【導(dǎo)讀】PIN二極管在重?fù)诫s的P 區(qū)和 N 區(qū)之間夾有一層輕摻雜的本征區(qū)(I)，此類(lèi)二極管廣泛用于射頻與微波領(lǐng)域。常見(jiàn)應(yīng)用是要求高隔離度和低損耗的微波開(kāi)關(guān)、移相器和衰減器。在測(cè)試設(shè)備、儀器儀表、通信設(shè)備、雷達(dá)和各種軍事應(yīng)用中，可以發(fā)現(xiàn)這類(lèi)二極管的身影。
開(kāi)關(guān)電路中，每個(gè) PIN 二極管都有附隨的 PIN 二極管驅(qū)動(dòng)器或開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器，用來(lái)提供受控正向偏置電流、反向偏置電壓以及控制信號(hào)（通常是一個(gè)數(shù)字邏輯命令）與一個(gè)或多個(gè) PIN 二極管之間的激活接口。根據(jù)應(yīng)用需要，可以采用分立設(shè)計(jì)或?qū)ｉT(mén) IC 實(shí)現(xiàn)這種驅(qū)動(dòng)器功能。
另一方面，也可以使用隨處可得的運(yùn)算放大器以及箝位放大器、差分放大器等特殊放大器作為備選方案，代替分立 PIN 二極管驅(qū)動(dòng)電路和昂貴的 PIN 二極管驅(qū)動(dòng)器 IC。此類(lèi)運(yùn)算放大器具有寬帶寬、高壓擺率和充裕的穩(wěn)態(tài)電流，可驅(qū)動(dòng) PIN 二極管。本文討論三種不同的 PIN 驅(qū)動(dòng)器電路，它們采用運(yùn)算放大器或特殊放大器：AD8037、AD8137 和 ADA4858-3。這些電路設(shè)計(jì)用于單刀雙擲 (SPDT) PIN 二極管開(kāi)關(guān)，但也可以對(duì)其進(jìn)行修改，以適合其它電路配置。在詳細(xì)說(shuō)明這些電路之前，本文將先討論 PIN 二極管的特性和使用。
PIN 二極管
PIN 二極管用作電流控制電阻，工作在 RF 和微波頻率，正向偏置（"導(dǎo)通"）時(shí)其電阻只有幾分之一歐姆，反向偏置（"截止"）時(shí)其電阻高達(dá)10 k?以上。與典型的PN 結(jié)二極管不同，PIN 二極管的 P 區(qū)與N區(qū)之間多了一層高阻性本征半導(dǎo)體材料（用 PIN 中的"I"表示），如圖 1 所示。
圖 1. PIN 二極管
當(dāng) PIN 二極管正向偏置時(shí)，來(lái)自 P 材料的空穴和來(lái)自 N 材料的電子注入I 區(qū)。電荷并不能立即完成重新合并；電荷重新合并所需的有限時(shí)間量稱(chēng)為"載流子生命周期"。這導(dǎo)致I 區(qū)中存在凈存儲(chǔ)電荷，因而其電阻會(huì)降至某一個(gè)值，稱(chēng)為二極管的有效導(dǎo)通電阻RS（圖 2a）。
當(dāng)施加反向或零偏置電壓時(shí)，二極管呈現(xiàn)為一個(gè)大電阻 RP它與電容CT 并聯(lián)（圖2b）。通過(guò)改變二極管幾何結(jié)構(gòu)，可以使 PIN 二極管具有不同的 RS 和 CT 組合，以滿(mǎn)足各種電路應(yīng)用和頻率范圍的需要。
圖2. PIN 二極管等效電路：a) 導(dǎo)通，IBIAS >> 0. b) 截止, VBIAS ≤ 0.
