (Richardson-Dushman-Formel) Phänomenologisch: Zusammenfassung verschiedener Transportphänomene n = 1 ... 2, I0 nur schwach spannungsabhängig = I(U) I0 (e1/n⋅U/UT − 1) Minoritätsträger insbesondere bei HL mit großer Energielücke irrelevant 5. Varistoren Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik www.tu-ilmenau.de/hmt Seit 1961 Schaltungen und Bausteine der HMT Prof. Dr. M. Hein Seite 18 WS 2015/2016 Schottky-Diode als Varistor Steuerbarer Flusswiderstand r= Nichtlinearer Wechselstromwiderstand dU 1 1 ≈ ⋅ dI 2β0 I Ersatzschaltbild Sperrschichtkapazität relativ klein; rb und c nehmen mit Flussspannung zu Varistoreigenschaften bis zu hohen Frequenzen (500 GHz) Lpar Cpar rb c r 5. Varistoren Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik www.tu-ilmenau.de/hmt Seit 1961 Schaltungen und Bausteine der HMT Prof. Dr. M. Hein Seite 19 WS 2015/2016 Schottky-Varistor als Gleichrichter Prinzip und Ersatzschaltbild Nichtlineare Kennlinie ermöglicht direkte Gleichrichtung L C ebenso Amplituden-Demodulation P Kleinsignalaussteuerung: c, rb ≈ konstant Quadratische Kennlinie rb c HF r Varistor zs, Pr RL DC Leistungsaufteilung (Bahnwiderstand) Stromempfindlichkeit 5. Varistoren Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik www.tu-ilmenau.de/hmt Seit 1961 Schaltungen und Bausteine der HMT Prof. Dr. M. Hein Seite 20 WS 2015/2016 Frequenzpyramide bei Mischung von fs und f0 Strom-Spannungs-Kennlinie des Mischelementes Kombinationsfrequenzen c0 0 f0 f0±fs 2f0 3f0 4f0 2f0±fs 3f0±fs c1 fs 2f0±2fs 2fs f0±2fs c2 c3 3fs f0±3fs 4fs c4 5. Varistoren Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik www.tu-ilmenau.de/hmt Seit 1961 Schaltungen und Bausteine der HMT Prof. Dr. M. Hein Seite 21 WS 2015/2016 Varistoren als Empfangsmischer (Diodenmischer) Aufgabe und Eigenschaften Empfang sehr schwacher Signale (Überlagerungsempfänger) Abstimmbarer Lokaloszillator mit fest abgestimmtem ZF-Verstärker Lineare Amplitudencharakteristik → empfindlicher als Gleichrichter Abwärtsmischung immer mit Varistoren statt Varaktoren (warum?) Vereinfachtes Blockschaltbild 1 ωS RS 3 ωs-ω 2 2ω-ωs RB R(U) RZ R(U): „gepumpte“ Widerstandsänderung bei ω Lineare Antwort bei Signalfrequenz ωs Mischfrequenzen bei nω und nω ± ωs Schaltung erlaubt nur ωs, ωs-ω, 2ω-ωs Spiegelfrequenz 2ω-ωs nahe bei ωs 5. Varistoren Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik www.tu-ilmenau.de/hmt Seit 1961 Schaltungen und Bausteine der HMT Prof. Dr. M. Hein Seite 22 WS 2015/2016 Eigenschaften von Dioden-Mischern Einfache Schaltungsanalyse (Kleinsignalgleichung des Mischers) Konversionsmatrix (für gesperrte Spiegelfrequenz) Zeitfunktion und Fouriertransformierte von R(t) Gewinn (maximal bei beidseitiger Anpassung) G ist für kurzzeitige Impulsspitzen von R(t) maximierbar (r~ = 1 für Dirac-Stoß) Gmax von U0 unabhängig (nicht aber Zs!) 5. Varistoren Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik www.tu-ilmenau.de/hmt Seit 1961 Schaltungen und Bausteine der HMT Prof. Dr. M. Hein Seite 23 WS 2015/2016 Gegentaktmischer Idee LO-Rauschen durch Gegentaktschaltung unterdrückt (z.B. 3dB-Hybrid) Ohne Signal (Us=0) kein Strom (kein Rauschen) u=US+U u=US-U (US+U)/21/2 U i(u) RZ -i(-u) jUs 1 4 3 2 j(US-U)/21/2 Weitere Vorteile Getrennte Zuführung und Entkopplung von LO- und Signalleistung Unterdrückung von Interferenzen wegen ungerader Kennlinie Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik www.tu-ilmenau.de/hmt Seit 1961 Schaltungen und Bausteine der HMT Prof. Dr. M. Hein Seite 24 WS 2015/2016 5. Varistoren
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