翻译 Mr. Ben H. Tongue 的文章#17A

BG1TRP

提高二极管探测器对微弱信号灵敏度的新方法
确定二极管检波器的工作状态是高于还是低于其线性-方律交换点的方法

内容速览：矿石机的极低信号灵敏度可以通过冷却二极管来改善。当检波后的直流电流低于二极管饱和电流的两倍时，就可能出现这种情况。有关提高弱信号灵敏度的更多信息，请参阅文章#28。

本文所使用的术语：
Plsc(i)        在线性-平方律交换点的输入功率。
Plsc(o)        在线性-平方律交换点的输出功率。
Is                二极管饱和电流。
n                二极管理想因子。
DIPL                检波器插入功率损耗，单位dB。
Pi                可用输入功率。
Po                输出功率。
sqrt                取平方根。
C                温度，单位℃。
Ri                二极管输入电阻。
Ro                二极管输出电阻。
R1                源电阻。
R2                负载电阻。
I2                检波电流。
Kt                温度，单位K。
Rxc                二极管在伏安特性曲线原点的斜率(结电阻)，Rx = 0.0256789 * n / Is，在25° C下。
S11                衡量输入阻抗是否匹配的指标，S11 = 20 * log |[(|Ri - R1) / (Ri + R1)]|。
SPICE        计算机电路仿真程序。所有仿真均使用Intusoft公司的ICAP/4软件。

　　原文章#17已分为两篇文章。文章#17A是对原文章#17第2部分的修订。第1部分已单独列出，并更名为“根据SPICE仿真定量了解二极管检波器的运行以及一些与二极管弱信号灵敏度性能有关的新方程式”。 文章编号为#15A。
　　假设一个几乎无法读取的电台，其功率只够使检波器在“线性-平方律交换点”(LSLCP)或低于LSLCP工作。在这个工作点，检波二极管的直流电流约为Is两倍。如果能将Plsc(i)点移动到较低的射频功率电平，则可以增加音量。这将减少插入功率损耗，因为这时的工作状态将更加接近线性区域。二极管检波器在Plsc(i)点(25℃时)工作所需的射频功率如文章#15A中公式(4a)所示。公式4a可以重写为：Plsc(i) = 0.0010341 * Kt * Is * n 单位：W  (公式1)
　　图1为本文所参考的二极管检波器原理图。

图1

二极管检波器输出和插入损耗与输入功率的关系，黑色箭头指示的是LSLCP。

图2 输出功率和输入功率之间的关系


图3检波器插入功率损耗与输入功率的关系

　　假设输入端和输出端是阻抗匹配的。从公式1中可以看出，如果Is、Kt或n可以降低，Plsc(i)点就会降低，从而可以增加弱信号的音量。Is、n和Kt的乘积的倒数可以看作是一种“弱信号二极管品质因数”(WSDFM)。事实证明，在所有半导体二极管中，Kt的微小下降会导致Is从初始值大幅下降。必须记住，Is或Kt的减少会增加Ri和Ro，如果n减小，则Ri和Ro也会减小。但需要重新匹配阻抗(Ri和Ro)才能获得所寻求的好处。

• 降低Is

　　使用Is值较低的二极管的主要限制在于会导致检波器的射频输入电阻(Ri)和音频输出电阻(Ro)增加。实际的低损耗射频和音频阻抗匹配将是一个问题。
　　当输入信号电平达到或低于Plsc(i)点时，这些值约为 Ri = Ro = 0.00008614 * n * Kt / Is 单位：Ω。图2和图3中的示例是在Ri和Ro均约为700kΩ的情况下，使用一个Is为38nA、n为1.03的二极管。这接近实用极限，主要适用于使用单调谐、高电感、高Q值环形天线和高质量、高变换比音频变压器的矿石机。对于大多数设计使用外置天线的高性能矿石机而言，R2的有效最大值约为330kΩ。这就要求二极管的Is值为约80nA，而不是38nA，以便实现良好的阻抗匹配。
　　较高的二极管Is值，可提升Plsc(i)值约3dB，这就会使进入平方律区域的信号输出降低约3dB。而大大高于LSLCP的信号几乎不受任何影响。请注意，Is的“生产过程偏差”通常相当大。
　　这种方法非常实用，只需选择具有最佳Is的二极管型号即可。就这么简单，没有任何繁文缛节。请参见文章#27中的表1，了解几种型号二极管的测量Is值。
　　请记住，某些型号的二极管会因静电而损坏。即使二极管没有损坏，但它的反向泄漏电流会升高，因而破坏弱信号的灵敏度。通常，Is值较低的二极管，其反向击穿电压也较低，因此更容易受到静电损坏。

