PIN射頻開關與PIN限幅器(doc10頁)完美版

1、1 PIN 射頻開關1.1 工作原理PIN 二極管是一個在射頻和微波頻段受偏置電流控制的可變阻抗器它的結構有三層，在硅半導體二極管的P 結和 N 結中間夾著高阻值的本征I 層。在正向電流偏置下，空穴和電子被注入到I 層。這些電荷不會立刻相互抵消而消失。而是會存在一定的時間這個時間定義為載流子壽命，這樣，就會產生并存儲一定的電荷量，這些電荷使得I 層的有阻抗降低到 R。當PIN 管處于零偏或反偏的時候，在I 層不會存儲電荷，這樣二極管就表現(xiàn)為一個電容 CT 并聯(lián)一個電阻R也就是利用了PIN 二極管在不同偏置電流下，存儲在I 層的電荷量的不同從而表現(xiàn)出高或低的阻抗值。PIN 二極管主要參數(shù)R 正向

2、偏置狀態(tài)下的串聯(lián)電阻C 零或反偏狀態(tài)下的電容R 零或反偏狀態(tài)下的并聯(lián)電阻V 最大允許的反偏直流電壓載流子壽命P 最大平均功耗1.2 PIN 二極管的射頻等效電路PIN 等效電路在等效電路中，L 為寄生電感，一般小于1nH ，在射頻(300KHz-30GHz )情況下其阻抗很小，可忽略。正向偏置時，阻抗主要由R S 決定，但R S 亦很小，所以在串聯(lián)電路中起導通作用，也就是開關的“開”。反向偏置時，電阻R p 和偏置電流成正比，與頻率成反比，其阻值遠大于電容C r 阻抗，因此阻抗主要由C r 決定，而C r 阻抗很大，因此在射頻電路中起到斷開作用，也就是“關”。1.3 PIN 開關的主要性能指標

3、帶寬:不僅開關的最高工作頻率會受到限制，最低工作頻率也會受到限制，如PI N 管就不能控制直流或低頻信號的通斷。受管子截止頻率的影響,開關還有一個上限工作頻率。要求開關的頻帶盡量寬，因為信號源的頻帶越來越寬。插入損耗和隔離度：插 入衰減定義為信號源產生的最大資用功率PA與開關導通時負載A獲得的實際功率PLD 之比，即PA/ P LD 。若開關在關斷時負載上的實際功率為PLD ，則表示隔離度，寫成分貝的形式。 根據(jù)網絡散射參量的定義，有。理想開關， 在斷開時衰減無限大， 導通時衰減為零，一般只能要求兩者比值盡量大。由于PI N 管的阻抗不能減小到零， 也不能增大至無限大，所以實際的開關在斷開時衰

4、減不是無限大， 導通時也不是零， 一般只能要求兩者的比值應盡量大，開關的導通衰減稱插入損耗， 斷開時的衰減稱為隔離度， 插入損耗和隔離度是衡量開關質量優(yōu)劣的基本指標。目標是設計低插入損耗和高隔離的開關。功率容量：所謂開關的功率容量是指它能承受的最大微波功率。PIN二極管的功率容量主要受到以下兩方面的限制，管子導通時所允許的最大功耗；管子截止時所能承受的最大反向電壓，也就是反向擊穿電壓。如果開關工作的時候超過了這些限制，前者會導致管內溫升過高而燒毀；后者會導致I 區(qū)雪崩擊穿。它由開關開、 關狀態(tài)下允許的微波信號功率的較小者決定。大功率下的非線性效應(IIP3 ) 也是開關的承受功率的一個主要因素

5、， 特別是在移動通信基站中。驅動器的要求： PI N 管開關和FET 開關的驅動電路是不同的， 前者需要提供電流偏置，后者則要求有偏壓，驅動器好壞是影響開關速度的主要因素之一。開關速度： 指開關開通和關斷的快慢， 在快速器件中是一個很重要的指標?？梢粤谐?I區(qū)中的電流方程如下：。 開關速度提高到ns量級 ， 通常采用I 層很薄的PIN管 ， 因為薄 I 層中貯存的載流子數(shù)量很少， 開關時間大大縮短，這 種情況下開關時間基本取決于載流子渡越I 層的時間， 而與載流子壽命無關。提高開關速度也可選用載流子壽命短的管子，增大控制電流的脈沖幅度，但后者受到PIN管最大功率和反向擊穿電壓的限制。電壓駐波比

6、(VSWR)： 任何在高頻信號通道上的元器件不僅會產生插入損耗， 也會導致信號傳輸線上的駐波的增加。駐波是由傳送電磁波與反射波干涉而形成的，這種干涉經常是系統(tǒng)中不同部分的阻抗不匹配或者是系統(tǒng)中連接點的阻抗不匹配造成的。開關比：一個PIN管，在不考慮封裝寄生參量時，其正向狀態(tài)可用正向電阻R1表示，反向狀態(tài)可以用反向串聯(lián)電阻R2和 I 層容抗 jXc ， 串聯(lián)表示。由于 Xc >>R2，故反向狀態(tài)可近似以 jXc 表示， 我們稱正反兩種狀態(tài)下阻抗的比值Xc R1為開關比，用以衡量PIN開關的優(yōu)劣。如要使開關比增大，則C和 R2必須比較小，可以看出，當頻率提高時，開關性能降低。1.4 P

