В этом мини-курс электронной коммутации аналоговых сигналов обсуждается с диодами. Любой, кто читает это в первый раз рассматривает вопрос может быть интересно, как это возможно, поскольку диод, наконец, только два соединения. Но это явно не хватает третьего терминала для управления диода. И думать о читатель, что это готовый мусора требуется, так как диод проводит электричество только в одном направлении, а именно от анода к катоду. Таким образом, диод выпрямителя, и поэтому могут быть аналоговыми сигналами, так аналоговых напряжений и токов, хотите нет, не без этого же направлении и, следовательно, непригодными искажены. Ну и что? Может быть, шутка конце апреля Fool's. Вы перейти на следующий электронный мини-курс, может быть, есть что-то полезное!
Но нет, подождите, мой друг! Пожалуйста, читайте дальше, потому что название делает, на самом деле Есть и полезные приложения, в частности, в технологии высокой частоты. Но один за другим, обо всем по порядку. Мы начинаем в следующей главе, сначала прочитайте краткий исторический ретроспективе, младший для (будущего) электроника будет представлять интерес и должно быть ...
Электронный ностальгии: история диода
Один из основных компонентов электроники диода. В том же направлении или менять направление и модуляции или демодуляции диода встретил гораздо больше, чем типичный электронные функции клапана. Диода технология имеет долгую историю. Это было - за исключением очень старых механических методов - два трека. Она разделяет в вакуумных трубках и полупроводниковых технологий.
Изобретение выпрямительных элементов была тесно связана с появлением беспроводных технологий. После Генриха Герца в 1888 году, электромагнитной волны было показано экспериментально, удалось в 1896 году в первый раз, чтобы создать реальный радиосвязи телеграфом. Будь Герц или Тесла, первооткрыватель / изобретатель, будь то вопрос здесь. Я знаю только, что я прочитал, что Тесла дается честь, что осталось вернуться затем Маркони. Кто заинтересован в Тесла, я рекомендую истории электронных мини-курсы , нынешняя война между Эдисон и Тесла .
Немецкий физик Фердинанд Браун, который жил с 1850 по 1918 г. занимался этим вопросом. Он обнаружил, 1901, исправление эффекта расположения, состоящий из халькопирита с прикрепленными точки металла. Так как этот элемент, чтобы показать амплитудно-модулированного низкой частоты гармонического состава колебаний высокой частоты - шоу - может Браун назвал это соглашение "разоблачение" или латинского "детектор".
После Вальтера Шоттки пояснили физических процессов детектор луча катода, это было в 1906 году так далеко, чтобы быть в состоянии использовать технический элемент. Производство такого оборудования, однако, был еще довольно громоздки, поэтому Шоттки предложил даже тогда, вместо медной руды - минеральные из меди, железа и серы - таких полупроводниках, как германий и кремний, которые будут использоваться. Но отсутствие достаточно развитой технологии первоначально остановил этого развития.
В 1906 году была изобретена Робертом Любовь, электронно-лучевая трубка, которая была уже технически зрелые в 1913 году и функционирует в качестве выпрямителя (вакуумная трубка диод) и усилителем (триод трубки = любовь) была использована. Когда, в 1913 году гениальное изобретение Александра Мейснера - результат обратной связи автоколебательных схема усилителя - было запатентовано, может радио технологии, разработанной до такой степени, что может быть передан беспроводным в Берлине в 1920 году первый концерт по радио.
В Швейцарии, радио возрасте начал с первой местной среде станций волны в Базеле, Берне и Цюрихе в 1924 году и позднее в Чур с пропускной способностью 0,5 кВт. Я сам хорошо помню, как я получил в детстве, в 1950-х годов громко кристалла радиостанции детектор местной станции в Базеле с наушниками, я жил, но только от 100 до 150 метров от передатчика, на крыше военные казармы была установлена. Тот факт, что эти станции с точки зрения моей электроники движке игры, такие как конце 1950-х проснулся рано на руку. Этот телевизор был разбит в середине 1970-х годов. В течение многих лет он был отправлен еще растягивается, пока он, наконец, остановился. Ремонт местной среде волны передатчика не стоит больше из-за уже тогда очень хорошо УКВ охвата общенациональной сети.
