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ADI:驱动 PIN 二极管: 运算放大器计划

文章转自ADI官网,版权归属原作者所有 PIN二极管在重掺杂的P 区和 N 区之间夹

文章转自ADI官网,版权归属原作者一切

PIN二极管在重掺杂的P 区和 N 区之间夹有一层轻掺杂的本征区(I),此类二极管广泛用于射频与微波范畴。常见运用是要求高隔离度和低损耗的微波开关、移相器和衰减器。在测验设备、仪器仪表、通讯设备、雷达和各种军事运用中,能够发现这类二极管的身影。

开关电路中,每个 PIN 二极管都有附随的 PIN 二极管驱动器或开关驱动器,用来供给受控正向偏置电流、反向偏置电压以及操控信号(一般是一个数字逻辑指令)与一个或多个 PIN 二极管之间的激活接口。依据运用需求,能够选用分立规划或专门 IC 完结这种驱动器功用。

另一方面,也能够运用到处可得的运算扩大器以及箝位扩大器、差分扩大器等特别扩大器作为备选计划,代替分立 PIN 二极管驱动电路和贵重的 PIN 二极管驱动器 IC。此类运算扩大器具有宽带宽、高压摆率和富余的稳态电流,可驱动 PIN 二极管。本文评论三种不同的 PIN 驱动器电路,它们选用运算扩大器或特别扩大器:AD8037、AD8137 和 ADA4858-3。这些电路规划用于单刀双掷 (SPDT) PIN 二极管开关,但也能够对其进行修正,以合适其它电路装备。在详细阐明这些电路之前,本文将先评论 PIN 二极管的特性和运用。

PIN 二极管

PIN 二极管用作电流操控电阻,作业在 RF 和微波频率,正向偏置(”导通”)时其电阻只要几分之一欧姆,反向偏置(”截止”)时其电阻高达10 kΩ以上。与典型的PN 结二极管不同,PIN 二极管的 P 区与N区之间多了一层高阻性本征半导体资料(用 PIN 中的”I”标明),如图 1 所示。

Figure 1
图 1. PIN 二极管

当 PIN 二极管正向偏置时,来自 P 资料的空穴和来自 N 资料的电子注入I 区。电荷并不能当即完结从头兼并;电荷从头兼并所需的有限时刻量称为”载流子生命周期”。这导致I 区中存在净存储电荷,因而其电阻会降至某一个值,称为二极管的有用导通电阻RS(图 2a)。

当施加反向或零偏置电压时,二极管出现为一个大电阻 RP它与电容CT 并联(图2b)。经过改动二极管几许结构,能够使 PIN 二极管具有不同的 RS CT 组合,以满意各种电路运用和频率规模的需求。

Figure 2
图2. PIN 二极管等效电路:a) 导通IBIAS >> 0. b) 截止, VBIAS ≤ 0.

驱动器供给的稳态偏置电流ISS和反向电压一起决议RS CT的最终值。图 3 和图 4 显现了典型PIN 二极管系列——M/A-COM MADP 042XX8-130601系列硅二极管的参数联系。二极管资料会影响其特性。例如,砷化镓(GaAs) 二极管简直不需求反向偏置就能完结低CT值,如图 9 所示。

Figure 3
图3. 硅二极管导通电阻与正向电流的联系
Figure 4
图4. 硅二极管电容与反向电压的联系

PIN 二极管中存储的电荷能够运用公式1进行近似核算。

Equation 1
    (1)

其间:

QS = 存储的电荷

τ = 二极管载流子生命周期

ISS = 稳态电流

要导通或截止二极管,有必要注入或移除所存储的电荷。驱动器的作业便是以极快的速度注入或移除所存储的电荷。假如开关时刻小于二极管的载流子生命周期,则能够运用公式2 近似核算完结快速开关所需的峰值电流(IP).