驅(qū)動(dòng)器提供的穩(wěn)態(tài)偏置電流ISS和反向電壓共同決定RS 和 CT的最終值。圖 3 和圖 4 顯示了典型PIN 二極管系列——M/A-COM MADP 042XX8-130601系列硅二極管的參數(shù)關(guān)系。二極管材料會(huì)影響其特性。例如，砷化鎵(GaAs) 二極管幾乎不需要反向偏置就能實(shí)現(xiàn)低CT值，如圖 9 所示。
圖3. 硅二極管導(dǎo)通電阻與正向電流的關(guān)系
圖4. 硅二極管電容與反向電壓的關(guān)系
PIN 二極管中存儲(chǔ)的電荷可以利用公式1進(jìn)行近似計(jì)算。
(1)其中：
QS = 存儲(chǔ)的電荷
τ = 二極管載流子生命周期
ISS = 穩(wěn)態(tài)電流
要導(dǎo)通或截止二極管，必須注入或移除所存儲(chǔ)的電荷。驅(qū)動(dòng)器的工作就是以極快的速度注入或移除所存儲(chǔ)的電荷。如果開(kāi)關(guān)時(shí)間小于二極管的載流子生命周期，則可以利用公式2 近似計(jì)算實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)關(guān)所需的峰值電流(IP).
(2)其中：
t = 所需的開(kāi)關(guān)時(shí)間
ISS = 驅(qū)動(dòng)器所提供的穩(wěn)態(tài)電流，用來(lái)設(shè)置PIN 二極管導(dǎo)通電阻RS
τ = 載流子生命周期
驅(qū)動(dòng)器注入或移除電流（或"尖峰電流"）i 可以表示為公式3。
(3)其中：
C = 驅(qū)動(dòng)器輸出電容（或"尖峰電容"）的值
v = 輸出電容上的電壓
dv/dt = 電容上的電壓的時(shí)間變化率
PIN二極管偏置接口
將開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器控制電路與PIN 二極管相連，以便通過(guò)施加正向或反向偏置來(lái)開(kāi)關(guān)二極管，是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。偏置電路通常使用一個(gè)低通濾波器，它位于 RF 電路與開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器之間。圖5 顯示了一個(gè)單刀雙擲(SPDT) RF 開(kāi)關(guān)及其偏置電路。當(dāng)設(shè)置妥當(dāng)時(shí)，濾波器L1/C2 和L3/C4 允許將控制信號(hào)施加于PIN 二極管D1–D4，控制信號(hào)與RF 信號(hào)（從RF IN 切換至PORT 1 或PORT 2）的相互影響極少。這些元件允許頻率相對(duì)較低的控制信號(hào)通過(guò)PIN 二極管，但會(huì)阻止高頻信號(hào)逃離RF 信號(hào)路徑。不正常的RF 能量損耗意味著開(kāi)關(guān)的插入損耗過(guò)高。電容C1、C3 和C5 阻止施加于二極管的直流偏置侵入RF 信號(hào)路徑中的電路。直流接地回路中的電感L2 允許直流和低頻開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器信號(hào)輕松通過(guò)，但對(duì)于RF 和微波頻率則會(huì)呈現(xiàn)高阻抗，從而降低RF 信號(hào)損耗。
圖5. 典型單刀雙擲(SPDT) RF 開(kāi)關(guān)電路
偏置電路、RF 電路和開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器電路全都會(huì)發(fā)生交互影響彼此的性能，因此像所有設(shè)計(jì)一樣，權(quán)衡考慮各種因素十分重要。例如，較大的C2和C4 (>20 pF) 對(duì)RF 性能有利，但對(duì)驅(qū)動(dòng)器則是麻煩，因?yàn)榇箅娙輹?huì)導(dǎo)致上升沿和下降沿較慢。快速開(kāi)關(guān)對(duì)大多數(shù)應(yīng)用都有利；因此，為了實(shí)現(xiàn)最佳驅(qū)動(dòng)器性能，電容必須極小，但為了滿(mǎn)足RF 電路要求，電容又必須足夠大。
傳統(tǒng)PIN 二極管驅(qū)動(dòng)器