Но вернемся к первоначальной теме! До 1940-х годов преобладали трубки области телекоммуникаций. Только в этом случае заключается в использовании технологии до сих пор для производства германиевых диодов может быть. С тех пор определяет полупроводниковой технологии, развитие электроники.
Один я знаю нишу для использования радио клапанов (вакуумные трубы) сохранилась и по сей день: это технология беспроводной связи для средних и высоких частотах, в основном в длинных и средних волн диапазона, при очень высоких уровнях мощности намного выше 100 кВт диапазона. Сильных станций есть на длинной волны с мощностью до 2000 кВт. Эти станции имеют огромный удар в охват. Но в этом диапазоне мощностей, трубки, больше больше, заменить полупроводников. При очень высоких напряжений и токов отдельных компонентов для сборки комплекса соединены последовательно и параллельно. Цель высокая эффективность, модулированного напряжения РФ часто реализуется в широтно-импульсной модуляции (PWM). Промежуточный усилитель мощности и антенны очищается с мощными низкими LC фильтров излучения антенны гармоник.
Важные ссылки, касающиеся диодов! Полупроводникового диода Патрик Шнабель
Внутренней жизни диода
Что такое диод? Р-и N-легированного кристалла, кристалл кремния или германия. р-легированного кристалла содержит очень небольшие количества индия (In) и N-легированных сурьмой (Sb). Это другой тип легирования, имеет два различных типов линий. В кристалле N-типа, линии электропередачи в основном из движения отрицательные заряды (электроны), в то время как в кристаллах р-типа основном положительные заряды перемещаются, которые называются отверстия. Эти электроны и дырки (Mayoritätsträger) расположены в кристаллической решетке между двумя атомными ядрами.
Все становится интересно, когда два типа линии сводятся воедино. Тогда мы получим PN-перехода, так называемый пограничный слой. На границе двух зон мигрируют через естественное движение тепла электронов в других, р-области, где они дополняют друг друга с отверстиями. Они говорят так: они рекомбинируют. То же самое происходит с отверстиями, которые проникают N-проводящей области. Рекомбинации (нейтрализации электрона с дыркой) исчезают в переходной зоне, наиболее Mayoritätsträger. Этот пограничный слой Поэтому почти изолятор, видно из относительно небольшого числа неосновных носителей, которые не позволяют идеал изолятор. Эти заряда бедных пограничный слой очень тонкий, однако.
Почему являются взаимодополняющими, а не все п-канала и р-типа частиц во всем кристалле, или почему не все они рекомбинируют? Ответ: Тем не менее, так как электрически заряженных частиц из одного слоя в другой, условием нейтральности нарушается в материале. Фиксированной атомных ядер с его положительных и отрицательных зарядов остаются. В определенной зоне формируется по обе стороны границы обвинения пространство, т. е. п-слой немного положительных и р-слой негативном свете.
Соответственно, основываясь на напряженность электрического поля, а вместе с электрическим током. Это напряжение противодействует полярности в их поток носителей заряда, т.е. тормозит Difussion электронов в р-слое и дырок в п-слой. Есть только до тех пор, как основных носителей переместить в другой слой, пока баланс между отталкивающим эффектом объемного заряда и кинетической энергии дырок или электронов. Это равновесие называется напряжение поэтому Antidifussionsspannung. См. рисунок 1 слева.
Это Antidifussionsspannung зависит от градиента плотности рп, и в особенности температуры. Это напряжение имеет значение германии около 0,25 В для кремниевых и около 0,65 В.
Наиболее важный вывод о PN-перехода: если вы сделаете полупроводника, тем самым проведение, что он был на одной стороне и р о других N-легированных. В результате в зоне перехода - также известный как пограничный слой - обедненный свободных носителей заряда за счет диффузии и последующей рекомбинации, что снова высокое сопротивление. Очень важно, что этот интерфейс внешне управляемым. Этот эффект используется в диода.
Диод закрыт по схеме, которая получает в которых N-слоя, положительные и р-слой, отрицательное напряжение, электроны с положительной и дырок мигрировать в отрицательную сторону. Пограничный слой расширяется, электрической изоляции лучше, и без того высокого внутреннего сопротивления диода напряжения также возрастает. Это снижает емкость между анодом и катодом, важное свойство для высокочастотных устройств. Есть даже специальные возможности диодов. См. Рис 1 центр.
