RFダイオードとミキサー
RFダイオードは、無線周波数(RF)回路で使用される受動半導体デバイスです。非線形性および方向性といった特性を利用して、さまざまな役割を果たします。RFダイオードが使用される主な用途には、ダイオードミキサー、送受信(Tx/Rx)スイッチ、受信機のチューニング、電圧制御発振器(VCO)、および自動利得制御(AGC)回路などがあります。
ショットキーダイオードは、低い順方向電圧降下を持ち、高速スイッチとして動作できるホットキャリアダイオードです。通常のダイオードが半導体‐半導体接合であるのに対し、ショットキーダイオードは金属‐半導体接合で構成されています。逆回復時間が非常に短く、これはダイオードがオン状態からオフ状態へ切り替わるまでの時間を示します。ショットキーダイオードはRF検波器やミキサーに使用され、50GHzを超える非常に高い周波数でも動作することが可能です。歴史的には、初期のラジオにおいてキャッツウィスカー検波器として使用されていました。
トンネルダイオードは高速動作のデバイスで、P型およびN型接合が強くドーピングされており、ダイオードのバンドギャップ特性が破壊されるため、量子力学的トンネル効果です。順方向バイアス動作では、電圧が高いほど電流が減少します。これを負の抵抗効果と呼びます。逆バイアストンネルダイオードは逆方向ダイオード(ゼナーダイオードの一種)のように動作しますが、非常に高い線形性を持ちます。この特性により、検出器、整流器、高速スイッチに優れています。通常、シリコン、ゲルマニウム、またはガリウムヒ素から作られています。これらは周波数変換器、RF検波器、発振器、増幅器などに使用されています。条件付きで負の差動抵抗を持つという奇妙な特性により、RF増幅器として使用可能です。マイクロストリップトンネルダイオード増幅器は、衛星増幅器などの高周波RFおよびマイクロ波用途で使用され、15GHz以上で動作可能です。
PINダイオードは、非オーミック接点(非整流接合)として使用されます。これらは、強くドープされたP-型領域およびN-型領域と、その間にある広い真性(intrinsic)領域を持つことが特徴です。この構造により、減衰器や高速(約10ms)スイッチ、光検出器としての用途に適していますが、整流用途には適していません。
PINダイオードは順方向バイアスがかかると低インピーダンスの直列素子として動作し、バイアスがかかっていない場合には数kΩの高インピーダンスとなります。この特性により、受信/送信(Rx/Tx)スイッチとしての用途に適しています。PINスイッチ回路において直列に接続されたPINダイオードは、送信機に対して高インピーダンスの絶縁を提供し、損傷から保護します。
PINダイオードはオフ状態になると、そのインピーダンスが単調に増加します。この特性により、RFの自動利得制御(AGC)回路で必要とされる電圧制御減衰器としての用途にも適しています。
RFミキサー(周波数ミキサーとも呼ばれる)は、2つのRF信号をアナログ乗算し、その結果として得られる信号を出力する非線形半導体デバイスです。RFミキサーの主な目的は、受信機および送信機回路において信号をある周波数から別の周波数へ変換することです。
受信または送信されるRF信号は、局所発振器(LO)の基準周波数と乗算されます。受信機では、受信した高周波信号を入力し、これを中間周波数(IF)または直接変換受信機では0Hz(ベースバンド)に変換します。一方、送信機ではこれとは逆にミキサーを使用し、IF信号を送信周波数までアップコンバートします。
理想的には、2つの変調搬送波(f1 x f2)が乗算されると、和周波数(f1 + f2)と差波数(|f1 - f2|)を持つ2つの変調搬送波が重なった信号が生成されます。これらはヘテロダインまたは上側波帯および下側波帯のイメージ周波数と呼ばれます。しかし、実際には、ミキサーの伝達特性は理想的ではないため、spursと呼ばれる追加の混合生成物を生成します。スプリアスには、さまざまな高調波混合成分が含まれ、これらは相互変調成分と呼ばれます。理想的には、必要とされる生成物は上側波帯または下側波帯のどちらか一方のみです。スプリアスを低減し、単一の側波帯を得るように最適化されたミキサー構成は、シングルサイドバンド(SSB)ミキサーまたはイメージリジェクト(IR)ミキサーと呼ばれます。一方の側波帯を抑圧することで、受信機や送信機回路におけるフィルタリングの要求を低減することができます。
ミキサーは対称性を考慮してバランス型に設計されている可能性が高いです。これにより、固有の絶縁性、相互変調のキャンセル、共通モード信号の除去、変換効率の向上という利点が得られます。入力同士や出力を分離するために、180oハイブリッドが使われ、3ポートのミキサーを4ポートのデバイスに変換します。4ポートデバイスは、180o位相がずれている出力信号を均等に分割しています。2台のシングルバランスミキサーを組み合わせると、ダブルバランスミキサーが生成されます。このトポロジーは、75%のスパーがIFポートでキャンセルされるように設定できます。他にもより複雑なバランスドミキサーの組み合わせが可能です。IQミキサーは、2つのミキサー回路からなるもので、LO参照信号が90o(直交)で位相シフトされています。一方のミキサーの出力を90o位相シフトし、もう一方のミキサーに出力を加えたり減算したりすることで、三角関数的な関係により1つの画像がキャンセル・抑制されます。これはハートリーイメージリジェクションミキサーと呼ばれ、フィルタリングの要件を削減する利点があります
RFミキサーは、単純なダイオードリングから複雑なカスコードトポロジーに配列された双極性またはFETで構成されるギルバートセルまで、さまざまな技術で利用可能です。PLLやVCO素子を統合し、アンプ回路を組み込むことも可能です。RFミキサーの重要な特性には、変換損失、絶縁、1dB圧縮点、インターモジュレーション歪み(IMD)特性、ノイズフィギュアなどがあります。変換損失とは、入力RF出力と出力IF出力レベルの電力差のことです。ポート間の絶縁は、信号が誤ったポートに漏れることによるスパースを減らします。1dB圧縮点はミキサーの線形性の指標であり、変換損失を1dB増加させるために必要な入力電力の量です。IMDは、非理想的なミキサー特性によって引き起こされる高調波の項を混ぜることで生成される混合産物です。これらは単一音IMD用語と呼ばれます。ノイズフィギュアはミキサーによる信号対雑音比(SNR)の劣化であり、ミキサーの変換損失とより密接に関連しています。
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