分析有線(xiàn)電視和通訊應(yīng)用的PIN二極管衰減器的結(jié)構(gòu)

分析有線(xiàn)電視和通訊應(yīng)用的PIN二極管衰減器的結(jié)構(gòu)安華高科的HSMP-3816二極管四元組采用5腳無(wú)引線(xiàn)SOT-25表面貼裝型封裝。π結(jié)四元組PIN二極管由從同一晶片挑選的、電氣特性密切匹配的毗連元件組成。除了尺寸方面的優(yōu)勢(shì)外，與四個(gè)分離元件組成的四元組相比，將四個(gè)性能完全匹配的PIN二極管捆綁到SOT-25封裝中有助于保證衰減器的輸入輸出臂之間具有更好的對(duì)稱(chēng)性。用兩個(gè)并聯(lián)電阻和一個(gè)串聯(lián)電阻就可以構(gòu)造一個(gè)基本的pi配置固定電壓衰減器，通過(guò)配置即可以得到A=20log（K）的衰減，同時(shí)提供能夠匹配具體應(yīng)用電路特性阻抗的輸入/輸出阻抗。在工作頻率高于衰減器截止頻率的情況下，一個(gè)PIN二極管可以做為電流控制可變電阻使用。在工作頻率10倍于fc時(shí)，一個(gè)PIN二極管就可以精確地用一個(gè)具有恒定微值結(jié)電容的電流控制并聯(lián)電阻來(lái)模擬。工作頻率低于0.1fc時(shí)，PIN二極管就表現(xiàn)為一個(gè)普通的PN結(jié)二極管。工作頻率在0.1fc到10fc之間時(shí)，PIN二極管的特性就變得非常復(fù)雜，一般表現(xiàn)為一個(gè)與一個(gè)高頻電流電感或電容并聯(lián)的、隨頻率變化而變化的電阻。另外，工作在這個(gè)范圍內(nèi)時(shí)，信號(hào)失真畸變也非常嚴(yán)重。對(duì)于HSMP-3810型二極管而言，τ≈1500ns，其截止頻率為1,000kHz，因此在1000kHz以上二極管的電阻值與工作頻率無(wú)關(guān)，不過(guò)，由于已經(jīng)針對(duì)寬帶衰減器應(yīng)用對(duì)此二極管進(jìn)行了優(yōu)化，所以即使在fc以下此二極管也具有良好的特性?？梢杂萌齻€(gè)二極管來(lái)代替pi電路中的固定電阻，構(gòu)造一個(gè)可變衰減器，不過(guò)，這樣會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中的不對(duì)稱(chēng)，從而導(dǎo)致產(chǎn)生一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的偏壓網(wǎng)絡(luò)。用兩個(gè)PIN二極管來(lái)代替其中的串聯(lián)電阻可以獲得幾個(gè)性能方面的好處。首先，由于串聯(lián)二極管具有容性電抗而使網(wǎng)絡(luò)與其它部分相隔離，用兩個(gè)二極管代替一個(gè)電阻可以提高最大衰減值或在一定衰減值的條件下使頻率上限翻倍。其二，代替串聯(lián)電阻的兩個(gè)二極管是180度反接的，這樣就抑制了偶數(shù)次信號(hào)畸變的產(chǎn)生。其三，由此而得到的衰減器網(wǎng)絡(luò)是對(duì)稱(chēng)的，從而可以大大簡(jiǎn)化偏壓網(wǎng)絡(luò)。電源電壓V+是一固定電壓，Vc是控制網(wǎng)絡(luò)衰減的可變電壓，用兩個(gè)二極管代替電阻的唯一缺點(diǎn)是可能會(huì)增加介入損耗。四元二極管pi型衰減器需要一個(gè)恒定的電壓V+和一個(gè)可變的控制電壓Vc。對(duì)于1.25V的V+，可變控制電壓的范圍為0V到大約5V。電壓V+的值代表了回程損耗與控制電壓范圍之間的一個(gè)折衷，更低的V+可以降低回程電壓，但同時(shí)也會(huì)使控制電壓的工作范圍縮小。衰減器是在指定的頻率范圍內(nèi)，一種用以引入一預(yù)定衰減的電路。一般以所引入衰減的分貝數(shù)及其特性阻抗的歐姆數(shù)來(lái)標(biāo)明。在有線(xiàn)電視系統(tǒng)里廣泛使用衰減器以便滿(mǎn)足多端口對(duì)電平的要求。如放大器的輸入端、輸出端電平的控制、分支衰減量的控制。衰減器有無(wú)源衰減器和有源衰減器兩種。有源衰減器與其他熱敏元件相配合組成可變衰減器，裝置在放大器內(nèi)用于自動(dòng)增益或斜率控制電路中。無(wú)源衰減器有固定衰減器和可調(diào)衰減器。衰減器的工作頻帶是指在給定頻率范圍內(nèi)使用衰減器，衰減器才能達(dá)到指標(biāo)值。由于射頻/微波結(jié)構(gòu)與頻率有關(guān)，不同頻段的元器件，結(jié)構(gòu)不同，也不能通用?