دیود بازیابی مرحله ای (Step Recovery Diode - SRD)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
دیود بازیابی مرحله ای (Step Recovery Diode - SRD) :
دیود بازیابی مرحله ای یا SRD (Step Recovery Diode) که با نام دیود ذخیره سازی بار (Charge Storage Diode) یا دیود Snap-off نیز شناخته می شود، یک نوع دیود نیمه هادی خاص است که برای تولید پالس های بسیار کوتاه و هارمونیک های فرکانس بالا طراحی شده است. ویژگی منحصر به فرد این دیود، بازیابی معکوس (Reverse Recovery) بسیار ناگهانی و سریع آن است که منجر به تولید یک پالس ولتاژ با زمان خیزش (Rise Time) بسیار کوتاه می شود.
ساختار SRD شبیه یک دیود PIN است، اما با یک توزیع ناخالصی (Doping Profile) خاص در نزدیکی پیوند. این ساختار باعث می شود که در بایاس مستقیم، مقدار زیادی بار (حامل های اقلیت) در ناحیه نزدیک پیوند ذخیره شود. هنگامی که دیود از بایاس مستقیم به بایاس معکوس سوئیچ می شود، این بار ذخیره شده ابتدا اجازه می دهد جریان معکوس نسبتا بزرگی عبور کند و سپس به طور ناگهانی (Snap-off) قطع می شود.
زمان بازیابی معکوس (Reverse Recovery Time - t_rr) در SRD بسیار کوتاه است (در حد پیکوثانیه). اما مهم تر از آن، شکل موج جریان معکوس است. در یک دیود معمولی، جریان معکوس به تدریج کاهش می یابد. در SRD، جریان معکوس تا یک لحظه تقریبا ثابت می ماند و سپس به طور ناگهانی به صفر می رسد. این قطع ناگهانی جریان (Step Recovery) باعث تولید یک پالس ولتاژ با هارمونیک های فرکانس بالا می شود.
مکانیزم کار SRD به این صورت است: در بایاس مستقیم، حامل های اقلیت (الکترون ها در ناحیه P و حفره ها در ناحیه N) در نزدیکی پیوند ذخیره می شوند. با اعمال ناگهانی بایاس معکوس، این حامل ها ابتدا توسط میدان الکتریکی از پیوند خارج شده و جریان معکوس ایجاد می کنند. زمانی که تمام حامل های ذخیره شده تخلیه شدند، ناحیه تهی (Depletion Region) به سرعت تشکیل شده و جریان به طور ناگهانی قطع می شود. سرعت این قطع شدن (Snap-off) توسط ساختار دیود تعیین می شود.
پارامترهای مهم SRD عبارتند از: زمان بازیابی معکوس (t_rr)، زمان خیزش (Rise Time) پالس خروجی، ظرفیت خازنی پیوند (C_j)، حداکثر ولتاژ معکوس (V_RRM)، و حداکثر جریان مستقیم (I_F). زمان خیزش می تواند به کمتر از ۵۰ پیکوثانیه برسد که SRD را برای تولید هارمونیک ها تا محدوده فرکانسی میلی متری (چند ده گیگاهرتز تا ۱۰۰ گیگاهرتز) مناسب می سازد.
مهم ترین کاربرد SRD در ضرب کننده های فرکانس (Frequency Multipliers) است. با اعمال یک سیگنال سینوسی به SRD، پالس های بسیار کوتاه تولید می شود که شامل هارمونیک های قوی از فرکانس اصلی هستند. با فیلتر کردن، می توان هر یک از این هارمونیک ها را به عنوان خروجی گرفت. از این روش برای تولید سیگنال های پایدار در فرکانس های بالا (چندین برابر فرکانس کریستال مرجع) استفاده می شود.
کاربرد دیگر در مولدهای پالس (Pulse Generators) با پهنای پالس بسیار کوتاه است. پالس های تولید شده توسط SRD (در حد ده ها پیکوثانیه) برای تست مدارات، در مخابرات نوری، و در سیستم های راداری با وضوح بالا استفاده می شوند. همچنین در نمونه بردارهای پهن باند (Broadband Samplers) برای نمونه برداری از سیگنال های فرکانس بالا کاربرد دارد.
در مخابرات نوری، از SRD برای درایو مدولاتورهای الکترواپتیک (Electro-optic Modulators) استفاده می شود. پالس های کوتاه ولتاژ تولید شده توسط SRD می توانند برای ایجاد پالس های نوری بسیار کوتاه در لیزرها به کار روند. همچنین در سیستم های TDR (Time Domain Reflectometry) برای تشخیص عیوب در کابل ها و خطوط انتقال با وضوح بالا استفاده می شود.
SRDها همچنین در سنتز فرکانس (Frequency Synthesis) کاربرد دارند. با ترکیب SRD با یک فیلتر، می توان یک سیگنال فرکانس بالا (مثلا ۱۰ گیگاهرتز) از یک سیگنال فرکانس پایین (مثلا ۱۰۰ مگاهرتز) تولید کرد. این روش در مقایسه با استفاده از حلقه قفل فاز (PLL) برای ضرب فرکانس با ضرایب بالا، نویز فاز کمتری دارد.
مواد سازنده SRD معمولا سیلیکون (Silicon) برای فرکانس های تا چند گیگاهرتز و گالیوم آرسناید (Gallium Arsenide - GaAs) برای فرکانس های بالاتر (چند ده گیگاهرتز) است. SRDهای مبتنی بر GaAs زمان خیزش کوتاه تر و فرکانس کاری بالاتری دارند اما گران تر هستند.
در طراحی مدار با SRD، باید به تطبیق امپدانس (Impedance Matching) و بایاس مناسب توجه کرد. SRD معمولا نیاز به یک مدار تحریک (Drive Circuit) با جریان کافی و زمان خیزش سریع دارد. همچنین برای استخراج هارمونیک مورد نظر، از فیلترهای میان گذر (Bandpass Filters) با ضریب کیفیت (Q) بالا استفاده می شود.
یکی از چالش های استفاده از SRD، تولید نویز و هارمونیک های ناخواسته است. فیلتر کردن مناسب برای جدا کردن هارمونیک مورد نظر از سایر هارمونیک ها ضروری است. همچنین SRDها معمولا توان خروجی محدودی دارند و برای کاربردهای توان بالا مناسب نیستند.
در نهایت، SRD یک قطعه تخصصی برای تولید هارمونیک های فرکانس بالا و پالس های بسیار کوتاه است. با وجود پیشرفت در فناوری سنتز فرکانس دیجیتال و PLLها، SRD همچنان در کاربردهایی که نیاز به ضرب فرکانس با ضرایب بسیار بالا (۱۰۰ برابر یا بیشتر) و نویز فاز پایین دارند، یک گزینه جذاب محسوب می شود. این قطعه نقش مهمی در تجهیزات تست RF و مایکروویو، مخابرات نوری، و سیستم های راداری ایفا می کند.
