Estudo Teórico e Experimental do Diodo Túnel e Modelagem de Circuitos Osciladores

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Vinicius Tayette da Nobrega, Rafael

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Abstract

The tunnel diode, known for the phenomenon of negative differential resistance (NDR), is a fundamental device for high-frequency applications such as oscillators and amplifiers. In this context, this work presents a theoretical and experimental study of the 1N3712 germanium (Ge) tunnel diode. Firstly, the I-V characteristic curve of the device was experimentally characterized. The parameters extracted from this curve were validated against the manufacturer’s nominal data, showing satisfactory agreement with a maximum error of 9.23%. In this way, using experimental data, a mathematical model based on cubic approximation was implemented to describe the NDR region, which allowed the derivation of negative differential conductance, with a minimum value of −4.6 mS. Subsequently, an oscillator circuit based on a 1N3712 tunnel diode was developed analytically and numerically. Thus, the theoretical cutoff (1.8 GHz) and oscillation (3.2 GHz) frequencies were calculated. Numerical simulations performed using MATLAB demonstrated the circuit’s ability to operate in both damped and stable oscillation modes. The numerical approach was validated by comparing the analytical and numerical oscillation frequencies, which showed an agreement of over 94.4%. Therefore, the output power was analyzed, determining the theoretical maximum limit of Pmax = 47 μW and a conversion efficiency of 40.4%. The analysis also investigated power degradation due to parasitic elements and operating frequency, resulting in output powers ranging from −13.4 dBm (45.7 μW) at 220 MHz to −26.7 dBm (2.2 μW) at 2.23 GHz. Finally, based on the results, it is concluded that the 1N3712 tunnel diode-based oscillator circuit is a potential candidate to fulfill the technical requirements of low-power wireless communication system applications.


Resumo

O diodo túnel, conhecido pelo fenômeno da resistência diferencial negativa (NDR, do inglês Negative Differential Resistance), é um dispositivo fundamental para aplicações de alta frequência, tais como osciladores e amplificadores. Neste contexto, este trabalho apresenta o estudo teórico e experimental do diodo túnel de Germânio (Ge) 1N3712. Para isso, primeiramente, realizou-se a caracterização experimental da curva característica I-V do dispositivo. Os parâmetros extraídos desta curva foram validados em comparação com os dados nominais do fabricante, apresentando uma concordância satisfatória, com erro máximo de 9,23%. Dessa forma, utilizando os dados experimentais, foi implementado o modelo matemático baseado na aproximação cúbica para descrever a região de NDR, o que permitiu a derivação da condutância diferencial negativa, com valor mínimo de −4,6 mS. Posteriormente, desenvolveu-se analítica e numericamente um circuito oscilador baseado em diodo túnel 1N3712. Assim, as frequências de corte (1,8 GHz) e oscilação (3,2 GHz) foram calculadas. As simulações numéricas, realizadas via MATLAB, demonstraram a capacidade do circuito de operar tanto em regime amortecido quanto em regime de oscilação estável. A abordagem numérica foi validada pela comparação entre as frequências de oscilação analíticas e numéricas, que apresentaram concordância superior a 94,4%. Sendo assim, analisou-se a potência de saída, determinando o limite teórico máximo de Pmax = 47 μW e uma eficiência de conversão de 40, 4%. A análise investigou também a degradação da potência devido aos elementos parasitas e frequência de operação, resultando em potências de saída de −13,4 dBm (45,7 μW) a 220 MHz até −26, 7 dBm (2,2 μW) a 2,23 GHz. Por fim, de posse dos resultados, conclui-se que o circuito oscilador baseado em diodo túnel 1N3712 é um potencial candidato para atender os requisitos técnicos de aplicações em sistemas de comunicação sem fio e de baixa potência.

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https://hdl.handle.net/20.500.14387/2793

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