混頻二極管及其應用
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混頻二極管是一種肖特基勢壘二極管，它是利用金屬和N型半導體相接觸所形成的金屬半導體結的原理而制成的。當金屬與半導體相接觸時，它們的交界面處會形成阻礙電子通過的肖特基勢壘，即表面勢壘。為了使半導體中的載流子容易地越過勢壘進入金屬，它必須采用電子逸出功（電子跑出半導體或金屬表面所需的能量）比金屬大得多的N型半導體。當二極管加上正向偏壓時，勢壘下降，多數載流子（電子）便從半導體進入金屬。混頻二極管與一般二極管相比，由于利用多數載流子工作，沒有少數載流子儲存效應，所以具有頻率高、噪聲低和反向電流小等特點，主要用于混頻器。
2 電特性
2.1正向特性
表1給出日立公司生產的混頻二極管的電性能，共17個型號，主要用于UHFTV調諧混頻器、CATV平衡混頻器和調諧混頻器，外形DO-35個玻殼封裝，尺寸為4.2mm×2.0mm，引出線為2個引腳；DO-34為玻殼封裝，尺寸為2.4mm×2.0mm，2個引腳；UMD為微型玻殼封裝，尺寸為2.6mm×1.6mm，2個引腳；LLD為無引線玻殼封裝，尺寸為3.5mm×1.35mm；MPAK（EIAJSC-59）為片狀化封裝，尺寸為2.8mm×1.5mm×1.1mm，引出線為3個引腳；SRP為片狀化封裝，尺寸為2.6mm×1.6mm×1.1mm，引出線為2個引腳。HSM88S/SR和HSM88AS/ASR都是由兩個串聯的混頻二極管組成，HSM88S與HSM88SR的區別僅在于引出線的正負端有所不同，HSM88AS與HSM88ASR的區別也是如此。HSM88WA/WK由兩個并聯的混頻二極管組成，WA與WK的區別僅在于引出線的正負端有有不同。從表1中可知，國外混頻二極管在外形上有兩大發展趨勢，一是尺寸越來越小，如玻殼封裝從DO-35到DO-34再到UMD，二是從軸向有引線向片狀化方向發展，從DO-35到LLD/MPAK/SRP。
為了敘述方便，這里僅以1SS86/1SS87為例說明。它們的正向特性由圖1所示，當正向電流IF為1mA時，1SS86的正向壓降VF≤0.2V，1SS87的VF≤0.45V；當IF為10mA時，1SS86的VF=0.4V，1SS87的VF=0.6V。另外，從表1中可知，國外混頻二極管的正向特性越做越好，主要表現在正向特性的一致性更好，有類似于變容管的配對特性，如在IF=10mA下，1SS165的VF=520mV～600mV±5mV；HSM88S/SR與HSM88AS/ASR的VF分別為520mV～600mV±10mV和500mV～580mV±10mV，表明VF的偏差只有5mV～10mV。
型號 | 正向電壓VF/mV | 反向電流IR/μA | 結電容C/pff=1MHz,VR=0.5V | 外形 | 用途 |
1SS86 | ≤500(8mA) | ≤50(0.5V) | ≤0.85 | DO-35 | UHFTV調諧混頻器 |
1SS87 | ≤500(3mA) | ≤10(2V) | ≤0.85 | DO-35 | 同上 |
1SS88 | 365430(1mA)520 600±5(10mA) | ≤0.2(2V) ≤10(10V) | ≤0.97±0.05(0V) | DO-35 | CATV平衡混頻器 |
1SS165 | 365435(1mA)520 600±5(10mA) | ≤0.2(2V) ≤10(10V) | ≤1.0±0.05(0V) | DO-34 | 同上 |
1SS166 | 同上 | 同上 | ≤1.2±0.05(0V) | UMD | 同上 |
1SS174 | ≤500（35mA） | ≤50(0.5V) | ≤1.2 | DO-34 | UHFTV調諧混頻器 |
1SS228 | ≤500（35mA） | ≤50(0.5V) | ≤1.1 | UMD | 同上 |
1SS276 | ≤500（35mA） | ≤50(0.5V) | ≤0.8 | UMD | 調諧混頻器 |
HSK151 | ≤500（35mA） | ≤50(0.5V) | ≤1.2 | LLD | UHFTV調諧混頻器 |
HSM885 /SR | 365435(1mA)520 600±10(10mA) | ≤0.2(2V) ≤10(10V) | ≤0.85±0.1(0V) | MPAK | CATV平衡混頻器 |
HSM88AS /ASR | 350420(1mA)500 580±10(10mA) | ≤0.2(2V) ≤10(10V) | ≤0.85±0.1(0V) | MPAK | 同上 |
HSM88WA /WK | 同上 | 同上 | 同上 | 同上 | 同上 |
HSM2765 | ≤500（35mA） | ≤50(0.5V) | ≤0.9±0.1 | MPAK | 同上 |
