5. Varistoren
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5. Varistoren: Typen, Beschreibung und Funktionen
Bipolare Varistoren: pin-Dioden
Funktionsprinzip
Anwendungen von pin-Dioden
Elektronischer Mikrowellen-Schalter
Dämpfungsglied, Modulator, Phasenschieber
Unipolare Varistoren: Schottky-Dioden (MeS-Kontakt)Funktionsprinzip
Anwendungen von Schottky-Dioden
Mischer (abwärts)
Impulsgenerator, Frequenzvervielfacher
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Varistoren
BegriffVaristor = variabler Wirkwiderstand (nichtlinearer „Energieverbraucher“)
Elemente zur Signalsteuerung und -formung
Einsatz komplementär zu Transistoren (bzgl. Frequenz, Leistung, Stabilität)
FunktionsprinzipAussteuerungsabhängiger strom- oder spannungsgesteuerter Wirkwiderstand R(I) oder R(U)
Verschiedene Typen (Beispiele): pin-Dioden, Schottky-Dioden
Aussteuerungsbereiche: Sperrbetrieb, Flussbetrieb
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pin-DiodeAufbaup/i – Übergang, i – Zone und i/n – Übergangi – Zone: eigenleitend bzw. schwach dotiert (n oder p)Dotierungsprofil ähnlich zu Speicherdiode
EigenschaftenSperrbereich (U):Konstante kleine Kapazität, geringe Anschlusswiderstände
Flussbereich (I):Große Kapazität (Ladungsspeicherung)parallel zu kleinem Wirkwiderstand
Große Reaktanz ~ 1/ωC(kapazitiver Leerlauf)
Sehr niedrige Impedanz ~ R (resistiver Kurzschluss)
Besondere Eignung als Hochfrequenz-SchalterWeitere Anwendungen: Begrenzer, Abschwächer, Modulator
SRD
p-i-n
n+p+ n i n+
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pin-Diode in Sperrrichtung
Rν1/(ωCν)
ω/ωdiel 1
Elektrisches Feld und Sperrschichtweite:
Kleinsignal-ErsatzschaltbildIdealisiertes rechteckförmiges Dotierungsprofil
Cs
Cν Rν
Rb
C
R
N(x)
n+p+ n i
wν
|E(x)|
x
n+
0 w
Cs Cν
Rν
Rb
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pin-Diode in Flussrichtung
ωτ 1 oder I0 uT
DynamischesVerhalten
Kleinsignal-Ersatzschaltbild
ωτ 1: Wechselstrom-gesteuerte Gleichrichtung
ωτ 1: Gesteuerter Wirkwiderstand (Leitfähigkeitsmodulation)
τ ≈ µs
Tiefpass-Charakter
CD/2
Rb
Ri
GD/2Ri
Rb
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Bemessung von pin-Dioden
Ausschalten (in Sperrrichtung):
ZeitkonstantenEinschalten (in Flussrichtung):
Bemessungsregeln
Vollständiges ESBIdealer Schalter zwischen Fluss- und SperrrichtungRb aussteuerungsabhängig, Rf durch Rb0 begrenzt
i-Zone / Merkmal Cs klein
Länge w langLebensdauer τ ---
Fläche A klein
Rf klein
kurzlanggroß
schnell
kurzkurzklein
Leistung
lang---
groß
RbCpar
Lpar
Rf
Cs
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Kom
mer
ziel
le p
in-D
iode
n
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Kom
mer
ziel
le p
in-D
iode
n: K
ennl
inie
n
Diodenkapazität 0.2…0.3 pF Flusswiderstand 0.6…1.5 ΩLadungsträgerlebensdauer 0.5 µs Weite der i-Zone 10…15 µm
Steigung -1
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pin-Diode als SchalterSchalter: Kernelement rekonfigurierbarer SystemePrinzip: Schalten zwischen resistivem KS (s) und kapazitivem LL (o)Vorteile: Höhere Leistungsverträglichkeit und linearere Kennlinie als
pn-DiodeSchneller und verlustärmer als Ferrit-Schalter
Prinzipschaltung für einpoligen Schalter
Reihenschaltung(Schalten zwischen „Ein“ und „Leerlauf“)
Parallelschaltung(Schalten zwischen „Kurzschluss“ und „Ein“)
SPST: single-pole single-throw(andere: SPDT, SPnT etc.)