7、IN 二極管開關電路結構及分析用串聯(lián)或者并聯(lián)的方式，可以簡單的分為單刀單擲開關（SPDT） 。 串聯(lián)方式主要用于寬頻，較小插入損耗的應用中；SPST）和單刀雙擲開關 并聯(lián)主要用于寬頻范圍較大隔1.4.1 單刀單擲開關單刀單擲開關1.4.2 單刀雙擲開關單刀雙擲開關對并聯(lián)型SPDT， 如 果二極管D1處于正向狀態(tài)，二極管D2處于反向狀態(tài)，則通道 1 被短路，因而無功率通過，而通道2由于處于開路狀態(tài)而不影響功率的通過。由于D1接在離分支點4處，在D1短路時，反映到分支點為開路，因此不影響功率對通道2的傳輸。1.4.3 多管陣列開關當頻率升高時，串聯(lián)或并聯(lián)一只PIN管的開關，其性能指標將惡化，因此，

8、可采用多個二極管級聯(lián)，以提高開關性能。多管陣列型開關是在均勻傳輸線上等間隔的并聯(lián)（ 或串聯(lián) ）若干個PIN管而構成，根據(jù)微波網絡理論可對陣列型開關進行分析。單管開關級聯(lián)就可做成陣列式開關，因此陣列式開關的分析可歸結為級聯(lián)網絡分析，可用傳遞矩陣相乘的方法求出陣列開關的衰減特性。采用多管串聯(lián)的電路形式，可加大該通道開關的功率容量：而采用多管并聯(lián)的形式，則可提高該通道開關的隔離度。對于多管開關，隔離度高，頻帶寬是其優(yōu)點，缺點是管子數(shù)多，插損大，調試困難。1.4.4 S波段梳狀線濾波器型PIN 開關梳狀濾波器的結構示意圖這是由梳狀濾波器和PIN管結合而形成的SPST開關，由于此種開關中的PIN管的結電

9、容被納入濾波器的諧振元中，PIN管的寄生參數(shù)獲得了合理的利用，從而大大提高了開關的性能。因此它具有較寬的帶寬、損耗小、隔離度高、結構緊湊、體積小、重量輕的特點。如果用 PIN管的C代替圖l 中的集中電容C5就可能形成微波PIN開關。當PIN管施加反向偏壓時，PIN開關處于通過狀態(tài)，這時輸入的微波信號以確定的損耗通過PIN開關，此時有：Ci+Cp =Cns 。其中Ci 為 PIN管的結電容，Cp 為管殼電容。當PIN管施加正向偏壓時，根據(jù)其轉換特性，這時梳狀濾波器的各個諧振器完全變成一個個失諧結構。它們對輸入的微波信號具有完全截止的特性。1.5 管芯類型參數(shù)及摻雜1.5.1 MA-COM公司的產

10、品M/A-COM Technology Solutions offers a comprehensive line of low capacitance, planar and mesa, silicon PIN diode chips which use ceramic glass and silicon nitride passivation technology. The Silicon PIN Chip series of devices cover a broad spectrum of performance requirements for control circuit app

11、lications. They are available in several choices of I-region lengths and have been optimally designed to minimize parametric trade offs when considering low capacitance, low series resistance, and high breakdown voltages. Their small size and low parasitics, make them an ideal choice for broadband,

12、high frequency, micro-strip hybrid assemblies.Notes:1. Nominal carrier life time,T L , specified at I F = + 10mA , I REV = - 6mA.2. Nominal reverse recovery time specified at I F = + 20mA , I REV = - 200mA.3. V r ( Reverse Voltage ) is sourced and the resultant reverse leakage current, Ir, is measur

13、edto be <10 A.2 PIN 限幅器2.1 工作原理PIN二極管偏置于0 V，當高功率射頻信號通過時，在pin 二極管中會形成這樣一種現(xiàn)象： 在射頻信號的正半周內，微波大電流使載流子在p- 和 n+的邊界注入，但當射頻電壓反向時，并非所有注入的載流子全部退回，而有一部分進入I 區(qū)， 經過幾個周期后，在I 區(qū)形成穩(wěn)態(tài)分布，從而使I 區(qū)由高阻變?yōu)榈妥?，射頻信號達到較高衰減，只允許一小部分稱之為“平頂泄露”的射頻功率通過( 即限幅) ；而在達到穩(wěn)態(tài)之前，pin 管對射頻信號的衰減很小，這部分稱為“尖峰泄漏”。pin 管的這種射頻電導率調制現(xiàn)象可用于微波限幅器的制作，并有利于制作耐功率

