專利名稱：一種用于超高頻段的溫度補(bǔ)償倍壓二極管檢波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通信接收領(lǐng)域，具體涉及一種用于低頻至超高頻段的溫度補(bǔ)償倍壓二 極管檢波器，它能適用于射電天文總強(qiáng)度輻射計(jì)的接收設(shè)備。
背景技術(shù)：
在通信接收設(shè)備及廣播接收設(shè)備中，作為高頻載波調(diào)制檢出必不可少的一環(huán)是檢 波器。檢波器的種類很多，但最廣泛使用的還是二極管檢波器，特別是鍺二極管檢波器，簡 單價廉、檢波閥值低(O. 1V-0. 2V)、有足敷使用的檢波線性，從而使其在通信接收設(shè)備及廣 播接收設(shè)備中特別是民用調(diào)幅收音機(jī)中得到了廣泛的使用。但是其致命的缺點(diǎn)是鍺二極 管檢波器的溫度系數(shù)較大，這一缺點(diǎn)在收音機(jī)中并無大礙，鍺二極管檢波器的溫度系數(shù)較 大導(dǎo)致的檢波輸出的溫度漂移幾乎不會影響聲音的收聽。但在精密接收設(shè)備，特別是在射 電天文總強(qiáng)度輻射計(jì)接收設(shè)備中，因檢波輸出的溫度漂移將造成天體射電輻射總強(qiáng)度接收 的嚴(yán)重誤差。例如在太陽射電總強(qiáng)度接收中，每天8-10小時的連續(xù)觀測，在日溫差變化較 大時，在非恒溫使用環(huán)境下，若不采用定時定標(biāo)校準(zhǔn)，可造成15-20 %的輸出變化，顯然，這 是無法接受的。在射電天文總強(qiáng)度輻射計(jì)接收設(shè)備中，因輻射計(jì)靈敏度與系統(tǒng)接收帶寬 的平方根成反比，靈敏度越高則要求其系統(tǒng)接收瞬時帶寬越寬，300MHz的瞬時帶寬并不罕 見，為此對射電天文總強(qiáng)度輻射計(jì)接收設(shè)備檢波器的響應(yīng)頻帶也要達(dá)到300MHz或更高，這 已經(jīng)到了超高頻頻段，因此必須采用超高頻硅二極管充任檢波。但采用硅二極管檢波器， 雖然帶寬可以提高、檢波輸出溫漂也可減小近一個數(shù)量級，但是，硅二極管的檢波閥值較高 (0. 6V-0. 8V)，這將對檢波器前的放大設(shè)備提出更高的輸出電平要求，Idb增益壓縮點(diǎn)輸出 電平需達(dá)到12dbm，而鍺二極管僅需不到Odbm ；且硅二極管的平方律區(qū)域比較窄小，使得由 射電天文總強(qiáng)度輻接收設(shè)備的電壓輸出值反推輸入功率強(qiáng)度的處理變得復(fù)雜而必須分段 校正，計(jì)算繁雜，因而不受觀測人員歡迎。采用更復(fù)雜的電路可以實(shí)現(xiàn)低溫漂低閥值和平方 律特性，但在超高頻段或上升速率較高時多數(shù)是不行的，且價格昂貴、電路復(fù)雜，因而使用 極少。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種用于低頻至超高頻段的寬帶倍壓二極 管檢波器，其特征是采用超高頻硅晶體三極管，將C、B極短接，利用其EB結(jié)構(gòu)成超高頻二 極管；將上述結(jié)構(gòu)的4個三極管的4個CB結(jié)均單獨(dú)短接而構(gòu)成4個由EB結(jié)組成的二極 管，并兩兩串接，組成雙差分對管的雙EB結(jié)倍壓檢波器。將上述超高頻硅晶體三極管封裝于同一管殼內(nèi)，設(shè)置在同一硅基片上，其4管的 電流放大系數(shù)β的不對稱性必須在5%以內(nèi)。檢波負(fù)載電阻的阻值為2 4Κ。所說EB結(jié)二極管的偏置電阻，在+5V供電時，取3 4Κ。