PIN 二極管驅(qū)動(dòng)器有各種形狀和尺寸。圖6 給出了一個(gè)可提供高開(kāi)關(guān)速度的典型分立開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器的原理圖。這種驅(qū)動(dòng)器既可以采用"片線"（混合）結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以采用"表貼"(SMT) 器件來(lái)實(shí)現(xiàn)；前者非常昂貴，后者雖不昂貴，但需要的印刷電路板(PCB) 面積多于混合結(jié)構(gòu)。
圖6. 分立開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器電路
還有專(zhuān)用開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器集成電路(IC)；這些 IC 十分緊湊，提供TTL 接口，并具有良好的性能，但靈活性有限，而且往往很昂貴。
還有一種開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)應(yīng)當(dāng)考慮，即采用運(yùn)算放大器。運(yùn)算放大器開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器的明顯優(yōu)勢(shì)在于其自身的靈活性，可以輕松地對(duì)其進(jìn)行配置，以適應(yīng)不同的應(yīng)用、電源電壓和條件，為設(shè)計(jì)人員提供豐富的設(shè)計(jì)選項(xiàng)。
運(yùn)算放大器PIN 二極管驅(qū)動(dòng)器
運(yùn)算放大器電路是一種很有吸引力的PIN 二極管驅(qū)動(dòng)備選方案。除靈活性外，這種電路常常還能以接近或超過(guò)1000 V/μs的躍遷速度工作。下面將介紹三種不同的RF PIN 二極管放大器驅(qū)動(dòng)電路。所選放大器雖然在根本特征上各不相同，但都能執(zhí)行類(lèi)似的功能。這些放大器電路可以驅(qū)動(dòng)硅或砷化鎵(GaAs) PIN 二極管，但各有各的特點(diǎn)。
AD8037 —箝位放大器
該電路能以最高10 MHz 的頻率工作，具有出色的開(kāi)關(guān)性能，總傳播延遲為15 ns。通過(guò)改變?cè)鲆婊蝮槲浑妷海梢哉{(diào)整輸出電壓和電流，以適應(yīng)不同的應(yīng)用。
箝位放大器AD80372原本設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)ADC，可提供箝位輸出以保護(hù)A D C 輸入不發(fā)生過(guò)驅(qū)。圖7 所示配置用一對(duì)AD8037（U2 和 U3）驅(qū)動(dòng) PIN 二極管。
圖7. AD8037 PIN 二極管驅(qū)動(dòng)器電路
本例中，U2 和U3 采用同相配置，增益為4。利用AD8037 的獨(dú)特輸入箝位特性，可以實(shí)現(xiàn)極其干凈和精確的箝位。它可以線性放大輸入信號(hào)，最高可達(dá)增益乘以正負(fù)箝位電壓（(VCH 和 VCL)。當(dāng)增益為4 且箝位電壓為±0.75 V 時(shí)，如果輸入電壓小于±0.75 V，則輸出電壓等于輸入電壓的4 倍；如果輸入電壓大于±0.75 V，則輸出電壓箝位在最大值±3 V。這一箝位特性使得過(guò)驅(qū)恢復(fù)非常快（典型值小于2 ns）。箝位電壓(VCH 和 VCL) 由分壓器 R2、R3、R7 和 R8 確定。
數(shù)字接口由74F86 XOR 邏輯門(mén)(U1) 實(shí)現(xiàn)，它提供U2 和U3 所用的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，兩路互補(bǔ)輸出之間的傳播延遲偏斜極小。電阻網(wǎng)絡(luò)R4、R5、R6 和R9 將TTL輸出電平轉(zhuǎn)換為大約±1.2 V，然后通過(guò)R10 和 R12饋送給 U2 和 U3。
U2 和 U3 的±1.2-V 輸入提供 60% 過(guò)驅(qū)，以確保輸出會(huì)進(jìn)入箝位狀態(tài)(4 ×0.75 V)。因此，硅PIN 二極管驅(qū)動(dòng)器的輸出電平設(shè)為±3 V。電阻 R16 和 R17 限制穩(wěn)態(tài)電流。電容 C12 和C13 設(shè)置 PIN 二極管的尖峰電流。
AD8137 —差分放大器
差分放大器（本例所用的AD8137）可以低成本提供出色的高速開(kāi)關(guān)性能，并使設(shè)計(jì)人員能夠十分靈活地驅(qū)動(dòng)各種類(lèi)型的RF 負(fù)載。有各種各樣的差分放大器3 可供使用，包括速度更快、性能更高的一些器件。
