5. Varistoren: Typen, Beschreibung und Funktionen · Aussteuerungsabhängiger strom- oder...

5. Varistoren

Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961

Schaltungen und Bausteine der HMTProf. Dr. M. Hein Seite 1

WS 2018/2019

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

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