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HF-SchalterEigenschaften idealer Schalter
Zweitor-ESB mit y-Parametern
Maximal schaltbare LeistungEinpoliger verlustloser Einwegschalter im Transmissionsbetrieb: ro – rs = 1
Schaltimpedanz ZS
1 2
[y]Z=1/Y
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Anpassnetzwerk für idealen TransmissionsschalterTransformiert Strom I auf Ims (“on”, KS) und Spannung U auf Umo (“off”, LL)
Prinzipschaltbild und Bemessungsregel (Beispiel)Ideale Übertrager: Anpassung an Generator- und LastwiderständeX2: Querzeig stromlos für offenen Schalter (“off”)X1: Querzweig spannungslos für geschlossenen Schalter (“on”)
Übertragungsverhältnis
jX1
Lpar
Cs
Z
ZjX2
1:ü ü:1
Vertiefung:Aufgabe 13
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pin-Dioden-Schalter-ICProjekt: Rekonfigurierbare 4x4 Ka-Band-Schaltmatrix für SatellitenanwendungenBreitbandiger SP4T-Serien-Parallel Schalter mit integriertem DC-Steuernetzwerk (MA4SW410B-1)
S. Humbla, Dissertation 2014
J1(common
port)
J5
J2 J3 J4 DC
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pin-Dioden-Schalter für Phasenschieber
Reflexions-PhasenschieberZirkulatorschaltung (seriell oder parallel)
Hybridschaltung (z.B. seriell)
Transmissions-Phasenschieber
erfordert Paar identischer Dioden
Reaktanz x = X/Z0 bestimmt Phasenverschiebung
jX
jB1
ZZ
ZZ
jB2 jB1 jB2
ZL
L
jX
jX
1
23
4
Vertiefung: Aufgabe 14
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pin-Dioden-Dämpfungsglied: LeistungsbilanzSchaltungseigenschaftenVariabler normierter Wirkwiderstand ri = Ri/ZL
⇒ Reflexion und Absorption⇒ Dämpfungsfaktor a
Leistungsbilanz
Dämpfung
Reflexion
Leistungs-verhältnis
ZLZL
U0
U1 U2
Ri
0
5
10
15
20
25
30
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
-20 -15 -10 -5 0
P verf
/ P pi
n [dB]
ρein
Dämpfung a [dB]
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Schottky-Diode (Me-S)Ausbildung einer Sperrschicht an Grenzfläche(z.B. n-HL mit Akzeptorzuständen)Majoritätsträger: Strom von S zu Me
Unterschiede zu pn-ÜbergangKeine Ladungsspeicherung/RekombinationFlussrichtung: steiler und bei kleineren Spannungen als bei pn-DiodeSperrrichtung: hohe Isolation (ähnlich abruptem Übergang)
Anwendungen (insbes. kleine Leistungen und hohe Frequenzen)Detektor, schneller Schalter, (Abwärts-) Mischer, Gleichrichter, Schutzschaltung, Pegelklemmung, …
Ältestes elektronisches Bauelement:Spitzengleichrichter(Braun 1874, Schottky 1938)
Me S
Flussrichtung Sperrrichtung
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Karl Ferdinand Braun (1850-1918)Lebenslauf („Urvater“ der modernen Kommunikationsgesellschaft)1850 Geboren am 6.6. in Fulda1868 Studium Marburg/Berlin: Ma, Py, Ch1877 Physikprofessor in Marburg1880 Professor in Strassburg1918 Gestorben 20.4. in Brooklyn/NY
Wissenschaftliche Arbeiten Fernsehröhre, Gleichrichter, weltweiter Funkverkehr (Telefunken)1874: Gleichrichtereffekt an Bleiglanz1897: Braun‘sche Röhre (Kathodenstrahloszilloskop)1906: Kristallempfänger1909: mit Guglielmo Marconi Physik-Nobelpreis„... als Anerkennung ihrer Verdienste um die Entwicklung der drahtlosen Telegrafie...“
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Walter Schottky (1886-1976)Lebenslauf1886 Geboren am 23.7. in Zürich1912 Promotion bei Max Planck, Arbeiten bei Max Wien1915 Forschungslabor Siemens1920 Habilitation in Würzburg1923 Professor für Theoretische Physik, Rostock1976 Gestorben am 4.3. in Forchheim
Wissenschaftliche Arbeiten Theorien zu Elektronenröhren, Transistor, Störbandleitung1916 Erfindung der Tetrode (Schirmgitterröhre)1918 Entwicklung Superheterodyn-Prinzip1920 Entdeckung des Schroteffektes1924 Mikrophone und Lautsprecher1935 Schottky-Effekt; Namensgeber der Schottky-Diode u.a.