Equation 2
    (2)

其间:

t = 所需的开关时刻

ISS = 驱动器所供给的稳态电流,用来设置PIN 二极管导通电阻RS

τ = 载流子生命周期

驱动器注入或移除电流(或”尖峰电流”)i 能够标明为公式3。

Equation 3
    (3)

其间:

C = 驱动器输出电容(或”尖峰电容”)的值

v = 输出电容上的电压

dv/dt = 电容上的电压的时刻改动率

PIN二极管偏置接口

将开关驱动器操控电路与PIN 二极管相连,以便经过施加正向或反向偏置来开关二极管,是一项具有挑战性的作业。偏置电路一般运用一个低通滤波器,它坐落 RF 电路与开关驱动器之间。图5 显现了一个单刀双掷(SPDT) RF 开关及其偏置电路。当设置妥其时,滤波器L1/C2 和L3/C4 答应将操控信号施加于PIN 二极管D1–D4,操控信号与RF 信号(从RF IN 切换至PORT 1 或PORT 2)的相互影响很少。这些元件答应频率相对较低的操控信号经过PIN 二极管,但会阻挠高频信号逃离RF 信号途径。不正常的RF 能量损耗意味着开关的插入损耗过高。电容C1、C3 和C5 阻挠施加于二极管的直流偏置侵入RF 信号途径中的电路。直流接地回路中的电感L2 答应直流和低频开关驱动器信号轻松经过,但关于RF 和微波频率则会出现高阻抗,然后下降RF 信号损耗。

Figure 5
图5. 典型单刀双掷(SPDT) RF 开关电路

偏置电路、RF 电路和开关驱动器电路全都会发作交互影响互相的功用,因而像一切规划相同,权衡考虑各种要素十分重要。例如,较大的C2和C4 (>20 pF) 对RF 功用有利,但对驱动器则是费事,因为大电容会导致上升沿和下降沿较慢。快速开关对大多数运用都有利;因而,为了完结最佳驱动器功用,电容有必要极小,但为了满意RF 电路要求,电容又有必要足够大。

传统PIN 二极管驱动器

PIN 二极管驱动器有各种形状和尺度。图6 给出了一个可供给高开关速度的典型分立开关驱动器的原理图。这种驱动器既能够选用”片线”(混合)结构来完结,也能够选用”表贴”(SMT) 器材来完结;前者十分贵重,后者虽不贵重,但需求的印刷电路板(PCB) 面积多于混合结构。

Figure 6
图6. 分立开关驱动器电路

还有专用开关驱动器集成电路(IC);这些 IC 十分紧凑,供给TTL 接口,并具有杰出的功用,但灵敏性有限,并且往往很贵重。

还有一种开关驱动器架构应当考虑,即选用运算扩大器。运算扩大器开关驱动器的显着优势在于其本身的灵敏性,能够轻松地对其进行装备,以习惯不同的运用、电源电压和条件,为规划人员供给丰厚的规划选项。

运算扩大器PIN 二极管驱动器

运算扩大器电路是一种很有吸引力的PIN 二极管驱动备选计划。除灵敏性外,这种电路常常还能以挨近或超越1000 V/μs的跃迁速度作业。下面将介绍三种不同的RF PIN 二极管扩大器驱动电路。所选扩大器虽然在底子特征上各不相同,但都能履行相似的功用。这些扩大器电路能够驱动硅或砷化镓(GaAs) PIN 二极管,但各有各的特色。

AD8037 —箝位扩大器

该电路能以最高10 MHz 的频率作业,具有超卓的开关功用,总传达推迟为15 ns。经过改动增益或箝位电压,能够调整输出电压和电流,以习惯不同的运用。

箝位扩大器AD80372本来规划用于驱动ADC,可供给箝位输出以维护A D C 输入不发作过驱。图7 所示装备用一对AD8037(U2 和 U3)驱动 PIN 二极管。

Figure 7
图7. AD8037 PIN 二极管驱动器电路

本例中,U2 和U3 选用同相装备,增益为4。运用AD8037 的共同输入箝位特性,能够完结极端洁净和准确的箝位。它能够线性扩大输入信号,最高可达增益乘以正负箝位电压((VCH 和 VCL)。当增益为4 且箝位电压为±0.75 V 时,假如输入电压小于±0.75 V,则输出电压等于输入电压的4 倍;假如输入电压大于±0.75 V,则输出电压箝位在最大值±3 V。这一箝位特性使得过驱康复十分快(典型值小于2 ns)。箝位电压(VCH 和 VCL) 由分压器 R2、R3、R7 和 R8 确认。