在檢波輸出端設(shè)有運(yùn)算放大器構(gòu)成的帶有溫補(bǔ)偏置的單位增益同相放大器，其偏 置電壓來自雙差分對管中作為溫補(bǔ)偏置的串聯(lián)二極管對，其偏置電壓1. 4 1. 5V，并具有 與檢波輸出殘余偏置同樣的溫度系數(shù)δα^。由于采用超高頻硅晶體三極管，將C、B極短接，利用其EB結(jié)構(gòu)成超高頻二極管； 將上述4個三極管的4個CB結(jié)均單獨(dú)短接而構(gòu)成4個由EB結(jié)組成的二極管，并兩兩串接， 組成雙差分對管的雙EB結(jié)倍壓檢波器，這樣兩對雙EB結(jié)二極管的2 X Vbe是對稱的，由一對 EB結(jié)二極管對另一對EB結(jié)二極管進(jìn)行偏置補(bǔ)償及溫度補(bǔ)償，兩者的2XVbe電壓值及相應(yīng) 的溫度系數(shù)Tvbe相同且處于同一封裝甚至同一芯片上其溫度可以認(rèn)為相等，故其因室溫變 化引起的變化AVbe也相等，從而就可以降低倍壓檢波器的檢波閥值并補(bǔ)償其溫度漂移。采 用EB結(jié)的原因是一般來說，EB結(jié)的頻率特性優(yōu)于CB結(jié)且EB結(jié)的對稱性優(yōu)于CB結(jié)；將上述超高頻硅晶體三極管封裝于同一管殼內(nèi)，最好是同一硅基片上的雙差分晶 體三極管，其4管電流放大系數(shù)β的不對稱性在5%以內(nèi)(最好在1-2%以內(nèi))。需要注意 的是倍壓檢波器的檢波負(fù)載電阻Rd的阻值大小影響到檢波線性度及其動態(tài)范圍，由于不同 晶體管的特性不一，我們曾對檢波負(fù)載電阻的阻值做過試驗(yàn)，發(fā)覺其在IK 5Κ之間較佳， 我們通常取為2 4Κ。溫度補(bǔ)償EB結(jié)二極管對的偏置電阻大小對溫度補(bǔ)償效果也有影響， 通常我們?nèi)囟妊a(bǔ)償EB結(jié)二極管對的偏置電流為ΙΛ= ΙΛΜ/β，式中β為測出的電流放 大系數(shù)；則偏置電阻Rb = Vc-2Vbe/Iebo在+5V供電時，我們通常取3 4K。還必須指出三點(diǎn)A.檢波器前的耦合電容(^應(yīng)為整個檢波器工作頻帶內(nèi)低損耗、 低寄生參數(shù)，如果工作頻帶由低頻直到超高頻，建議用大容量無極性薄膜無感電容和無引 線高頻陶瓷獨(dú)石電容構(gòu)成的組合電容；B.同樣的，檢波負(fù)載電阻的旁路電容Cd也如上述。 且尚須注意Rd*Cd < l/fL,式中&為檢波器工作頻帶的低頻截止頻率。當(dāng)Rd*Cd值可與總強(qiáng) 度輻接收設(shè)備的系統(tǒng)積分時間常數(shù)相比較時尚須計(jì)入系統(tǒng)積分時間常數(shù)之內(nèi)。C.上述原 則同樣的適用于溫度補(bǔ)償EB結(jié)二極管對的偏置電阻的旁路電容CB，只是此時Rb*Cb <<1/ 4。大容量無極性薄膜無感電容可改用固體鉭電容。另外，使用硅晶體三極管雙差分對管構(gòu)成的低溫漂低閥值倍壓二極管檢波器雖然 降低了檢波閥值，但在其檢波輸出中仍有約0. 14 0. 15V的殘余偏置，為了使零輸入對應(yīng) 零輸出，我們又在檢波輸出端增加了由精密運(yùn)算放大器構(gòu)成的帶有溫補(bǔ)偏置的單位增益 同相放大器，其偏置電壓來自雙差分對管中作為溫補(bǔ)偏置的串聯(lián)二極管對，其偏置電壓約 1. 