ITMI972084A1

ITMI972084A1 - DIODE DETECTOR

Info

Publication number: ITMI972084A1
Authority: IT
Inventors: Franco Marconi; Michele Gimma
Original assignee: Italtel Spa
Priority date: 1997-09-15
Filing date: 1997-09-15
Publication date: 1999-03-15
Also published as: IT1294731B1

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: DESCRIPTION of the industrial invention entitled:

"RIVELATORE. A DIODO" "DIODE DETECTOR"

Campo di applicazione dell'Invenzione Field of application of the invention

La presente invenzione riguarda un rivelatore a diodo, noto anche col nome inglese di diode detector, ed in particolare un rivelatore a diodo comprendente un dispositivo di compensazione dell’errore dovuto ad eventuali variazioni di temperatura. The present invention relates to a diode detector, also known by the English name of diode detector, and in particular a diode detector comprising an error compensation device due to any temperature variations.

È noto che i rivelatori a diodo, utilizzati ad esempio aH’uscita degli amplificatori per controllare la potenza del segnale amplificato, comprendono un circuito elettrico provvisto di un diodo che rettifica il segnale in ingresso, trasformandolo in un segnale continuo ad esso proporzionale. La resistenza e la tensione diretta del diodo dipendono fortemente dalla temperatura a cui esso si trova e dalla intensità di corrente che lo attraversa, per cui il segnale in uscita dai rivelatori noti può risultare impreciso se questi non si trovano ad una determinata temperatura di riferimento e con in livello costante di potenza d'igresso. It is known that diode detectors, used for example at the output of amplifiers to control the power of the amplified signal, include an electrical circuit equipped with a diode that rectifies the input signal, transforming it into a continuous signal proportional to it. The resistance and the forward voltage of the diode strongly depend on the temperature at which it is located and on the intensity of current that passes through it, so the output signal from known detectors can be inaccurate if they are not at a certain reference temperature and with a constant level of input power.

Arte nota Known art

Per ovviare a questo problema è .stato realizzato un rivelatore provvisto di circuito di compensazione atto a rendere insensibile alle variazioni di temperatura il rivelatore stesso. Tale rivelatore comprende un diodo rettificatore e un diodo di riferimento, collegati agli ingressi di un circuito differenziale, e polarizzati con la stessa corrente mediante un circuito di polarizzazione. Eventuali variazioni della tensione diretta del diodo principale- dovute a variazioni di temperatura vengono compensate, dal circuito differenziale, con le corrispondenti variazioni del diodo di riferimento. Tuttavia, in presenza di variazioni di livello del segnale in ingresso, la corrente che attraversa il diodo principale varia, mentre quella cHe attraversa il diodo di riferimento rimane costante, per cui il rivelatore non risulta più compensato. To obviate this problem, a detector has been provided provided with a compensation circuit able to make the detector insensitive to temperature variations. This detector comprises a rectifying diode and a reference diode, connected to the inputs of a differential circuit, and biased with the same current by means of a biasing circuit. Any variations in the forward voltage of the main diode due to temperature variations are compensated by the differential circuit with the corresponding variations of the reference diode. However, in the presence of variations in the level of the input signal, the current flowing through the main diode varies, while the current flowing through the reference diode remains constant, so that the detector is no longer compensated.

Se si deve controllare un segnale avente un livello di potenza costante, si può sbilanciare opportunamente là corrente in ingresso nei diodi per adattare il rivelatore a questo particolare livello di potenza, e quindi ottenere un risultato preciso. Però, quando bisogna controllare un segnale di potenza variabile, il rivelatore noto presenta inevitabilmente un errore in uscita, che dipende dal livello della potenza del segnale in ingresso e dalle variazioni di temperatura. If you need to check a signal having a constant power level, you can appropriately unbalance the current input to the diodes to adapt the detector to this particular power level, and thus obtain an accurate result. However, when it is necessary to control a signal of variable power, the known detector inevitably presents an error in output, which depends on the level of the power of the input signal and on the variations in temperature.

Scopi dell'Invenzione Aims of the Invention

Scopo della presente invenzione è pertanto quello di fornire un rivelatore esente da tali inconvenienti, ovvero un rivelatore insensibile alle variazioni di temperatura indipendentemente dal livello del segnale d’ingresso. The purpose of the present invention is therefore to provide a detector free from such drawbacks, or a detector that is insensitive to temperature variations regardless of the level of the input signal.