数字接口由74F86 XOR 逻辑门(U1) 完结,它供给U2 和U3 所用的驱动信号,两路互补输出之间的传达推迟偏斜极小。电阻网络R4、R5、R6 和R9 将TTL输出电平转化为大约±1.2 V,然后经过R10 和 R12馈送给 U2 和 U3。

U2 和 U3 的±1.2-V 输入供给 60% 过驱,以保证输出会进入箝位状况(4 ×0.75 V)。因而,硅PIN 二极管驱动器的输出电平设为±3 V。电阻 R16 和 R17 约束稳态电流。电容 C12 和C13 设置 PIN 二极管的尖峰电流。

AD8137 —差分扩大器

差分扩大器(本例所用的AD8137)能够低成本供给超卓的高速开关功用,并使规划人员能够十分灵敏地驱动各种类型的RF 负载。有各式各样的差分扩大器3 可供运用,包含速度更快、功用更高的一些器材。

高速差分扩大器 AD81374 一般用于驱动 ADC,但也能够用作低成本、低功耗 PIN 二极管驱动器。其典型开关时刻为 7 ns 至 11 ns,其间包含驱动器和 RF 负载的传达推迟。它供给互补输出,功用多样,能够代替贵重的传统驱动器。

图 8 所示电路将单端TTL输入(0 V 至 3.5 V)转化为互补±3.5V 信号,一起可使传达推迟最小。TTL 信号扩大 4 倍,在 AD8137 输出端发生所需的±3.5V 摆幅。TTL 信号的中点(或共模电压)为 1.75 V;有必要将相同的电压施加于R2,作为参阅电压VREF,防止在扩大器输出端引进共模失调差错。最好从一个低源阻抗驱动此点;任何串联阻抗都会添加到R1 上,然后影响扩大器增益。

Figure 8
图8. PIN 二极管驱动器原理图

输出电压增益可由公式4 核算:

Equation 4
    (4)

为正确端接脉冲发作器的输入阻抗,使之为50 Ω,需求确认差分扩大器电路的输入阻抗。这能够运用公式 5 核算,得出RT = 51.55 Ω, 与之最挨近的规范 1% 电阻值为 51.1 Ω。关于对称的输出摆幅,两个输入网络的阻抗有必要相同。这意味着,反相输入阻抗有必要将信号源的Thévenin 阻抗和端接电阻归入增益设置电阻R2。有关概况,请参阅运用笔记 AN-10265.

Equation 5
    (5)

图8 中, R2 约比R1 大20 Ω,以补偿源电阻RS与端接电阻RT的并联组合所引进的额定电阻(25 Ω)。将R4 设为1.02 kΩ(最挨近1.025 kΩ的规范电阻值),以保证两个电阻比持平,防止引进共模差错。

输出电平转化很简单运用AD8137 的VOCM引脚来完结,该引脚设置直流输出共模电平。本例中, VOCM 引脚接地,以供给关于地的对称输出摆幅。

电阻R5 和 R6 设置稳态 PIN 二极管电流,如公式 6 所示。

Equation 6
    (6)

电容C5 和 C6 设置尖峰电流,该电流有助于注入和移除PIN 二极管中存储的电荷。能够依据特定二极管负载要求,调整这些电容的值,完结功用优化。尖峰电流能够由公式7 核算。

Equation 7
    (7)

ADA4858-3 —内置电荷泵的三通道运算扩大器

许多运用只供给一个电源,这常常令电路规划人员感到尴尬,尤其是当需求在PIN 电路中供给低关断电容时。这种情况下,硅或 GaAs PIN 二极管驱动电路能够运用片上集成电荷泵的运算扩大器,而不需求外部负电源;其优点是能够显着节约空间、功耗和预算。