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Strom-Spannungs-Charakteristik der Schottky-DiodeDifferentielle Sperrschichtkapazität c(u)Weite der Sperrschicht w(u) spannungsabhängig(wie für abrupten pn-Übergang)
LadungstransportVom Halbleiter ins Metall:ähnlich Glühemission aus Metall(Richardson-Dushman-Formel, Korrekturterm χ(U,T))
Phänomenologisch:Zusammenfassung verschiedener Transportphänomene
Minoritätsträger insbesondere bei HL mit großer Energielücke irrelevant
1 < n ≤ 2, I0 schwach spannungsabhängigTU/(n u )
0I(U) I (e 1)⋅= ⋅ −
( )LGqU W /kT2I(U,T) T e (U,T)−= ⋅ ⋅ χ
01c(u) c
(1 u)= ⋅
−
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Schottky-Diode als VaristorSteuerbarer Flusswiderstand R(i)Nichtlinearer Wechselstromwiderstandβ0 = q/2nkT = Kurzschlussstromempfindlichkeit
Ersatzschaltbild• Sperrschichtkapazität relativ klein;
rb und c nehmen mit Fluss-spannung zu
• Varistoreigenschaften bis zu hohen Frequenzen (500 GHz)
Lpar
cCpar rrb
0
du 1 1r(i)di 2 i
= ≈ ⋅β
0T 2 UU/(n u )0 0I(U) I (e 1) I (e 1)β⋅= − = −
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Schottky-Varistor als Gleichrichter
Prinzip und ErsatzschaltbildNichtlineare Kennlinie ermöglichtdirekte Gleichrichtung
Quadratische Kennlinie
Stromempfindlichkeit
sowie auch Amplituden-DemodulationKleinsignalaussteuerung: c, rb ≈ konstant
Leistungsaufteilung(Bahnwiderstand)
L
c
C
r
rb
RL
DCHF Varistor
Pzs,Pr
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Frequenzpyramide bei Mischung von fs und f0
Strom-Spannungs-Kennlinie des Mischelementes
Kombinationsfrequenzen
0
f0±fs
2f0±fs f0±2fs
3f0±fs f0±3fs2f0±2fs
c0
c1
c2
c3
c4
f0 fs
2f0 2fs
3f0 3fs
4f0 4fs
[ ]kk
k 0i(u(t)) c u(t)
∞
=
= ⋅∑
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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
• R(U): „gepumpte“ Widerstandsänderung bei ω• Lineare Antwort bei Signalfrequenz ωs
• Mischfrequenzen bei n∙ω und n∙ω ± ωs
• Schaltung erlaubt nur ωs, ωs-ω, 2ω-ωs
• Spiegelfrequenz 2ω-ωs nahe bei ωs
R(U)
1 3ωS
RS RB
ωs-ω
RZ
2 2ω-ωs
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Eigenschaften von Diodenmischern
Einfache Schaltungsanalyse (Kleinsignalgleichung des Mischers)
Konversionsmatrix (für gesperrte Spiegelfrequenz)Zeitfunktion und Fouriertransformierte von R(t)
KonversionsgewinnMaximal bei beidseitiger Anpassung
Gmax von U0 unabhängig (nicht aber Eingangsimpedanz Zs)
G maximal für kurzzeitige Impulsspitzen von R(U(t)) (r = 1 für Dirac-Stoß)~
0 Tˆ(U ucos t )/uT
0
uR(u(t)) eI
− + ω≈
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GegentaktmischerIdeeLO-Rauschen durch Symmetrierung unterdrückt (z.B. Gegentakt, 3dB-Hybrid)
1
23
4U
jUsj(US-U)/21/2
(US+U)/21/2
RZ
u=US+U
u=US-U
i(u)
-i(-u)
Ohne Signal (Us=0) kein Strom (kein Rauschen)
s si(U) i(U U) i( U U)= + − − +
Rauschunterdrückung
• Getrennte Zuführung und Entkopplung von LO- und Signalleistung
• Unterdrückung von Interferenzen wegen ungerader Kennlinie