Если диод в замкнутый контур, в котором N-слоя, отрицательные и р-слой получает положительное напряжение, электроны и дырки же терминалы полярности напряжения являются сарай. Результатом является то, что электроны и дырки в большом количестве в "врага" поток слой кристалла. См. Рис 1 правая. Таким образом ток и принцип электромагнитный клапан, или диод, объясняется.
Важно знать, что эта прогулка через может иметь место только тогда, когда анти-диффузии напряжение преодолеть. Это напряжение проявляется всегда, как прямого напряжения. В германии она составляет около 0,25 В для кремниевых и около 0,65 В.
Кроме того, светодиоды (например, арсенид галлия) имеют анти-диффузия напряжений. Это функция излучаемого света длиной волны. Коротковолнового света, тем выше в борьбе с напряжением, или падение напряжения между анодом и катодом. Мы называем это напряжение и прямого напряжения. В инфракрасных светодиода около 1,1 V, с красным светодиодом примерно 1,8 В, с зеленым светодиодом до 2,5 В и синий светодиод около 3,6 В. Кроме того, УФ-светодиодов в голубой металл в ближней УФ с еще более высоким прямого напряжения. Может быть, есть один день рентгеновского и гамма-излучения светодиодов с прямым напряжением в диапазоне 100-V ... :-)
Замена схемы диода
Будете ли вы перейти на диод тока аналоговый или напряжения на высоких частотах, необходимо, что, кроме известных такие параметры, как максимальная мощность, диод прямого напряжения и максимального обратного напряжения, и объемное сопротивление R, сопротивление Rd, индуктивность Ls и белый на стыке решения емкости Cs. Данные листы предоставлять такую информацию. Нельзя не для высокочастотных устройств (FM), конечно, использовать известные диод 1N4148 (то же, 1N914) кремния или германия 1N270. При очень высоких частотах, а в ГГц диапазоне, так называемый PIN-диоды лучше. Микроволновая печь PIN диоды имеют менее 1 нГн очень низкой самоиндукции. Емкость перехода является очень низким, изготовитель должен обратить особое внимание, что емкость ухудшилось между терминалами на жилье, общая мощность минимальна.
Rd сильно зависит от размера текущего, как приближение формула на рисунке 2 показан нижний правый. Эта формула только имеет смысл только от постоянного тока до 100 кГц. Выше этой скорости Rd зависит от частоты и, что более сильная нижняя диода. Это на самом деле сопротивление. Примерно в диапазоне от 10 мкА до 1 мА, оно влияет на частоту значительным. Если мы увеличим мощности, но при 5 до 10 мА, Rd практически не зависит от частоты и значение Rd близка к значению R, и это, как правило, около 0,5 Ом или меньше. Когда представлены электронные FM антенный коммутатор (рис. 8) С диода, тока от 17 мА. Это в диапазоне от 100 МГц гарантирует, что потери напряжения остаются на низком уровне через диод.
Она переключает диода аналоговых сигналов
В следующих главах иллюстрирует цепи диода с функциональной эквивалентная схема с так называемыми аналог КМОП-выключатели сравнению удовлетворительно. В этот тип электронных ключей, я иду сюда только символически. Можно представить себе, потому как контакты реле.
На рисунках 3 до 5, это о Включите низкие и высокие частоты сигнала напряжения, таких как аудио-сигналы или антенны напряжения. Разница заключается в высших диода и нижней конденсаторов С1 и С2 на высоких частотах.
Часть Рисунок 3.1 иллюстрирует символически работы схемы. Аналоговый ключ (ASW = Аналоговый коммутатор) выключатели с управляющим напряжением +12 В и -12 В постоянного тока с. На +12 VDC, контактное сопротивление является очень низким и Vout сигнала выходное напряжение от генератора для передачи затухания практически бесплатно, если R очень велико по сравнению с контактного сопротивления. Это с 10 K-ом случае. R может быть значительно ниже, что особенно важно, когда переключатель открытым должно быть предотвращено в том, что паразитная емкость Интер-Контакт с компонентами выше частоты сигнала. Эта способность действует с R сначала как пассивный фильтр высоких частот порядка.
