混频二极管及其应用

1 前言

混频二极管是一种肖特基势垒二极管，它是利用金属和N型半导体相接触所形成的金属半导体结的原理而制成的。当金属与半导体相接触时，它们的交界面处会形成阻碍电子通过的肖特基势垒，即表面势垒。为了使半导体中的载流子容易地越过势垒进入金属，它必须采用电子逸出功(电子跑出半导体或金属表面所需的能量)比金属大得多的N型半导体。当二极管加上正向偏压时，势垒下降，多数载流子(电子)便从半导体进入金属。混频二极管与一般二极管相比，由于利用多数载流子工作，没有少数载流子储存效应，所以具有频率高、噪声低和反向电流小等特点，主要用于混频器。

2 电特性

2.1正向特性

表1给出日立公司生产的混频二极管的电性能，共17个型号，主要用于UHFTV调谐混频器、CATV平衡混频器和调谐混频器，外形DO-35个玻壳封装，尺寸为4.2mm×2.0mm，引出线为2个引脚;DO-34为玻壳封装，尺寸为2.4mm×2.0mm，2个引脚;UMD为微型玻壳封装，尺寸为2.6mm×1.6mm，2个引脚;LLD为无引线玻壳封装，尺寸为3.5mm×1.35mm;MPAK(EIAJSC-59)为片状化封装，尺寸为2.8mm×1.5mm×1.1mm，引出线为3个引脚;SRP为片状化封装，尺寸为2.6mm×1.6mm×1.1mm，引出线为2个引脚。HSM88S/SR和HSM88AS/ASR都是由两个串联的混频二极管组成，HSM88S与HSM88SR的区别仅在于引出线的正负端有所不同，HSM88AS与HSM88ASR的区别也是如此。HSM88WA/WK由两个并联的混频二极管组成，WA与WK的区别仅在于引出线的正负端有有不同。从表1中可知，国外混频二极管在外形上有两大发展趋势，一是尺寸越来越小，如玻壳封装从DO-35到DO-34再到UMD，二是从轴向有引线向片状化方向发展，从DO-35到LLD/MPAK/SRP。

为了叙述方便，这里仅以1SS86/1SS87为例说明。它们的正向特性由图1所示，当正向电流IF为1mA时，1SS86的正向压降VF≤0.2V，1SS87的VF≤0.45V;当IF为10mA时，1SS86的VF=0.4V，1SS87的VF=0.6V。另外，从表1中可知，国外混频二极管的正向特性越做越好，主要表现在正向特性的一致性更好，有类似于变容管的配对特性，如在IF=10mA下，1SS165的VF=520mV～600mV±5mV;HSM88S/SR与HSM88AS/ASR的VF分别为520mV～600mV±10mV和500mV～580mV±10mV，表明VF的偏差只有5mV～10mV。

表1日立的混频二极管

图11SS86/1SS87的正向特性

图21SS86/1SS87的反向特性

图31SS86/1SS87的结电容与反向电压的关系

图4混频器的组成部分

2.2反向特性

它们的反向特性由图2所示。混频二极管的反向漏电流较小，如在VR=2V下，1SS86的IR为20μA，1SS87的IR为1μA;在VR=4V下，1SS86的IR为70μA，1SS87的IR为4μA，表明1SS87的反向特性比1SS86好。混频器要求混频二极管的反向漏电流小，这样，混频器的噪声系数也小。

2.3结电容

它们的结电容与反向电压的关系由图3所示。当VR=0V时，1SS86/1SS87的结电容C都小于0.85pF;在VR=1V时，它们的电容C都小于0.7pF。由于混频二极管的结电容较小，所以混频器的频率较高。另外，从表1可知，国外混频二极管的结电容的偏差也越来越小，如在VR=0V时，1SS88/1SS165/1SS166的电容偏差ΔC均为±0.05pF;HSM88S/SR、HSM88AS/ASR和HSM88WA/WK的ΔC均为±0.1pF。

3 应用

3.1混频器[1]