Sommario dell'Invenzione Summary of the Invention

Detto scopo viene conseguito con un rivelatore le cui caratteristiche principali sono specificate nella prima rivendicazione. · Said object is achieved with a detector whose main characteristics are specified in the first claim. ·

. Grazie alla particolare struttura circuitale del rivelatore secondo la presente invenzione, sia il diodo principale che il diodo di riferimento si trovano nelle stesse condizioni di polarizzazione, indipendentemente dal livello del segnale in ingresso. Pertanto, se i diodi sono uguali tra loro, la loro tensione diretta e la loro resistenza variano nello stesso modo al variare delia temperatura, garantendo così una perfetta compensazione termica in un esteso intervallo di valori di temperatura e di dinamica del segnale in ingresso. . Thanks to the particular circuit structure of the detector according to the present invention, both the main diode and the reference diode are in the same bias conditions, regardless of the level of the input signal. Therefore, if the diodes are equal to each other, their forward voltage and their resistance vary in the same way as the temperature varies, thus ensuring perfect thermal compensation over a wide range of temperature values and dynamics of the input signal.

Un altro vantaggio del rivelatore secondo la presente invenzione è dato dal fatto che esso può lavorare anche senza un apposito circuito di polarizzazione dei diodi, in quanto il rivelatore risulta compensato termicamente . anche con bassi segnali in uscita, li rivelatore secondo la presente invenzione' è inoltre privo di un circuito differenziale, dato che in assenza di segnale a radiofrequenza in ingresso la tensione di uscita è uguale a zero. Another advantage of the detector according to the present invention is given by the fact that it can work even without a suitable diode bias circuit, since the detector is thermally compensated. even with low output signals, the detector according to the present invention is furthermore devoid of a differential circuit, since in the absence of an input radiofrequency signal the output voltage is equal to zero.

Un ulteriore vantaggio del rivelatore secondò la presente invenzione è dato dal ■ fatto che, se il rivelatore viene alloggiato all'interno di un contenitore ed una delle sùe linee principali viene cóllegata a terra, il segnale in uscita da esso può essere prelevato attraverso una sola connessione e non due come avviene nei rivelatori noti. A further advantage of the detector according to the present invention is given by the fact that, if the detector is housed inside a container and one of its main lines is connected to earth, the output signal from it can be picked up through a single connection and not two as occurs in known detectors.

Ulteriori caratteristiche della presente, invenzione ritenute innovative formano oggetto delle rivendicazioni dipendenti Further characteristics of the present invention considered innovative form the subject of the dependent claims

Breve descrizione delle figure Brief description of the figures

Altri vantaggi e caratteristiche del rivelatore secondo la presente invenzione risulteranno evidenti agli esperti del ramo dalla seguente dettagliata descrizione di due sue forme realizzative fomite a titolo di esempio non avente carattere limitativo e corredata dagli annessi disegni in cui: Other advantages and characteristics of the detector according to the present invention will become evident to those skilled in the art from the following detailed description of two of its embodiments provided by way of non-limiting example and accompanied by the attached drawings in which:

- la figura 1 mostra uno schema circuitale di uria prima forma realizzativa del rivelatore secondo la presente invenzione; Figure 1 shows a circuit diagram of a first embodiment of the detector according to the present invention;

- la figura 2 mostra un grafico del rapporto tra la potenza del segnale in ingresso ed il livello del segnale in uscita relativo al rivelatore di fig. 1;, - figure 2 shows a graph of the relationship between the power of the input signal and the level of the output signal relative to the detector of fig. 1 ;,

- la figura 3 mostra uno schema circuitale di una seconda forma realizzativa del rivelatore secondo- la presente invenzione; e Figure 3 shows a circuit diagram of a second embodiment of the detector according to the present invention; And

- la figura 4- mostra un grafico del rapporto tra la potenza del’ segnale in ingresso ed il livello del segnale in uscita relativo al rivelatore di fig. 3. - Figure 4- shows a graph of the relationship between the power of the input signal and the level of the output signal relating to the detector in fig. 3.