高速差分放大器 AD81374 通常用于驅(qū)動(dòng) ADC，但也可以用作低成本、低功耗 PIN 二極管驅(qū)動(dòng)器。其典型開(kāi)關(guān)時(shí)間為 7 ns 至 11 ns，其中包括驅(qū)動(dòng)器和 RF 負(fù)載的傳播延遲。它提供互補(bǔ)輸出，功能多樣，可以替代昂貴的傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器。
圖 8 所示電路將單端TTL輸入（0 V 至 3.5 V）轉(zhuǎn)換為互補(bǔ)±3.5V 信號(hào)，同時(shí)可使傳播延遲最小。TTL 信號(hào)放大 4 倍，在 AD8137 輸出端產(chǎn)生所需的±3.5V 擺幅。TTL 信號(hào)的中點(diǎn)（或共模電壓）為 1.75 V；必須將同樣的電壓施加于R2，作為參考電壓VREF，以免在放大器輸出端引入共模失調(diào)誤差。最好從一個(gè)低源阻抗驅(qū)動(dòng)此點(diǎn)；任何串聯(lián)阻抗都會(huì)增加到R1 上，從而影響放大器增益。
圖8. PIN 二極管驅(qū)動(dòng)器原理圖
輸出電壓增益可由公式4 計(jì)算：
(4)為正確端接脈沖發(fā)生器的輸入阻抗，使之為50 ?，需要確定差分放大器電路的輸入阻抗。這可以利用公式 5 計(jì)算，得出RT = 51.55 ?, 與之最接近的標(biāo)準(zhǔn) 1% 電阻值為 51.1 ?。對(duì)于對(duì)稱(chēng)的輸出擺幅，兩個(gè)輸入網(wǎng)絡(luò)的阻抗必須相同。這意味著，反相輸入阻抗必須將信號(hào)源的Thévenin 阻抗和端接電阻納入增益設(shè)置電阻R2。有關(guān)詳情，請(qǐng)參閱應(yīng)用筆記 AN-10265.
(5)圖8 中， R2 約比R1 大20 ?，以補(bǔ)償源電阻RS與端接電阻RT的并聯(lián)組合所引入的額外電阻(25 ?)。將R4 設(shè)為1.02 k?（最接近1.025 k?的標(biāo)準(zhǔn)電阻值），以確保兩個(gè)電阻比相等，避免引入共模誤差。
輸出電平轉(zhuǎn)換很容易利用AD8137 的VOCM引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)，該引腳設(shè)置直流輸出共模電平。本例中， VOCM 引腳接地，以提供關(guān)于地的對(duì)稱(chēng)輸出擺幅。
電阻R5 和 R6 設(shè)置穩(wěn)態(tài) PIN 二極管電流，如公式 6 所示。
(6)電容C5 和 C6 設(shè)置尖峰電流，該電流有助于注入和移除PIN 二極管中存儲(chǔ)的電荷。可以根據(jù)特定二極管負(fù)載要求，調(diào)整這些電容的值，實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化。尖峰電流可以由公式7 計(jì)算。
(7)ADA4858-3 —內(nèi)置電荷泵的三通道運(yùn)算放大器
許多應(yīng)用只提供一個(gè)電源，這常常令電路設(shè)計(jì)人員感到為難，尤其是當(dāng)需要在PIN 電路中提供低關(guān)斷電容時(shí)。這種情況下，硅或 GaAs PIN 二極管驅(qū)動(dòng)電路可以使用片上集成電荷泵的運(yùn)算放大器，而不需要外部負(fù)電源；其好處是可以顯著節(jié)省空間、功耗和預(yù)算。
高速電流反饋型三通道放大器ADA4858-36就是這樣一種器件，它具有出色的特性，片上集成電荷泵，輸出擺幅可以達(dá)到地電壓以下–3 V 至 –1.8 V（具體取決于電源電壓和負(fù)載）。該器件十分魯棒，可以真正為其它電路提供最高50 mA 的負(fù)電源電流。
ADA4858-3 為單電源系統(tǒng)中的互補(bǔ)PIN 二極管微波開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)問(wèn)題提供了一種獨(dú)特的解決方案。回顧圖 4，從中可以看出：即使很少量的反向偏置也有助于降低二極管電容 CT，具體取決于PIN 二極管的類(lèi)型。此類(lèi)驅(qū)動(dòng)器對(duì)GaAs PIN 二極管很有利，因?yàn)檫@種二極管通常不需要很大的負(fù)偏置就能使關(guān)斷電容(CT)保持較小的值（圖 9）。
圖9. GaAs CT電容與電壓的關(guān)系