Часть Рисунок 3.2 показывает, функционально идентичны переключатели диода. Когда переключатель S в положение "12 В" является диод. Это высокое сопротивление. Пока сигнала напряжение генератора остается меньше, чем обратное напряжение на диоде D, он действует как переключатель открытия и Ua мертв. Но подумайте еще раз, потому паразитной емкости на диоде D, и один представлен проводников на печатной плате поставляется с R2 также форм пассивного фильтра высоких частот первого порядка. Тревожит это, R1 и R2 должны быть сокращены, но больше нагрузка на генератор.
Когда переключатель S в положение "+12 V" происходит диода D поток делится на напряжение +12 В постоянного тока через R1 плюс результаты R2. Это составляет около 1 мА. Прямое напряжение диода пренебречь. Сопротивление Rd небольшой диод сигнал текущего примерно на 30 Ом, что в R1 R2 плюс около 10 К-ом это не проблема.
При переключении управляющего напряжения, в результате чего в период лечения Ua положительные или отрицательные импульсы напряжения с максимальным Amplitiudenwerten с половиной управляющего напряжения, и это +6 В и -6 В. постоянной времени является производным от С2 и омическое сопротивление входной цепи. Эти высокие всплески напряжения, не приемлемы для всех последующих схем. Более того, если такие цепи диода используется для аудио целей, то она появляется в каждой на-и с совершенно правильно из динамиков. Эта проблема не существует, если вы использовали вместо диодов современный аналог КМОП-переключатели, которые - если вы проводной эти части правильно.
На низких частот до 20 кГц и нагрузке 100 пФ до Ua и более 1 кОм является полной шкалы около 11 Vpp возможно. R1 и R2 также значительно снизили диода наложением высокого напряжения генератора по-прежнему гораздо больше, чем Rd (рис. 2). Эта ситуация ухудшилась, однако, на более высоких частотах при той же нагрузке на Ua. В больших генератора амплитуда увеличивается Rd слишком много, нелинейные искажения должен следовать. С генератора частотой 200 кГц около 5 Vpp и объективную возможно при частоте 1 МГц в течение приблизительно 1 Vpp.
Схема части рис 3,3 совпадает с частью на рисунке 3.2, jeoch предназначен для более высоких частот. R1 и R2 около 17 раз ниже. Диода увеличивается во столько же раз. По данным листов Rd в этом ток и диапазон частот от 10 МГц до 1 ГГц по менее 0,5 Ом. И поэтому мы переехали в направлении FM антенный коммутатор уже на один шаг ближе.
На данном этапе я должен, однако отметить, что я не был в аналоговой технологии радиочастотной имеют достаточный опыт, чтобы измерение цепи таким образом, чтобы оптимальным с точки зрения диода, минимальные потери сигнала, шума и ширины полосы частот. Я использовал для своей антенны проекта в то время, не PIN-диоды. Я использовал обычный кремний малых диодов сигнал типа 1N914. Вы можете также использовать германиевые диоды, например, типа 1N270, который достигает различных полос частот для тех же токах диода, но вы должны Ge-диодов, чтобы действительно обратить на работу в режиме блокировки. Диод должен быть выключен с отрицательного напряжения. В диодов Si, это возможно без отрицательного напряжения, если напряжение сигнала очень мала, поскольку диод блоков достаточно. 1N914 диод имеет сила емкость перехода от 4 пФ, из 1N270 диода на обратное напряжение 1V только лишь 0,8 пФ. Для высокочастотных устройств, 1N270 диода выгодным в зависимости от схемы.
Часть Рисунок 4.1 иллюстрирует другой способ переключения напряжения аналогового сигнала. Когда переключатель - снова предложил в качестве аналогового переключателя (ASW) - с -12 VDC открыто, с R генератор сигнала Ua. По сравнению с Рисунок 3 показывает существенное различие. На рисунке 3, замыкание на Ua низка, когда сигнал на и mittelohmig, дается R, если сигнал не горит. На рисунке 4, это наоборот. Рисунок 4 показывает еще одно различие, и это ясно недостаток. В случае диода управления, в частности, рис 4,2, напряжение сигнала делится на сопротивление отношение R2/R1 в направлении Ua, или ослабленных и что без этого Ua загружается. Это бремя бы еще сделать. Можно естественно спросить, почему я даже писать о чем-то, что так бесполезно. Проще говоря, это в связи с Рисунок 3 полезное приложение, и, следовательно, мы приходим на рисунке 5
