دیود سیگنال کوچک (Small Signal Diode)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
دیود سیگنال کوچک (Small Signal Diode) :
دیود سیگنال کوچک عملا همان دیود سیگنال است که در بالا توضیح داده شد، اما با تأکید بیشتر بر روی کاربرد در سطوح توان بسیار پایین و سیگنال های ضعیف. این دیودها برای پردازش سیگنال های الکتریکی با دامنه کم (معمولا کمتر از چند ولت) و جریان های پایین (چند میلی آمپر) طراحی شده اند. ویژگی اصلی آنها خطی بودن نسبی در ناحیه کاری و نویز پایین است.
در کاربردهای سیگنال کوچک، نویز ذاتی دیود اهمیت زیادی پیدا می کند. نویز شات (Shot Noise) و نویز گرمایی (Thermal Noise) از منابع اصلی نویز در دیودها هستند. دیودهای سیگنال کوچک با بهینه سازی ساختار و مواد نیمه هادی، نویز بسیار پایینی دارند و برای استفاده در مراحل اولیه تقویت کننده های حساس (پری امپ ها) و گیرنده های رادیویی مناسب هستند.
ناحیه کاری دیود سیگنال کوچک معمولا در قسمت ابتدایی منحنی مشخصه جریان-ولتاژ، جایی که جریان به صورت نمایی با ولتاژ تغییر می کند، قرار دارد. در این ناحیه، مقاومت دینامیک دیود (
\[ r_d = \frac{nV_T}{I_D} \]) که از مشتق منحنی به دست می آید، نسبتا بالا است. این مقاومت در تحلیل مدل سیگنال کوچک دیود به کار می رود.
\[ r_d = \frac{nV_T}{I_D} \]مدل سیگنال کوچک دیود برای تحلیل مدارات در فرکانس های پایین و متوسط، شامل یک مقاومت دینامیک (
\[ r_d \]) و یک خازن موازی (
\[ C_j \]) است. در فرکانس های بالا، اثر خازن پیوند (Junction Capacitance) نیز باید در نظر گرفته شود. این مدل به مهندسان اجازه می دهد تا رفتار دیود را در برابر تغییرات کوچک سیگنال به صورت خطی تقریب بزنند.
یکی از کاربردهای مهم دیود سیگنال کوچک در مدارات ضرب کننده آنالوگ (Analog Multipliers) و مدولاتورها است. در این مدارات، از خاصیت غیرخطی دیود برای تولید فرکانس های جمع و تفاضل استفاده می شود. به عنوان مثال، در یک مدولاتور تعادلی (Balanced Modulator) از چهار دیود برای تولید سیگنال مدوله شده با حذف حامل استفاده می شود.
در مدارات آشکارساز فاز (Phase Detector) و حلقه قفل فاز (Phase-Locked Loop - PLL)، از دیودهای سیگنال کوچک در ساختار ضرب کننده های آنالوگ استفاده می شود. اگرچه امروزه بیشتر این کارکردها توسط مدارات مجتمع دیجیتال انجام می شود، اما در فرکانس های بالا و توان پایین، هنوز از دیودهای مجزا استفاده می شود.
دیودهای سیگنال کوچک همچنین در ساختار پل های دیودی برای یکسوسازی سیگنال های ضعیف (مانند سیگنال خروجی یک پیکاپ گیتار یا میکروفون) به کار می روند. در این کاربردها، ولتاژ آستانه پایین دیود اهمیت دارد تا سیگنال های ضعیف نیز یکسو شوند. برای این منظور گاهی از دیودهای ژرمانیومی با ولتاژ آستانه حدود ۰.۳ ولت استفاده می شود.
از دیگر کاربردهای این دیودها می توان به مدارات نمونه بردار و نگهدارنده (Sample and Hold) اشاره کرد. در این مدارات، دیود به عنوان یک سوئیچ سریع عمل می کند و اجازه می دهد ولتاژ یک خازن تا مقدار لحظه ای سیگنال ورودی شارژ شود. سپس با قطع دیود، این ولتاژ بر روی خازن حفظ می شود. سرعت بالای سوئیچینگ دیودهای سیگنال کوچک برای دقت بالای نمونه برداری ضروری است.
در طراحی مدارات فرکانس بالا، باید به اثر پارازیتی بسته بندی (Package Parasitics) نیز توجه کرد. دیودهای سیگنال کوچک مخصوص فرکانس بالا (مانند دیودهای Beam-Lead) در بسته بندی های بسیار کوچک با اندوکتانس و ظرفیت خازنی پایین عرضه می شوند تا اثر مخرب بر روی سیگنال های فرکانس بالا را به حداقل برسانند.
از نظر فناوری ساخت، دیودهای سیگنال کوچک معمولا با روش انتشاری (Diffused) یا اپیتاکسیال (Epitaxial) ساخته می شوند. دیودهای اپیتاکسیال پلانار (Planar Epitaxial) مانند ۱N4148، دارای نویز پایین، قابلیت اطمینان بالا و پارامترهای پایدار در محدوده دمایی وسیع هستند و به همین دلیل پرکاربردترین نوع دیود سیگنال کوچک محسوب می شوند.
در نهایت، انتخاب دیود سیگنال کوچک مناسب برای یک کاربرد خاص نیازمند تعادل بین پارامترهایی مانند سرعت، نویز، ظرفیت خازنی، ولتاژ آستانه و حداکثر جریان است. با توجه به گستردگی کاربردهای این دیودها، تولیدکنندگان مختلف، خانواده های متنوعی از این دیودها را با ویژگی های متفاوت عرضه می کنند تا مهندسان بتوانند بهترین گزینه را برای نیاز خاص خود انتخاب کنند.
