Измеряем ВЧ напряжение обычным цифровым мультиметром постоянного тока

Разновидности диодных детекторов, их чувствительность и максимальные уровни измеряемых высокочастотных напряжений

При налаживании или ремонте связной аппаратуры часто возникает необходимость измерения уровней напряжения высокой частоты в полосе: от сотен килогерц до сотен мегагерц. Значения напряжений исследуемых сигналов также могут находиться в довольно широком диапазоне: от десятков милливольт до десятков вольт.

Простейшим вариантом (при отсутствии заводского ВЧ вольтметра) может являться выносная головка, представляющая собой диодный выпрямитель, подключаемый кабелем к вольтметру постоянного тока (например, к цифровому мультиметру).

Конструкции детекторов для измерения ВЧ напряжений могут выполняться по-разному, рассмотрим основные разновидности (Рис.1).

Рис.1 Разновидности диодных детекторов

Чаще всего при измерении амплитудных значений ВЧ напряжений менее 1V, для выпрямления используются германиевые диоды, т. к. участки прямых ветвей вольт-амперных характеристик у них начинаются при вдвое меньших значениях напряжений, чем у кремниевых. ВАХ диодов Шоттки тоже лежит заметно "левее", чем у обычных кремниевых диодов, поэтому они также нашли распространение в детекторах. И хотя эффективность работы с малыми сигналами у них несколько хуже, чем у германиевых аналогов, однако более высокая температурная стабильность и высокие напряжения пробоя зачастую делают Шоттки предпочтительными в подобных устройствах. При детектировании ВЧ напряжений германиевый диод даёт ошибку около 60мВ, диод Шоттки – около 100мВ. При больших уровнях сигналов результат уменьшается на величину ошибки. При измерении напряжений ниже удвоенных уровней, приведённых выше, пассивный диодный детектор начинает давать значительные погрешности. Детекторы параллельного и после­до­ва­тельного типов (Рис.1) обладают схожими параметрами и с одинаковым успехом могут использоваться в измерителях ВЧ напряжений. Детекторы с удвоением напряжения также иногда встречаются в конструкциях ВЧ измерителей, но в связи с несколько более высокой нелинейностью на малых уровнях детектирования, широкого распростране­ния в данной ипостаси не нашли.

Повысить чувствительность детектора можно, подав на диоды прямой ток смещения, который сместит рабочую точку выпрямления в область односторонней проводимости.
Сделать это можно, подключив дополнительный источник напряжения. На нижней схеме рисунка Рис.1 показан подобный способ устранения “ступеньки”, в результате чего приемлемая точность показаний вольтметра начинается со значений в несколько десятков милливольт.
Номинал сопротивления 82кОм следует подобрать под конкретный тип и экземпляр диода для получения наилучшей компенсации напряжения “ступенька”.
Все приведённые выше ВЧ-пробники рассчитаны для работы с вольтметрами или цифровыми мультиметрами с входным сопротивлением не менее 1МОм.

Германиевые диоды – из числа: 1N60, 1N34, 1N270, ГД507, ГД508, Д311, Д18, Д20, Д9. Диоды с барьером Шоттки – любые малосигнальные диоды, например, 1N5711, ВАТ41 и т. д.

Верхний предел измеряемых уровней напряжений зависит от предельных характеристик выбранного диода и не должен превышать одной трети от максимально допустимого обратного напряжения полупроводника.

Незначительное усложнение детекторной головки с диодами Шоттки позволяет сдвинуть нижнюю границу измерений до значений в несколько десятков милливольт и получить максимальное ВЧ напряжение, которое можно измерять головкой, до нескольких десятков вольт.
Именно такое удачное устройство привёл Борис Степанов в статье под названием «ВЧ вольтметр на диоде Шоттки» (журнал Радио №1 - 2008, с. 61-62). Вот что пишет автор:

«Способ этот не нов – его применяли ещё на заре полупроводниковой электроники. Речь идёт о пропускании через диод небольшого постоянного тока в прямом направлении. Схема детекторной головки такого типа показана на Рис.2.

Рис.2 Схема измерительной головки ВЧ вольтметра с диодами Шоттки

Значение тока через измерительный диод VD1 определяется сопротивлением резистора R1 и в данном случае примерно равно 20 мкА. При этом падение напряжения на диоде будет около 0,2В. Для того чтобы исключить его влияние на результаты измерений, на второй вход мультиметра надо подать точно такое же напряжение. Его можно получить с помощью обычного резистивного делителя, но лучше это сделать введением второго диода Шоттки VD2. Одинаковые напряжения на обоих диодах устанавливают переменным резистором R2 по нулевым показаниям мультиметра в отсутствие напряжения на входе головки.
Этот диод не используется для измерения напряжения, но если его поместить рядом с диодом VD1 (в тепловом контакте с ним), повысится температурная стабильность работы измерительной головки. Это особенно важно при измерении самых малых ВЧ напряжений.
Дело в том, что при изменении окружающей температуры изменения падения напряжения на обоих диодах будут примерно одинаковыми, и балансировка головки не будет нарушаться.
Испытания головки показали, что её чувствительность при малых напряжениях заметно повысилась, а зависимость показаний мультиметра от ВЧ напряжения на входе головки у неё практически совпадает с аналогичном зависимостью для головки с германиевым диодом.

Максимально допустимое обратное напряжение диодов Шоттки ВАT41 — 100 В. Следовательно, максимальное ВЧ напряжение, которое можно измерять головкой с таким диодом — примерно 35 В (действующее значение). Ёмкость перехода диода при обратном смещении 1В не превышает 2пФ.
Измерения показали что у головки с диодом ВАТ41 нет частотной зависимости показаний, по крайней мере до 30 МГц (на более высокой частоте проверка не производилась).
В измерительной головке можно применить и другие импортные диоды, например BAR28, 1N5711 или 1N6263. Все три диода имеют близкие характеристики. Они немного уступают BAR41 по максимально допустимому обратному напряжению (70 В), но имеют заметно меньшую ёмкость — около 2 пФ при нулевом напряжении на диоде (!) и должны работать на частотах несколько сотен мегагерц.

Головку можно запитать и от двух элементов АА, общим напряжением 3В. АА обеспечат работу измерительной головки на протяжении очень длительного времени, даже без отключения питания, поскольку потребляемый ею ток сопоставим с током саморазрядки элементов. При таком питании сопротивление резисторов R1 и R3 следует уменьшить до 300 кОм. Уменьшение тока через диод до 10 мкА не сказывается на характеристиках измерительной головки».