Descrizione dettagliata di una prima forma di realizzazione dell'Invenzione Facendo riferimento alla figura 1, si vede che il rivelatore secondo la presente invenzione, nella sua forma più semplice, comprende in modo noto una coppia di terminali d’ingresso 1, 1' ai quali viene trasmesso il segnale in ingresso Vj proveniente da una sorgente esterna 2 avente una resistenza interna RGl indicata in figura con un resistore 3. I terminali 1, 1’ sono collegati mediante una còppia di linee 4, 4’ ad una coppia di terminali d'uscita 5, 5' dai quali viene emesso il segnale rivelato V0. Sulla linea 4 è collegato in serie un diodo 6, preferibilmente un diodo Schottky del tipo low barrier, caratterizzato da una tensione diretta VD1 ed una resistenza interna RDI, indicata in figura con un resistore 7. Tra le linee 4 e 4' è disposto, sempre in modo noto, un resistore 9 di resistenza RL ed un circuito di chiusura per le correnti a radiofrequenza comprendente nella sua forma più semplice un condensatore 8 di capacità C. Detailed description of a first embodiment of the invention With reference to Figure 1, it can be seen that the detector according to the present invention, in its simplest form, comprises in a known way a pair of input terminals 1, 1 'to which the input signal Vj coming from an external source 2 having an internal resistance RGl indicated in the figure with a resistor 3 is transmitted. The terminals 1, 1 'are connected by means of a pair of lines 4, 4' to a pair of terminals of output 5, 5 'from which the detected signal V0 is emitted. A diode 6 is connected in series on line 4, preferably a Schottky diode of the low barrier type, characterized by a forward voltage VD1 and an internal resistance RDI, indicated in the figure with a resistor 7. Between lines 4 and 4 'is arranged, always in a known way, a resistor 9 of resistance RL and a closing circuit for radio frequency currents comprising in its simplest form a capacitor 8 of capacity C.

Il rivelatore secondo la presente invenzione comprende un ulteriore diodo -10 ed un ulteriore, resistore 11, i quali costituiscono l’aspetto innovativo dell’invenzione. Il diodo 10, opportunamente collegato in serie al resistore 9 tra la coppja, di linee 4; 4’, funge da diodo di riferimento per compensare gli effetti, delle variazioni di temperatura sul diodo 6, per cui le sue caratteristiche elettriche devono essere il più possibile uguali a quelle del diodo 6. Nella presente forma realizzativa anche il diodo' 10 è un diodo Schottky del tipo low barrier,. preferibilmente ricavato dallo stesso wafer da cui è stato ricavato il diodo 6, per cui la sua corrente di saturazione ls, la sua tensione diretta VD2 e la sua resistenza interna RD2, indicata con un resistore 12, sono uguali a quelle del diodo 6. Analogamente, il resistore 11, per poter fungere da resistore di riferimento e compensare gli effetti delle variazioni di temperatura, deve avere la stessa resistenza RL del resistore 9. The detector according to the present invention comprises a further diode -10 and a further resistor 11, which constitute the innovative aspect of the invention. The diode 10, suitably connected in series to the resistor 9 between the pairs, of lines 4; 4 ', acts as a reference diode to compensate for the effects of temperature variations on the diode 6, so that its electrical characteristics must be as much as possible the same as those of diode 6. In the present embodiment also the diode' 10 is a Schottky diode of the low barrier type. preferably obtained from the same wafer from which the diode 6 was obtained, so that its saturation current ls, its forward voltage VD2 and its internal resistance RD2, indicated with a resistor 12, are the same as those of diode 6. Similarly , the resistor 11, in order to act as a reference resistor and compensate for the effects of temperature variations, must have the same resistance RL as the resistor 9.

Se la resistenza RL dei resistor! 9 e 11 viene scelta sufficientemente alta in modo che gli effètti della sorgente 2 sul rivelatore siano trascurabili, cioè RG << RL, si ha che: If the resistance RL of the resistors! 9 and 11 is chosen sufficiently high so that the effects of the source 2 on the detector are negligible, i.e. RG << RL, we have that:

dove io è la corrente rettificata che attraversa entrambi i diodi 6 e 10 (la corrente che attraversa il condensatore 8 è nulla), ponendoli nelle stesse condizioni di polarizzazione. where I is the rectified current flowing through both diodes 6 and 10 (the current flowing through capacitor 8 is zero), placing them under the same bias conditions.

Raccogliendo i0 si ottiene la seguente relazione: Collecting i0 we obtain the following relation:

Poiché, come è stato spiegato sopra, VDi e R01 sono rispettivamente uguali a VD2 e RD2 indipendentemente dalla temperatura -alla quale si trova il rivelatore, si giunge al seguente risultato: Since, as explained above, VDi and R01 are respectively equal to VD2 and RD2 regardless of the temperature at which the detector is located, the following result is obtained:

V0 = V/2. V0 = V / 2.