混频器一般由输入信号回路、本机振荡器、非线性器件和滤波网络等4部分组成，如图4所示。这里的非线性器件本身仅实现频率变换，本振信号由本机振荡器产生。若非线性器件既产生本振信号，又实现频率变换，则图4变为变频器。所谓混频，是将两个不同的信号(如一个有用信号和一个本机振荡信号)加到非线性器件上，取其差频或和频。混频器可根据所用非线性器件的不同分为二极管混频器、晶体管混频器、场效应管混频器和变容管混频器等。混频器又可根据工作特点的不同，分为单管混频器、平衡混频器、环形混频器、差分对混频器和参量混频器等。在设计混频器时应注意如下几点：(1)要求混频放大系数越大越好。混频放大系数是指混频器的中频输出电压振幅与变频输入信号电压振幅之比，也称混频电压增益。增大混频放大系数是提高接收机灵敏度的一项有力措施。(2)要求混频器的中频输出电路有良好的选择性，以抑制不需要的干扰频率。(3)为了减少混频器的频率失真和非线性失真以及本振频率产生的各种混频现象，要求混频器工作在非线性特性不过于严重的区域，使之既能完成频率变换，又能少产生各种形式的干扰。(4)要求混频器的噪声系数越小越好，在设计混频器时，必须按设备总噪声系数分配给出的要求，合理地选择线路和器件以及器件的工作点电流。(5)要考虑混频器的工作稳定性，如本机振荡器频率不稳定引起的混频器输出不稳等。(6)注意混频器的输入端和输出端的连接条件，在选定电路和设计回路时，应充分考虑如何匹配的问题。

图5二极管混频器的电原理图

图6上边带向上变频短波参量混频器

3.2二极管混频器

所谓二极管混频器就是混频器中的非线性器件采取混频二极管的混频器，它的电原理图如图5所示。图5中L1C1为输入信号回路，调谐于输入信号频率fS;L2C2为输出中频回路，调谐于中频频率fi。输出中频回路直接与混频二极管D、信号输入电压μS、本振电压μO和偏置电源EO串联在一起，输出中频电压μi全部反作用到混频二极管上。这种二极管混频器具有电路简单、噪声小和工作频率高等特点，但混频电压增益较低。这种电路在大信号混频中使用时，混频二极管在开关状态工作，它能获得较大的动态范围，所以在微波电路中较广泛地应用。若采用单个器件组成的混频器，其非线性和动态范围都不太理想。现在，彩电电调谐器大多采用两个或多个器件组成的平衡混频器和差分对混频器等，以提高混频器的性能。

在微波领域中，若将图4中的非线性器件采用两个混频二极管，则可构成混频二极管短波混频器[2]。这种混频器具有如下特性：(1)它属平衡电路形式，可克服单管混频器在非线性和动态范围方面的不足;(2)具有稳定可靠的优点，变频增益低和无再生效应;(3)混频噪声小;(4)混频器的动态范围依赖于本振电压的大小。为了提高短波接收机的性能，可增加短波可调预选器，这时应采用由两个变容管组成的参量混频器，这种参量混频器称为上边带向上变频短波参量混频器，它属平衡式混频线路，如图6所示。这种参量混频器把短波信号2MHz～32MHz变换为中频信号112MHz，中频信号通过高选择性的晶体滤波器，以便给±10kHz带宽提供必要的带外保护。短波可调预选器可作为宽动态范围的精密可调有源滤波器。对于晶体滤波器±10kHz带宽以外的频率来说，接收机的动态范围将大大增大。在通信中，当短波接收机受到强干扰时，可将短波可调预选器接在天线和短波接收机之间，从而抵消强干扰所产生的噪声。图6中的两个变容管为2CC17，其结电容C3=24pF～28pF，C30=2.8pF～3.5pF,电容比C3/C30≥6.8,Q≥100[3]。变容管通过±45V的高阻抗电源取得反向直流偏置电压，并在适当的电压电平下按推挽式由泵频放大器推动。泵频放大器为单管放大器，将频率合成器来的电压放大，使变容二极管两端得到约20V的泵频电压，以获得所需要的140dB的动态范围