4 1. 5V，具有與檢波輸出殘余偏置同樣的溫度系數(shù)AVte,從而實(shí)現(xiàn)很好的溫度補(bǔ)償。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及顯著效果1.頻率上限可達(dá)300MHz或更高些；2.低溫漂，以它 作為檢波器的射電天文總強(qiáng)度輻接收設(shè)備的漂移可低達(dá)10_3 10_4/每小時(在室溫條件 下)；3.倍壓檢波，輸出檢波電壓高，相當(dāng)于提高了檢波效率；4.檢波閥值低，與鍺二極管相 當(dāng)(0. 1 0.2V)或更低些，因而對檢波前系統(tǒng)輸出電平要求不高；5.檢波線性好，5%線性 區(qū)可自0.05V 2. 5V以上；6.動態(tài)范圍大，30-40db或更大些)，大大拓寬了射電天文總強(qiáng) 度輻接收設(shè)備的動態(tài)范圍。


圖IA是鍺(Ge) 二極管的檢波特性示意圖，圖IB是硅(Si) 二極管的檢波特性示 意圖，顯示兩種二極管的不同的檢波特性；
圖2A是CB結(jié)短接后的硅NPN三極管，圖2B是顯示CB結(jié)短接后的硅NPN三極管 其EB結(jié)等效于一個二極管的示意圖；圖3A是是帶偏置補(bǔ)償?shù)墓鑶味O管檢波器原理圖，圖3B是顯示其檢波閥值降低 的示意圖；圖4A是NPN硅三極管雙差分對管經(jīng)過把每一個三極管的CB極短接及兩兩相連后 的示意圖，圖4B是顯示其等效為兩對特性非常相似的串聯(lián)二極管組的示意圖；圖5A是圖4A加接必要的電阻電容后構(gòu)成的低溫漂低檢波閥值倍壓檢波器電 原理 圖，圖5B是顯示其等效電路示意圖；圖6是本發(fā)明完整電原理圖。
具體實(shí)施例方式圖1是鍺(Ge) 二極管和硅(Si) 二極管的不同檢波特性示意圖，由圖可見鍺管的 檢波閥值0. 15V遠(yuǎn)小于硅管的0. 7V，且其拐點(diǎn)(平方律區(qū))也較硅管平緩，可見其平方律區(qū) 范圍也較大。圖2是硅NPN三極管的CB結(jié)短接后，其EB結(jié)等效于一個二極管的示意圖CB為 二極管的正極，E為二極管的負(fù)極。可作為單二極管檢波器使用。圖3是帶偏置補(bǔ)償二極管的硅單二極管檢波器原理圖及其檢波閥值降低的示意 圖。圖中D1及D2是兩個相同的硅二極管，其中D1用作檢波、D2用作產(chǎn)生一個與硅二極管D1 的起始電壓相同的偏置電壓作為偏置補(bǔ)償。從示意圖可以看出D1經(jīng)偏置補(bǔ)償后其檢波閥 值降低到與鍺二極管相近的地步。該電路已具有一點(diǎn)溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?，但因?yàn)镈1和D2是兩 個分立器件，因而不可能實(shí)現(xiàn)完全的溫度補(bǔ)償。電路中的L是提供檢波直流通路、傳遞偏置 等用，但由于電感本身特性限制，它不可能用于從超低頻直到超高頻的廣闊工作頻段。如果 用電阻代替也很難適應(yīng)于從超低頻直到超高頻的廣闊工作頻段，如用低電阻例如50Ω則 因等效檢波阻抗僅為1/3&即16Ω又會造成主放大器輸出負(fù)載過重的蔽病。我們設(shè)想用 一個二極管代替并構(gòu)成倍壓二極管檢波器，就可以避免上述蔽病。