14、較大的微波限幅器。2.2 電路結構為提高限幅器的功率容量，可以通過級聯(lián)提高，如圖2所示，通過限幅器二極管的級聯(lián)和并聯(lián)可以極大提高限幅器的功率容量。圖 2(a) 中的， 單級電路圖可以通過圖2(b) 的電路形式提高限幅器的功率隔離度，通過圖 2(c) 的形式， 提高限幅器的功率容量。為了提高限幅器的功率容量，可增加級聯(lián)和并聯(lián)的限幅器二極管數(shù)量。通過耦合輸入信號進行檢波，檢波信號對限幅二極管施加正電壓，能有效提高限幅器的功率容量。圖 3所示，電路圖是兩級限幅器，通過級數(shù)的增加可以提高限幅器的隔離度。第一級限幅器由耦合檢波器和限幅器共同構成，當脈沖或連續(xù)波信號通過時，耦合檢波器產生一個正的檢波電壓加

15、到第一級限幅器的限幅二極管的正端，降低限幅二極管R， ( 二極管正向電阻)加大對高功率微波信號的反射，降低施加到限幅二極管的受功率。2.3 性能參數(shù)為保護電路不受損傷且保障系統(tǒng)在低功率電平下對信號影響最小，限幅器應當具有以下特性：(1) 當信號電平幅度低于限制門限的信號提供非常低的插入損耗；(2) 當信號電平幅度超過限制門限的信號提供非常高的損耗；(3) 擁有非常快的響應時間，在高功率信號到達后幾納秒內提供保護。2.4 管芯類型及摻雜3 宏觀電熱特性及微觀材料特性在各類微波pin 二極管電路應用中，二極管電阻的溫度特性強烈地影響著微波電路的溫度性能。 pin 二極管溫度效應的研究包括對遷移率和

16、載流子壽命的溫度特性的理論分析和實驗研究。進行調研之后，發(fā)現(xiàn)已有的研究和文獻針對幾種不同結構和鈍化材料的pin 二極管，對其溫度性能進行了研究，包括I 區(qū)域載流子壽命與溫度的關系、遷移率與溫度的關系以及電阻與溫度的關系，研究表明：pin 二極管電阻的溫度性能主要依賴于二極管結電容的大小。圖 1 表明， pin 二極管的電阻可以隨載流子壽命的增加而增加，也可以是減少或保持不變，當 m=2 時， pin 二極管的電阻不隨溫度變化。影響載流子壽命因子m 值的因素很多，包括：二極管幾何結構（I 區(qū)域的寬度、結直徑、結形狀等）、表面鈍化材料的電學性質，以及本征層的載流子濃度等。這些因素中，由于 pin

17、二極管的工區(qū)域的載流子濃度一般不高于10 14 cm 3 ，當外延材料雜質濃度穩(wěn)定且缺陷很少時，外延材料參數(shù)對載流子壽命因子的影響可以忽略。需要重點研究的是二極管幾何結構、表面鈍化材料對壽命因子m 值的影響。圖 2 歸一化電阻與溫度關系圖 3 PIN 二極管隔離度與溫度關系曲線研究結果表明，微波pin 二極管的電阻的溫度性能微觀上受載流子壽命、電子遷移率、表面狀態(tài)等諸多因素的影響，其綜合結果表現(xiàn)為二極管電容值對二極管的電阻的影響最大，微波 pin 二極管的鈍化方式和幾何結構對其電阻的溫度性能影響不大。結電容為0 11 0 pF的微波二極管即使鈍化方式不同，其電阻都具有正的溫度系數(shù)，溫度的升高導

18、致二極管電阻的增加，約為線性關系。結電容越小，則m 值越接近于2，電阻隨溫度的變化越小；反之，變化越大。研究結果可以用來預計pin 二極管開關的隔離度、衰減器衰減量的溫度性能，通過溫度補償設計，制作出溫度性能優(yōu)良的pin 二極管微波電路。4 HPM 效應以 pn 結是否因溫度升高而功能失效, 將 HPM 效應分成兩大類, 即非失效效應和失效效應。干擾、翻轉、擾亂沒有造成半導體升溫或造成的升溫對pn 結的性能影響甚微, 稱為非失效效應降級和損壞導致半導體高溫熔化, 屬于永久失效效應; 暫時失效雖然沒有造成半導體永久損傷, 但升溫使本征載流子濃度升高, 使本征載流子濃度與雜質濃度相當, 造成了 p

19、n 結功能暫時失效, 但微波脈沖過后pn 結又可恢復功能。熱二次擊穿和電流二次擊穿是半導體pn 結的兩種主要損傷模式。5 .4 PIN 二極管 HPM 效應（ 1） 頻率隨著注入頻率的增加（ 指正常工作頻帶內） ， 限幅器性能逐漸降低，其尖峰泄漏和平頂泄漏隨頻率增大。因為PIN二極管微波阻抗與1/f 2成正比，所以平頂泄漏功率與隨著頻率的增加而增大。當微波頻率較大時，由于微波周期變小，PIN二極管中載流子需要更多時間來完成電導調制作用，瞬態(tài)阻抗變化較為緩慢，導致更多尖峰泄漏功率；同時由于PIN二極管阻抗的增大，限幅隔離性能下降，導致平頂泄漏功率增大。（ 2） 功率PIN二極管所能承受的最大微波功率主要由擊穿電壓和最大結溫