圖10 所示電路用ADA4858-3 作為 PIN 二極管驅(qū)動(dòng)器。可以在輸入端增加一個(gè)緩沖門(mén)，使該電路兼容 TTL 或其它邏輯。對(duì)此電路的要求是將 TTL 0V 至 3.5V 輸入信號(hào)擺幅轉(zhuǎn)換為互補(bǔ) –1.5V至 +3.5V擺幅，用于驅(qū)動(dòng) PIN 二極管。
圖10. ADA4858-3 用作 PIN 二極管驅(qū)動(dòng)器
R1、R2、R3 和 U1C 形成該電路的 –1.5V 基準(zhǔn)電壓，內(nèi)部負(fù)電壓CPO 由片內(nèi)電荷泵產(chǎn)生。電容C3 和C4 是電荷泵工作所必需的。負(fù)基準(zhǔn)電壓隨后通過(guò)分壓器（R5 和 R9）與VTTL 輸入以無(wú)源方式合并。所產(chǎn)生的電壓(VRD)出現(xiàn)在U1B 的同相輸入端。U1B 輸出電壓可以利用公式8 計(jì)算。
(8)其中：
(9)負(fù)基準(zhǔn)電壓也被饋送至放大器U1A，在其中與 TTL 輸入合并，所得輸出電壓V2 可以利用公式10 計(jì)算。
(10)這些放大器采用電流反饋架構(gòu)，因此必需注意反饋電阻的選擇，反饋電阻對(duì)于放大器的穩(wěn)定性和頻率響應(yīng)有著重要作用。對(duì)于本應(yīng)用，反饋電阻設(shè)為 294 ?，這是數(shù)據(jù)手冊(cè)所推薦的值。輸出電壓V1 和V2 分別可以用公式8 和公式10 表示。輸出尖峰電流量可以利用公式3 和電容C5、C6 上的電壓確定。設(shè)置 PIN 二極管導(dǎo)通電阻的穩(wěn)態(tài)電流由 R11 與 R12 上的電壓差確定，并取決于 PIN 二極管曲線和系統(tǒng)要求。
對(duì)于本應(yīng)用，RF 開(kāi)關(guān)負(fù)載為 MASW210B-1 硅 PIN 二極管單刀雙擲（SPDT）開(kāi)關(guān)，用于微波下變頻器的前端（圖 11）。
圖 11. 下變頻器功能框圖
開(kāi)關(guān)輸出波形和TTL輸入信號(hào)如圖12 所示。請(qǐng)注意，上升沿和下降沿非常陡峭。由于開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)時(shí)間要求相對(duì)較慢（約為50ns），因此本應(yīng)用沒(méi)有使用尖峰電容C5和C6。設(shè)置穩(wěn)態(tài)二極管電流的電阻 R11 和 R12 均為 330 ?。
圖12. 顯示 RF 開(kāi)關(guān)速度的波形
圖 13. 下變頻器的頻譜響應(yīng)
圖13 顯示了下變頻器前端的頻譜響應(yīng)；開(kāi)關(guān)SW1 位于固定位置，以消除插入損耗。請(qǐng)注意，圖中不存在諧波或邊帶，充分表明沒(méi)有明顯的 100 kHz 開(kāi)關(guān)偽像從 ADA4858-3 片內(nèi)電荷泵散出，這是在此類(lèi)應(yīng)用中使用這些器件的重要考慮因素。
結(jié)論
如以上三例所示，運(yùn)算放大器可以創(chuàng)造性地用作傳統(tǒng)放大器的替代方案，其性能與 PIN 二極管專(zhuān)用驅(qū)動(dòng) IC 相當(dāng)。此外，運(yùn)算放大器可以提供增益調(diào)整和輸入控制功能，而且當(dāng)使用內(nèi)置電荷泵的運(yùn)算放大器時(shí)，無(wú)需負(fù)電源，這就提高了PIN 二極管的驅(qū)動(dòng)器和其它電路的設(shè)計(jì)靈活性。運(yùn)算放大器易于使用和配置，可以相對(duì)輕松地解決復(fù)雜問(wèn)題。
參考電路
Hiller, Gerald. Design with PIN Diodes. M/A-COM Application Note AG312.
Understanding RF/Microwave Solid State Switches and Their Applications. Agilent Application Note.
致謝
開(kāi)關(guān)速度和頻譜數(shù)據(jù)、RF 負(fù)載以及測(cè)試設(shè)備由美國(guó)新罕布什爾州哈德遜Sage Laboratories友情提供。首席技術(shù)官 Tony Cappello 為測(cè)試提供了便利，工程副總裁 David Duncan 提供了技術(shù)協(xié)助。
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