• 降低n

　　n的值在同类型的二极管中的变化不如Is大。被设计用于检波器的肖特基二极管通常具有较低的n值。n的范围介于1.0和2.0之间。所谓的“超级二极管”或许具有较低的n值，其Is值和n值可以在特定的矿石机中实现良好的阻抗匹配。
　　使用低值的二极管不仅能降低Plsc(i)，还能降低Ri和Ro，与减小Is的效果相反。大多数用作检波器或混频器的二极管通常具有较低的n值。

• 降低Kt

　　任何二极管的温度都可以通过隔段时间喷一次元件冷却喷雾(221°K)来降低。如果将二极管横放在一个带两个小孔的小型外壳(如直径为1英吋x 2.5英寸的塑料药瓶)中，在底部放几个老式铜便士作为散热器，则可以产生更加持久但较小的冷却效果。将这个组件放在冰箱中冷却到约0℉(255°K)，然后将其取出并连接到矿石机中使用。如果用一些干冰(195°K)代替铜便士，可以达到更低的温度。
　　降低Kt的问题在于Is对温度非常敏感，它也会因此而发生变化。Agilent在应用说明#1090中指出，HSMS-2850肖特基二极管的结电阻在温度降到70°K时会增加100倍。这表明Is变化的百分比远远大于温度变化的百分比，温度下降70°K会使Is下降100倍，Ri和Ro上升100倍。这会破坏阻抗匹配，极大地增加损耗(信号消失)。答案是通过实验尝试使用将在室温(298°K)下具有较高Is值的二极管，这种二极管在降低温度时会降到正确的Is值。Agilent HSMS-2850 (室温下Is = 3000nA)是候选产品之一。另一个是2N404A锗晶体管，将基极和集电极连在一起(室温下Is = 1500nA)。大多数以1N34A型号出售的二极管，其Is值范围从约200nA到600nA以上。测量表明，对于锗或非零偏置型硅肖特基二极管，温度变化10℃(18℉)将导致Is变化约2倍。其他测量结果表明，对于零偏置型肖特基，14℃(25℉)的温度变化会导致Is变化约2倍。
　　这种方法并不实用，因为选择一种在室温下具有所需Is值的二极管型号，就能获得所需的结果。

　　二极管的理想因子n是决定极弱信号灵敏度的一个重要参数。如果所有其他二极管参数保持不变，二极管检波器的弱信号输入电阻和输出电阻与n值成正比。假设将n值等于oldn的二极管替换为n值为newn的同型二极管，并重新匹配输入阻抗和输出阻抗，其结果是检波器插入功率损耗(仅限弱信号)变化为：10 * log (oldn / newn)  dB。也就是说，假设输入功率保持不变，n增加一倍将会导致插入功率损耗增加3dB。这个示例说明了较低n值的重要性。
　　警告：如果想获得最佳的弱信号灵敏度，请勿串联使用两个二极管。串联使用两个同型二极管的结果是模拟了一个等效的单二极管，其Is相同，但n值是单个二极管的两倍。
　　二极管检波器在其LSLCP下工作(通常有约5dB的插入功率损耗)，如果其负载电阻上的平均检波直流电压为 (n * 51) mV (有关讨论，请见文章#15)，检查时，在直流负载上使用足够大的旁路电容器，以最大限度地提高电压。如果不知道二极管检波器的n值，通常可以假定为1.07左右。(n * 51) mV关系正确的条件是：检波器的射频输入端阻抗大致匹配，在输出端直流和音频阻抗精确匹配。具体来说，直流负载电阻必须为0.026 * n / Is  Ω (有关n和Is的信息，请见文章#0-4)。有关调整二极管直流负载电阻和监测检波电压的典型方法，请见文章#26中的图5。许多二极管的n和Is的典型值可以在文章#16和文章#27中找到。
　　如果只对二极管在LSLCP工作时耳机输出的音量感兴趣，那么音频负载交流阻抗匹配的要求并不十分重要。原因是在中等失配情况下，音量是音频失配的一个平缓的函数。二比一的音频失配只会造成0.5dB的音频输出损失。四比一的失配会造成1.9dB的损失(几乎听不到)。

文章#17A 发布时间：2001-04-10；最新修订：2006-11-29
原文网址 https://kearman.com/bentongue/xtalset/17Is_n/17Is_n.html

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