驅(qū)動(dòng)PIN二極管: 運(yùn)算放大器方案
發(fā)布時(shí)間:2020-01-15 來(lái)源:John Ardizzoni 責(zé)任編輯:wenwei
【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??焖匍_(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?,可以調(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??梢愿鶕?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?;仡檲D 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 二極管的類型。此類驅(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??梢栽谳斎攵嗽黾右粋€(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。
推薦閱讀:
特別推薦
- 是否存在有關(guān) PCB 走線電感的經(jīng)驗(yàn)法則?
- 一文看懂電壓轉(zhuǎn)換的級(jí)聯(lián)和混合概念
- 第12講:三菱電機(jī)高壓SiC芯片技術(shù)
- 準(zhǔn) Z 源逆變器的設(shè)計(jì)
- 貿(mào)澤電子持續(xù)擴(kuò)充工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品陣容
- 低功耗嵌入式設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介
- 如何通過(guò)基本描述找到需要的電容?
技術(shù)文章更多>>
- 聯(lián)發(fā)科與NVIDIA合作 為NVIDIA 個(gè)人AI超級(jí)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)NVIDIA GB10超級(jí)芯片
- 國(guó)產(chǎn)工業(yè)核心零部件崛起背后,華丞電子的智慧與突破
- 歐盟新規(guī)實(shí)施:新車(chē)必須安裝
- 破局時(shí)效,跨越速運(yùn)領(lǐng)航零擔(dān)快運(yùn)新征途
- 瑞典名企Roxtec助力構(gòu)建安全防線
技術(shù)白皮書(shū)下載更多>>
- 車(chē)規(guī)與基于V2X的車(chē)輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車(chē)安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車(chē)模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車(chē)用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門(mén)搜索
云計(jì)算
云母電容
真空三極管
振蕩器
振蕩線圈
振動(dòng)器
振動(dòng)設(shè)備
震動(dòng)馬達(dá)
整流變壓器
整流二極管
整流濾波
直流電機(jī)
智能抄表
智能電表
智能電網(wǎng)
智能家居
智能交通
智能手機(jī)
中電華星
中電器材
中功率管
中間繼電器
周立功單片機(jī)
轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)
自耦變壓器
自耦調(diào)壓器
阻尼三極管
組合開(kāi)關(guān)