È pertanto evidènte che il segnale rettificato V0 in uscita dai terminali 5, 5' non viene influenzato dagli effetti delle variazioni di temperatura sui diodi 6 e 10. It is therefore evident that the rectified signal V0 at the output of the terminals 5, 5 'is not influenced by the effects of the temperature variations on the diodes 6 and 10.

Con riferimento alla figura 2, si vede che i risultati delle prove sperimentali sulla prima forma realizzativa del. rivelatore secondo la presente invenzione confermano la sostanziale insensibilità di questo alle VVariazioni di temperatura. In tale, figura è illustrato un grafico in scala logaritmica del rapporto tra la potenza P, (in dBm) del segnale V; in ingresso ai terminali 1, 1<' >ed il livello del segnale V0 (in Volt) in uscita dai terminali 5, 5'. Sono rappresentate in figura tre curve relative a tale rapporto in funzione di tre differenti livelli di temperatura: -30° C (illustrato con una linea continua), 25°C (illustrato con una linea tratteggiata) e 70° C (illustrato con una linea tratto-punto). Come si può notare, per segnali con potenze superiori a -15 dBm le curve sono sostanzialmente lineari e coincidenti a tutte le suddette temperature. Con potenze inferiori a -15 dBm, ovvero nella regione in cui la tensione VQ varia secondo una legge quadratica e non piu lineare, tali .curve divergono tra loro, in modo trascurabile a temperature superiori a -20° C e con un errore < 2 dB a temperature inferiori a -20° C. Ciò è dovuto ad effetti secondari d’instabilità sui diodi non polarizzati posti a bassa temperatura . With reference to Figure 2, it can be seen that the results of the experimental tests on the first embodiment of the. detector according to the present invention confirm its substantial insensitivity to temperature variations. This figure illustrates a logarithmic scale graph of the ratio between the power P, (in dBm) of the signal V; input to terminals 1, 1 <'> and the level of signal V0 (in Volts) output from terminals 5, 5'. The figure shows three curves relating to this ratio as a function of three different temperature levels: -30 ° C (illustrated with a solid line), 25 ° C (illustrated with a dashed line) and 70 ° C (illustrated with a line stroke-point). As can be seen, for signals with powers higher than -15 dBm the curves are substantially linear and coincident at all the above temperatures. With powers lower than -15 dBm, i.e. in the region in which the voltage VQ varies according to a quadratic law and no longer linear, these curves diverge from each other, negligibly at temperatures above -20 ° C and with an error <2 dB at temperatures below -20 ° C. This is due to secondary effects of instability on non-polarized diodes placed at low temperatures.

Descrizione dettagliata di una seconda forma di realizzazione dell'Invenzione Sebbene i risultati ottenuti con il rivelatore secondo !a presente invenzione siano comunque di gran lunga superiori rispetto ai rivelatori noti, se si desidera migliorare le prestazioni a temperature inferiori a -20° C è possibile modificare il circuito del rivelatore nel modo descritto qui di seguito. Detailed description of a second embodiment of the invention Although the results obtained with the detector according to the present invention are in any case far superior to known detectors, if it is desired to improve the performance at temperatures below -20 ° C it is possible modify the detector circuit as described below.

In figura 3 viene illustrata una seconda forma realizzativa del rivelatore secondo la presente invenzione, la quale comprende, oltre al circuito della prima forma realizzativa, un circuito di polarizzazione che serve ad evitare il problema d’instabilità dei diodi alle basse temperature descritto in precedenza. Tale circuito di polarizzazione comprende una sorgente di tensione in continua V+ collegata alla linea 4 a monte del diodo 6 attraverso un filtro 13 di-segnali a radiofrequenza, costituito ad esempio da un induttore. Polarizzando i diodi 6 e 10 con questo circuito, il rilevatore secondo la presente invenzione risulta insensibile alte variazioni di temperatura anche con potenze inferiori a -15 dBm. Figure 3 illustrates a second embodiment of the detector according to the present invention, which comprises, in addition to the circuit of the first embodiment, a biasing circuit that serves to avoid the problem of instability of the diodes at low temperatures described above. This bias circuit comprises a direct voltage source V + connected to the line 4 upstream of the diode 6 through a radio frequency signal filter 13, consisting for example of an inductor. By polarizing the diodes 6 and 10 with this circuit, the detector according to the present invention is insensitive to high temperature variations even with powers lower than -15 dBm.

