基于運算放大器驅動(dòng)PIN二極管替代方案.pdf
(462.23 KB)
開(kāi)關(guān)電路中，每個(gè)PIN二極管都有附隨的PIN二極管驅動(dòng)器或開(kāi)關(guān)驅動(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（通常是一個(gè)數字邏輯命令）與一個(gè)或多個(gè)PIN二極管之間的激活接口。根據應用需要，可以采用分立設計或專(zhuān)門(mén)IC實(shí)現這種驅動(dòng)器功能。 另一方面，也可以使用隨處可得的運算放大器以及鉗位放大器、差分放大器等特殊放大器作為備選方案，代替分立PIN二極管驅動(dòng)電路和昂貴的PIN二極管驅動(dòng)器IC。此類(lèi)運算放大器具有寬帶寬、高壓擺率和充裕的穩態(tài)電流，可驅動(dòng)PIN二極管。本文討論3種不同的PIN驅動(dòng)器電路，它們采用運算放大器或特殊放大器：AD8037、AD8137和ADA4858-3。這些電路設計用于單刀雙擲（SPDT） PIN二極管開(kāi)關(guān)，但也可以對其進(jìn)行修改，以適合其他電路配置。在詳細說(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10kΩ以上。與典型的PN結二極管不同，PIN二極管的P區與N區之間多了一層高阻性本征半導體材料（用PIN中的“I”表示），如圖1所示。 
圖1 PIN二極管 當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。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”。這導致I區中存在凈存儲電荷，因而其電阻會(huì )降至某一個(gè)值，稱(chēng)為二極管的有效導通電阻RS（見(jiàn)圖2a）。
圖2 PIN二極管等效電路：a） 導通，IBIAS 》》 0；b） 截止，VBIAS ≤ 0 當施加反向或零偏置電壓時(shí)，二極管呈現為一個(gè)大電阻RP，它與電容CT并聯(lián)（見(jiàn)圖2b）。通過(guò)改變二極管幾何結構，可以使PIN二極管具有不同的RS和CT組合，以滿(mǎn)足各種電路應用和頻率范圍的需要。驅動(dòng)器提供的穩態(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 042XX8-13060系列硅二極管的參數關(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)現低CT值，如圖9所示。
圖3 硅二極管導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二極管中存儲的電荷可以利用公式1進(jìn)行近似計算。
其中，QS為存儲的電荷；τ為二極管載流子生命周期；ISS為穩態(tài)電流。 要導通或截止二極管，必須注入或移除所存儲的電荷。驅動(dòng)器的工作就是以極快的速度注入或移除所存儲的電荷。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近似計算實(shí)現快速開(kāi)關(guān)所需的峰值電流（IP）。
其中：t為所需的開(kāi)關(guān)時(shí)間；ISS 為驅動(dòng)器所提供的穩態(tài)電流，用來(lái)設置PIN二極管導通電阻RS；τ為載流子生命周期。 驅動(dòng)器注入或移除電流（或“尖峰電流”）i可以表示為公式3。
其中，C為驅動(dòng)器輸出電容（或“尖峰電容”）的值；V為輸出電容上的電壓；dv/dt為電容上的電壓的時(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，是一項具有挑戰性的工作。偏置電路通常使用一個(gè)低通濾波器，位于RF電路與開(kāi)關(guān)驅動(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。當設置妥當時(shí)，濾波器L1/C2和L3/C4允許將控制信號施加于PIN二極管D1–D4，控制信號與RF信號（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較低的控制信號通過(guò)PIN二極管，但會(huì )阻止高頻信號逃離RF信號路徑。不正常的RF能量損耗意味著(zhù)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)驅動(dòng)器信號輕松通過(guò)，但對于RF和微波頻率則會(huì )呈現高阻抗，從而降低RF信號損耗。
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，因此像所有設計一樣，權衡考慮各種因素十分重要。例如，較大的C2和C4（》20pF）對RF性能有利，但對驅動(dòng)器則是麻煩，因為大電容會(huì )導致上升沿和下降沿較慢�？焖匍_(kāi)關(guān)對大多數應用都有利；因此，為了實(shí)現最優(yōu)驅動(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PIN二極管驅動(dòng)器 PIN二極管驅動(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)驅動(dòng)器的原理圖。這種驅動(dòng)器既可以采用“片線(xiàn)”（混合）結構來(lái)實(shí)現，也可以采用“表貼”（SMT）器件來(lái)實(shí)現；前者非常昂貴，后者雖不昂貴，但需要的印刷電路板（PCB）面積多于混合結構。
圖6 分立開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器電路 還有專(zhuān)用開(kāi)關(guān)驅動(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)驅動(dòng)器架構應當考慮，即采用運算放大器。運算放大器開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器的明顯優(yōu)勢在于其自身的靈活性，可以輕松地對其進(jìn)行配置，以適應不同的應用、電源電壓和條件，為設計人員提供豐富的設計選項。 運算放大器PIN二極管驅動(dòng)器 運算放大器電路是一種很有吸引力的PIN二極管驅動(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)1000V/μs的躍遷速度工作。下面將介紹3種不同的RF PIN二極管放大器驅動(dòng)電路。所選放大器雖然在根本特征上各不相同，但都能執行類(lèi)似的功能。這些放大器電路可以驅動(dòng)硅或砷化鎵（GaAs）PIN二極管，但各有各的特點(diǎn)。 AD8037—鉗位放大器 該電路能以最高10MHz的頻率工作，具有出色的開(kāi)關(guān)性能，總傳播延遲為15ns。通過(guò)改變增益或鉗位電壓，可以調整輸出電壓和電流，以適應不同的應用。鉗位放大器AD8037原本設計用于驅動(dòng)ADC，可提供鉗位輸出以保護ADC輸入不發(fā)生過(guò)驅。圖7所示配置用一對AD8037（U2和U3）驅動(dòng)PIN二極管。