HSR276 | ≤500（35mA） | ≤50(0.5V) | ≤0.85 | SRP | 調諧混頻器 |
它們的反向特性由圖2所示。混頻二極管的反向漏電流較小，如在VR=2V下，1SS86的IR為20μA，1SS87的IR為1μA；在VR=4V下，1SS86的IR為70μA，1SS87的IR為4μA，表明1SS87的反向特性比1SS86好。混頻器要求混頻二極管的反向漏電流小，這樣，混頻器的噪聲系數也小。
2.3結電容
它們的結電容與反向電壓的關系由圖3所示。當VR=0V時，1SS86/1SS87的結電容C都小于0.85pF；在VR=1V時，它們的電容C都小于0.7pF。由于混頻二極管的結電容較小，所以混頻器的頻率較高。另外，從表1可知，國外混頻二極管的結電容的偏差也越來越小，如在VR=0V時，1SS88/1SS165/1SS166的電容偏差ΔC均為±0.05pF；HSM88S/SR、HSM88AS/ASR和HSM88WA/WK的ΔC均為±0.1pF。
3 應用
3.1混頻器[1]
混頻器一般由輸入信號回路、本機振蕩器、非線性器件和濾波網絡等4部分組成，如圖4所示。這里的非線性器件本身僅實現頻率變換，本振信號由本機振蕩器產生。若非線性器件既產生本振信號，又實現頻率變換，則圖4變為變頻器。所謂混頻，是將兩個不同的信號（如一個有用信號和一個本機振蕩信號）加到非線性器件上，取其差頻或和頻。混頻器可根據所用非線性器件的不同分為二極管混頻器、晶體管混頻器、場效應管混頻器和變容管混頻器等。混頻器又可根據工作特點的不同，分為單管混頻器、平衡混頻器、環形混頻器、差分對混頻器和參量混頻器等。在設計混頻器時應注意如下幾點：（1）要求混頻放大系數越大越好。混頻放大系數是指混頻器的中頻輸出電壓振幅與變頻輸入信號電壓振幅之比，也稱混頻電壓增益。增大混頻放大系數是提高接收機靈敏度的一項有力措施。（2）要求混頻器的中頻輸出電路有良好的選擇性，以抑制不需要的干擾頻率。（3）為了減少混頻器的頻率失真和非線性失真以及本振頻率產生的各種混頻現象，要求混頻器工作在非線性特性不過于嚴重的區域，使之既能完成頻率變換，又能少產生各種形式的干擾。（4）要求混頻器的噪聲系數越小越好，在設計混頻器時，必須按設備總噪聲系數分配給出的要求，合理地選擇線路和器件以及器件的工作點電流。（5）要考慮混頻器的工作穩定性，如本機振蕩器頻率不穩定引起的混頻器輸出不穩等。（6）注意混頻器的輸入端和輸出端的連接條件，在選定電路和設計回路時，應充分考慮如何匹配的問題。
3.2二極管混頻器
所謂二極管混頻器就是混頻器中的非線性器件采取混頻二極管的混頻器，它的電原理圖如圖5所示。圖5中L1C1為輸入信號回路，調諧于輸入信號頻率fS；L2C2為輸出中頻回路，調諧于中頻頻率fi。輸出中頻回路直接與混頻二極管D、信號輸入電壓μS、本振電壓μO和偏置電源EO串聯在一起，輸出中頻電壓μi全部反作用到混頻二極管上。這種二極管混頻器具有電路簡單、噪聲小和工作頻率高等特點，但混頻電壓增益較低。這種電路在大信號混頻中使用時，混頻二極管在開關狀態工作，它能獲得較大的動態范圍，所以在微波電路中較廣泛地應用。若采用單個器件組成的混頻器，其非線性和動態范圍都不太理想。現在，彩電電調諧器大多采用兩個或多個器件組成的平衡混頻器和差分對混頻器等，以提高混頻器的性能。
在微波領域中，若將圖4中的非線性器件采用兩個混頻二極管，則可構成混頻二極管短波混頻器[2]。這種混頻器具有如下特性：（1）它屬平衡電路形式，可克服單管混頻器在非線性和動態范圍方面的不足；（2）具有穩定可靠的優點，變頻增益低和無再生效應；（3）混頻噪聲小；（4）混頻器的動態范圍依賴于本振電壓的大小。為了提高短波接收機的性能，可增加短波可調預選器，這時應采用由兩個變容管組成的參量混頻器，這種參量混頻器稱為上邊帶向上變頻短波參量混頻器，它屬平衡式混頻線路，如圖6所示。這種參量混頻器把短波信號2MHz～32MHz變換為中頻信號112MHz，中頻信號通過高選擇性的晶體濾波器，以便給±10kHz帶寬提供必要的帶外保護。短波可調預選器可作為寬動態范圍的精密可調有源濾波器。對于晶體濾波器±10kHz帶寬以外的頻率來說，接收機的動態范圍將大大增大。在通信中，當短波接收機受到強干擾時，可將短波可調預選器接在天線和短波接收機之間，從而抵消強干擾所產生的噪聲。圖6中的兩個變容管為2CC17，其結電容C3=24pF～28pF，C30=2.8pF～3.5pF,電容比C3/C30≥6.8,Q≥100[3]。變容管通過±45V的高阻抗電源取得反向直流偏置電壓，并在適當的電壓電平下按推挽式由泵頻放大器推動。泵頻放大器為單管放大器，將頻率合成器來的電壓放大，使變容二極管兩端得到約20V的泵頻電壓，以獲得所需要的140dB的動態范圍
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