，F(xiàn)代同軸結(jié)構(gòu)的衰減器使用的工作頻帶相當(dāng)寬，設(shè)計(jì)或使用中要加以注意。本文中介紹的衰減器是在8mm厚的RF4型印刷電路（PCB）上實(shí)現(xiàn)的。RF4具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性和耐久性，成本低，但其損耗大，難于控制，而且介質(zhì)系數(shù)與工作頻率密切相關(guān)。另一方面，玻璃纖維增強(qiáng)型聚四氟乙烯（PTEE）PCB材料具有良好的高頻特性，但是相對(duì)昂貴一些，機(jī)械穩(wěn)定性也比較差，不適合于某些表面貼裝工藝。選用針對(duì)高頻工作要求進(jìn)行了優(yōu)化的PCB基底材料可以改善高頻性能，各種測(cè)量參數(shù)對(duì)頻率的依賴(lài)程度受到與HSMP-3816二極管四元組、PCB、其它元件及連接器相關(guān)的寄生效應(yīng)的影響。將PIN二極管用做衰減元件時(shí)，PIN二極管具有比等效的GaAsMESFETs更高的線(xiàn)性度，通過(guò)使用具有厚I層及低介質(zhì)張弛頻率（fdr）的多個(gè)PIN二極管就可以將信號(hào)畸變減小到最低程度。在Avago公司PIN二極管產(chǎn)品線(xiàn)中HSMP-381x系列產(chǎn)品的I層最厚。在低衰減狀態(tài)，大部分RF能量?jī)H僅是從輸入端傳輸?shù)捷敵龆硕?。它們接近于零偏壓狀態(tài)，其結(jié)電容將隨RF電壓同步變化，幸運(yùn)的是，由于兩個(gè)二極管是反向串聯(lián)的，所以可以抑制由受RF調(diào)制的電容所產(chǎn)生的某些失真或畸變。由于封裝的兩個(gè)反串二極管具有完全互相匹配的特性，因此可以得到最佳的失真抑制能力。普通的二極管由PN結(jié)組成。在P和N半導(dǎo)體材料之間加入一薄層低摻雜的本征（Intrinsic）半導(dǎo)體層，組成的這種P-I-N結(jié)構(gòu)的二極管就是PIN二極管。正因?yàn)橛斜菊鳎↖ntrinsic）層的存在，PIN二極管應(yīng)用很廣泛，從低頻到高頻的應(yīng)用都有，主要用在RF領(lǐng)域，用作RF開(kāi)關(guān)和RF保護(hù)電路，也有用作光電二極管（PhotoDiode）。PIN二極管包括PIN光電二極管和PIN開(kāi)關(guān)二極管。PIN二極管還可以調(diào)節(jié)到高頻范圍。為改善隔離特性，我們可以將兩個(gè)或多個(gè)二極管串聯(lián)起來(lái)，但同時(shí)會(huì)引起介入損耗的增大。PIN二極管本質(zhì)上還屬于電流控制的電阻器。為減少介入損耗，它們需要采用大量的直流電源以降低I（本征）區(qū)內(nèi)的電阻率。這顯然會(huì)影響電池壽命。這種特點(diǎn)，再加上PIN二極管方案需要大量器件，使得這種技術(shù)很難應(yīng)用于便攜手持式產(chǎn)品。Pi衰減器的相位偏移隨衰減值而變化?？偟南辔黄平咏?0度，在三個(gè)相隔較遠(yuǎn)的工作頻率點(diǎn)（100、900和1800MHz）測(cè)試時(shí)此相位偏移表現(xiàn)相當(dāng)穩(wěn)定。

圖1所示為π衰減電路的示意電路圖。圖2的左邊為π衰減器的PCB布局，右邊為元件布置。表1中給出了所需要的元件（包括四元二極管）。圖3、4、5給出的成品π衰減器測(cè)試性能的樣本。

增加通過(guò)串聯(lián)二極管的電流可以降低衰減下限。將控制電壓保持在最大值5V，減小電阻R3的阻值就可以增大偏移電壓，這可以通過(guò)給阻斷RF的電阻R3（表2）串聯(lián)一個(gè)表面貼裝鐵酸鹽珠狀電感而實(shí)現(xiàn)。在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，與傳統(tǒng)的瓷芯多層片狀電感相比，這種鐵酸鹽珠狀電感具有更高的阻抗。圖6給出了低衰減下限衰減電路的示意圖，圖7中給出了在Vc=5V的條件下與標(biāo)準(zhǔn)衰減電路的比較結(jié)果。

為了建立π衰減器的性能模型以便于進(jìn)一步分析，安捷倫公司的高級(jí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)(ADS)計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)軟件為工程師們提供了模擬四元二極管π衰減器性能的技術(shù)支持范例。另