如果我們采用集成在同 一硅片上的NPN硅三極管雙差分對管，并把其每一個三極管的CB極短接及兩兩相連后等效 為兩對其檢波特性和溫度特性均非常相似的串聯(lián)二極管組，一組用于倍壓檢波，另一組用 于提供偏置從而實(shí)現(xiàn)完善的溫度補(bǔ)償，就比較完善了。圖4是集成在同一硅片上的NPN硅三極管雙差分對管經(jīng)過把每一個三極管的CB 極短接及兩兩相連后等效為兩對其檢波特性和溫度特性均非常相似的串聯(lián)二極管組的示 意圖。圖5是NPN硅三極管雙差分對管經(jīng)過附圖4的聯(lián)接后再加接必要的電阻電容后構(gòu) 成的低溫漂低檢波閥值倍壓二極管檢波器電原理圖及其等效電路示意圖。in表示檢波信號 輸入端，out表示檢波后的解調(diào)信號輸出端；圖6是本發(fā)明完整電原理圖可工作于IKHz 300MHz的低溫漂低檢波閥值零輸 出偏置倍壓檢波器線路圖。前半部分是2FC2C NPN超高頻硅三極管雙差分對管構(gòu)成的低溫 漂低檢波閥值零輸出偏置倍壓二極管檢波器，后半部分是0PA27高精度運(yùn)算放大器構(gòu)成的 檢波輸出緩沖及檢波輸出零偏置調(diào)整電路。in表示檢波信號輸入端，out表示檢波后并經(jīng) 過直流偏置電平調(diào)整后的解調(diào)信號輸出端。
本發(fā)明具體實(shí)施完整電原理圖請見圖6。需要說明的是1.為了達(dá)到300MHz的工作上限，雙差分對管是國產(chǎn)NPN超高頻硅三極管雙差分 對管2 02(，其fT為2GHz，不對稱性< 2%，而管腳引線必須剪得很短，最好采用倒置安裝； 而印刷電路板、布線設(shè)計(jì)都必須滿足超高頻要求；耦合電容及旁路電容都必須采用無引 線高頻獨(dú)石陶瓷電容，例如CC41C(> 10η)與低損耗大容量無感聚丙烯金屬膜電容，例如 CBB21(2. 2μ)，兩者并聯(lián)。2.為了達(dá)到IKHz的工作下限，耦合電容及旁路電容都必須包括低損耗大容量(> 1 μ )無感金屬膜電容，例如聚丙烯無感金屬膜電容CBB21 ( ^ 2. 2 μ )；電源去耦電容必須包 括低損耗大容量(> 10μ)鉭電容，例如貼片固體鉭電容(彡ΙΟΟμ)。3.為了保證低溫漂，所用的電阻均為精度至少為士 的1/8W精密金屬膜電阻， 其溫度系數(shù)< 50ppm。4.圖中電位器需為多圈電位器，溫度系數(shù)氺200ppm，調(diào)零輸出偏置時輸入端短 路，輸出端接以75Ω精密金屬膜電阻，在溫度平衡后調(diào)到輸出彡士 lmV。5.正負(fù)供電電源電壓穩(wěn)定度彡1 X 10_4，我們用的電源電壓穩(wěn)定度達(dá)10_6量級，紋 波及噪聲< 0. lmV，這樣才能保證檢波輸出的幅度穩(wěn)定性及溫度穩(wěn)定性。6.我們試制的上述檢波器可達(dá)到下述指標(biāo)f_3dblKHz 300MHz，室溫下漂移 彡5X10_4/每小時，零檢波輸入下輸出偏置彡士 lmV，最大輸出電壓 士 3VP_P，最小可解調(diào) 輸入電壓< 0. 05VP_P(動態(tài)范圍> 30-40db)。
權(quán)利要求