高速电流反应型三通道扩大器ADA4858-36便是这样一种器材,它具有超卓的特性,片上集成电荷泵,输出摆幅能够到达地电压以下–3 V 至 –1.8 V(详细取决于电源电压和负载)。该器材十分鲁棒,能够真正为其它电路供给最高50 mA 的负电源电流。

ADA4858-3 为单电源体系中的互补PIN 二极管微波开关驱动问题供给了一种共同的处理计划。回忆图 4,从中能够看出:即便很少数的反向偏置也有助于下降二极管电容 CT,详细取决于PIN 二极管的类型。此类驱动器对GaAs PIN 二极管很有利,因为这种二极管一般不需求很大的负偏置就能使关断电容(CT)坚持较小的值(图 9)。

Figure 9
图9. GaAs CT电容与电压的联系

图10 所示电路用ADA4858-3 作为 PIN 二极管驱动器。能够在输入端添加一个缓冲门,使该电路兼容 TTL 或其它逻辑。对此电路的要求是将 TTL 0V 至 3.5V 输入信号摆幅转化为互补 –1.5V至 +3.5V摆幅,用于驱动 PIN 二极管。

Figure 10
图10. ADA4858-3 用作 PIN 二极管驱动器

R1、R2、R3 和 U1C 构成该电路的 –1.5V 基准电压,内部负电压CPO 由片内电荷泵发生。电容C3 和C4 是电荷泵作业所必需的。负基准电压随后经过火压器(R5 和 R9)与VTTL 输入以无源方法兼并。所发生的电压(VRD)出现在U1B 的同相输入端。U1B 输出电压能够运用公式8 核算。

Equation 8
    (8)

其间:

Equation 9
    (9)

负基准电压也被馈送至扩大器U1A,在其间与 TTL 输入兼并,所得输出电压V2 能够运用公式10 核算。

Equation 10
    (10)

这些扩大器选用电流反应架构,因而必需留意反应电阻的挑选,反应电阻关于扩大器的稳定性和频率呼应有着重要作用。关于本运用,反应电阻设为 294 Ω,这是数据手册所引荐的值。输出电压V1 和V2 别离能够用公式8 和公式10 标明。输出尖峰电流量能够运用公式3 和电容C5、C6 上的电压确认。设置 PIN 二极管导通电阻的稳态电流由 R11 与 R12 上的电压差确认,并取决于 PIN 二极管曲线和体系要求。

关于本运用,RF 开关负载为 MASW210B-1 硅 PIN 二极管单刀双掷(SPDT)开关,用于微波下变频器的前端(图 11)。

Figure 11
图 11. 下变频器功用框图

开关输出波形和TTL输入信号如图12 所示。请留意,上升沿和下降沿十分峻峭。因为开关的开关时刻要求相对较慢(约为50ns),因而本运用没有运用尖峰电容C5和C6。设置稳态二极管电流的电阻 R11 和 R12 均为 330 Ω。

Figure 12
图12. 显现 RF 开关速度的波形
Figure 13
图 13. 下变频器的频谱呼应

图13 显现了下变频器前端的频谱呼应;开关SW1 坐落固定方位,以消除插入损耗。请留意,图中不存在谐波或边带,充沛标明没有显着的 100 kHz 开关伪像从 ADA4858-3 片内电荷泵散出,这是在此类运用中运用这些器材的重要考虑要素。

定论

如以上三例所示,运算扩大器能够创造性地用作传统扩大器的代替计划,其功用与 PIN 二极管专用驱动 IC 适当。此外,运算扩大器能够供给增益调整和输入操控功用,并且当运用内置电荷泵的运算扩大器时,无需负电源,这就提高了PIN 二极管的驱动器和其它电路的规划灵敏性。运算扩大器易于运用和装备,能够相对轻松地处理复杂问题。

参阅电路

Hiller, Gerald. Design with PIN Diodes. M/A-COM Application Note AG312.

Understanding RF/Microwave Solid State Switches and Their Applications. Agilent Application Note.

称谢

开关速度和频谱数据、RF 负载以及测验设备由美国新罕布什尔州哈德逊Sage Laboratories友谊供给。首席技能官 Tony Cappello 为测验供给了便当,工程副总裁 David Duncan 供给了技能帮忙。

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