Ne) grafico illustrato in figura 4, analogo a quello di figura 2, si vede infatti che le curve sperimentali relative al rapporto tra la potenza Pi del segnale V, in ingresso ed il livello del segnale V0 in uscita dalla seconda forma realizzativa del rivelatore secondo la presente invenzione sono sostanzialmente uguali a tutti i tre differenti livelli di temperatura sopra indicati. A differenza delle curve di figura 2, al decrescere del livello del segnale Vi le curve di figura 4 convergono ora asintoticamente ad un livellò di tensione che dipende dalla intensità di corrente di polarizzazione imposta al circuito. Ne) graph illustrated in figure 4, similar to that of figure 2, it can be seen in fact that the experimental curves relating to the ratio between the power Pi of the signal V, at the input and the level of the signal V0 at the output of the second embodiment of the detector according to the present invention are substantially the same at all three different temperature levels indicated above. Unlike the curves of Figure 2, as the level of the signal Vi decreases, the curves of Figure 4 now converge asymptotically to a voltage level which depends on the intensity of the bias current imposed on the circuit.

In un'altra forma realizzativa del rivelatore secondo la presente invenzione la linea 4’ può essere collegata a terra, per cui esso può essere inserito in un contenitore provvisto di un solo terminale 1 in ingresso ed un solo terminale 5 in uscita. In questo caso il condensatore 8 ed il diodo 10 risultano collegati a terra e la tènsione in uscita<' >V0 può essere misurata utilizzando un valore di riferimento uguale a zero. In another embodiment of the detector according to the present invention, the line 4 'can be connected to earth, so it can be inserted in a container provided with only one terminal 1 at the input and only one terminal 5 at the output. In this case the capacitor 8 and the diode 10 are connected to ground and the output voltage <'> V0 can be measured using a reference value equal to zero.

In un'altra forma realizzativa del rivelatore secondo la presente invenzione il condensatore 8 è sostituito da<' >un tratto di linea lungo . 1/4 di lunghezza d'onda alla frequenza di lavoro con una sua estremità collegata in parallelo a dette linee 4 e 4' mentre l'altra estremità è lasciata aperta. -Ulteriori varianti e/o aggiunte possono essere apportate dagli esperti del ramo alle forme realizzative qui descritte ed -illustrate restando nell’ambito dell’invenzione stessa. È ovvio infatti che altre forme realizzative del rivelatore secondo la presente invenzione possono comprendere uno o più dispositivi elettrici od.elettronici atti a migliorare il funzionamento e/o la precisione de! rivelatore stesso. In another embodiment of the detector according to the present invention, the capacitor 8 is replaced by <'> a long line segment. 1/4 wavelength at the working frequency with one end thereof connected in parallel to said lines 4 and 4 'while the other end is left open. - Further variations and / or additions can be made by those skilled in the art to the embodiments described and illustrated here, remaining within the scope of the invention itself. In fact, it is obvious that other embodiments of the detector according to the present invention may comprise one or more electrical or electronic devices suitable for improving the operation and / or accuracy of the detector. detector itself.

Claims

CLAIMS 1. Detector of signals (Vi) transmitted through at least one pair of input terminals (1, 1 ') connected, through at least one pair of lines (4, 4'), to at least. a pair of output terminals (5, 5 ') at the ends of which the rectified signal (V0) is available, called detector comprising: • a diode (6) connected in series on the first (4) of these lines; • a resistor (9) and a capacitor (8) connected in parallel between this pair of lines, characterized in that it comprises a further diode '(10) which has the same characteristics as the first diode (6) and is connected in series to said resistor (9) between said pair of lines (4, 4'), as well as a further resistor (11) which has the same resistance as the first resistor (9) and is connected in series to the first diode (6) on the first line (4).

2. Detector according to the previous claim, characterized in that said diodes (6, 10) are biased by means of a direct current source (V +), connected upstream of the first diode (6) through a filter (13) of the radio frequency signal .

3. Detector according to the preceding claim, characterized in that said filter (13) comprises an inductor. . .

4. Detector according to one of the preceding claims, characterized in that the second (4 ') of said lines (4, 4') is connected to earth.

5. Detector according to one of the preceding claims, characterized in that the diodes (6, 10) are made starting from a single base wafer.

6. Detector according to one of the preceding claims, characterized in that the diodes (6, 10) are Schottky diodes:

7. Detector according to the preceding claim, characterized in that the diodes (6, 10) are of the low barrier type.

8. Detector according to one of the preceding claims characterized by the fact that said capacitor 8 is replaced by a line section 1/4 wavelength long at the working frequency with one of its ends connected in parallel to said lines 4 and 4 'and the other end left open.