一種用于低頻至超高頻段的溫度補(bǔ)償倍壓二極管檢波器，其特征是采用超高頻硅晶體三極管，將C、B極短接，利用其EB結(jié)構(gòu)成超高頻二極管；將上述結(jié)構(gòu)的4個三極管的4個CB結(jié)均單獨(dú)短接而構(gòu)成4個由EB結(jié)組成的二極管，并兩兩串接，組成雙差分對管的雙EB結(jié)倍壓檢波器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述之用于低頻至超高頻段的倍壓二極管檢波器，其特征是將上 述超高頻硅晶體三極管封裝于同一管殼內(nèi)，設(shè)置在同一硅基片上，其4管的電流放大系數(shù) β的不對稱性必須在5%以內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述之用于低頻至超高頻段的倍壓二極管檢波器，其特征是 檢波負(fù)載電阻的阻值為2 4Κ。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述之用于低頻至超高頻段的倍壓二極管檢波器，其特征是所說 EB結(jié)二極管的偏置電阻，在+5V供電時，取3 4Κ。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述之用于低頻至超高頻段的倍壓二極管檢波器，其特征是在檢 波輸出端設(shè)有運(yùn)算放大器構(gòu)成的帶有溫補(bǔ)偏置的單位增益同相放大器，其偏置電壓來自雙 差分對管中作為溫補(bǔ)偏置的串聯(lián)二極管對，其偏置電壓1. 4 1. 5V，并具有與檢波輸出殘 余偏置同樣的溫度系數(shù)δα^。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述之用于低頻至超高頻段的倍壓二極管檢波器，其特征是在檢 波輸出端設(shè)有運(yùn)算放大器構(gòu)成的帶有溫補(bǔ)偏置的單位增益同相放大器，其偏置電壓來自雙 差分對管中作為溫補(bǔ)偏置的串聯(lián)二極管對，其偏置電壓1. 4 1. 5V，并具有與檢波輸出殘 余偏置同樣的溫度系數(shù) 。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述之用于低頻至超高頻段的倍壓二極管檢波器，其特征是 在檢波輸出端設(shè)有運(yùn)算放大器構(gòu)成的帶有溫補(bǔ)偏置的單位增益同相放大器，其偏置電壓來 自雙差分對管中作為溫補(bǔ)偏置的串聯(lián)二極管對，其偏置電壓1. 4 1. 5V，并具有與檢波輸 出殘余偏置同樣的溫度系數(shù)δα^。
全文摘要
一種用于超高頻段的溫度補(bǔ)償倍壓二極管檢波器，采用超高頻硅晶體三極管，將C、B極短接，利用其EB結(jié)構(gòu)成超高頻二極管；將上述4個三極管的4個CB結(jié)均單獨(dú)短接而構(gòu)成4個由EB結(jié)組成的二極管，并兩兩串接，組成雙差分對管的雙EB結(jié)倍壓檢波器，其優(yōu)點(diǎn)是頻率上限可達(dá)300MHz或更高些、低溫漂、檢波線性好、動態(tài)范圍大、輸出檢波電壓高、檢波閥值低，因而對檢波前系統(tǒng)輸出電平要求不高，大大拓寬了射電天文總強(qiáng)度輻接收設(shè)備的動態(tài)范圍。
文檔編號H03D1/02GK101807881SQ201010105748
公開日2010年8月18日 申請日期2010年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月1日
發(fā)明者倪玉安, 姚平, 朱蒙, 柏發(fā)松, 袁亮, 黃福泉 申請人:南京紫淮礦用電子高科技有限公司;淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司;煤礦瓦斯治理國家工程研究中心