圖7 AD8037 PIN二極管驅動(dòng)器電路 本例中，U2和U3采用同相配置，增益為4。利用AD8037的獨特輸入鉗位特性，可以實(shí)現極其干凈和精確的鉗位。它可以線(xiàn)性放大輸入信號，最高可達增益乘以正負鉗位電壓（VCH和VCL）。當增益為4且鉗位電壓為±0.75V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±0.75V，則輸出電壓鉗位在最大值±3V。這一鉗位特性使得過(guò)驅恢復非�？欤ǖ湫椭敌∮�2ns）。鉗位電壓（VCH和VCL）由分壓器R2、R3、R7和R8確定。數字接口由74F86 XOR邏輯門(mén)（U1）實(shí)現，它提供U2和U3所用的驅動(dòng)信號，兩路互補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輸出電平轉換為大約±1.2V，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?zhuān)源_保輸出會(huì )進(jìn)入鉗位狀態(tài)（4×0.75V）。因此，硅PIN二極管驅動(dòng)器的輸出電平設為±3V。電阻R16和R17限制穩態(tài)電流。電容C12和C13設置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，并使設計人員能夠十分靈活地驅動(dòng)各種類(lèi)型的RF負載。有各種各樣的差分放大器可供使用，包括速度更快、性能更高的一些器件。 高速差分放大器AD8137通常用于驅動(dòng)ADC，但也可以用作低成本、低功耗PIN二極管驅動(dòng)器。其典型開(kāi)關(guān)時(shí)間為7～11ns，其中包括驅動(dòng)器和RF負載的傳播延遲。它提供互補輸出，功能多樣，可以替代昂貴的傳統驅動(dòng)器。 圖8所示電路將單端TTL輸入（0～3.5V）轉換為互補±3.5V信號，同時(shí)可使傳播延遲最小。TTL信號放大4倍，在A(yíng)D8137輸出端產(chǎn)生所需的±3.5V擺幅。TTL信號的中點(diǎn)（或共模電壓）為1.75V；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誤差。最好從一個(gè)低源阻抗驅動(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二極管驅動(dòng)器原理圖 輸出電壓增益可由公式4計算：
為正確端接脈沖發(fā)生器的輸入阻抗，使之為50Ω，需要確定差分放大器電路的輸入阻抗。這可以利用公式5計算，得出RT=51.55Ω，與之最接近的標準1%電阻值為51.1Ω。對于對稱(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(zhù)，反相輸入阻抗必須將信號源的阻抗和端接電阻納入增益設置電阻R2。
圖8中，R2約比R1大20Ω，以補償源電阻RS與端接電阻RT的并聯(lián)組合所引入的額外電阻（25Ω）。將R4設為1.02kΩ（最接近1.025kΩ的標準電阻值），以確保兩個(gè)電阻比相等，避免引入共模誤差。 輸出電平轉換很容易利用AD8137的VOCM引腳來(lái)實(shí)現，該引腳設置直流輸出共模電平。本例中，VOCM引腳接地，以提供關(guān)于地的對稱(chēng)輸出擺幅。 電阻R5和R6設置穩態(tài)PIN二極管電流見(jiàn)公式6。
電容C5和C6設置尖峰電流，該電流有助于注入和移除PIN二極管中存儲的電荷�？梢愿鶕囟ǘ䴓O管負載要求，調整這些電容的值，實(shí)現性能優(yōu)化。尖峰電流可以由公式7計算。
ADA4858-3—內置電荷泵的三通道運算放大器 許多應用只提供一個(gè)電源，這常常令電路設計人員感到為難，尤其是當需要在PIN電路中提供低關(guān)斷電容時(shí)。這種情況下，硅或GaAs PIN二極管驅動(dòng)電路可以使用片上集成電荷泵的運算放大器，而不需要外部負電源；其好處是可以顯著(zhù)節省空間、功耗和預算。 高速電流反饋型三通道放大器ADA4858-3就是這樣一種器件，它具有出色的特性，片上集成電荷泵，輸出擺幅可以達到地電壓以下3～1.8V（具體取決于電源電壓和負載）。該器件魯棒性很好，可以真正為其他電路提供最高50mA的負電源電流。 ADA4858-3為單電源系統中的互補PIN二極管微波開(kāi)關(guān)驅動(dòng)問(wèn)題提供了一種獨特的解決方案�；仡檲D4，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)驅動(dòng)器對GaAs PIN二極管很有利，因為這種二極管通常不需要很大的負偏置就能使關(guān)斷電容（CT）保持較小的值（見(jiàn)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或其他邏輯。對此電路的要求是將TTL 0V至3.5V輸入信號擺幅轉換為互補–1.5～+3.5V擺幅，用于驅動(dòng)PIN二極管。
圖10 ADA4858-3用作PIN二極管驅動(dòng)器 R1、R2、R3和U1C形成該電路的–1.5V基準電壓，內部負電壓CPO由片內電荷泵產(chǎn)生。電容C3和C4是電荷泵工作所必需的。負基準電壓隨后通過(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）出現在U1B的同相輸入端。U1B輸出電壓可以利用公式8計算。
其中：
負基準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計算。
這些放大器采用電流反饋架構，因此必須注意反饋電阻的選擇，反饋電阻對于放大器的穩定性和頻率響應有著(zhù)重要作用。對于本應用，反饋電阻設為294Ω，這是數據手冊所推選的值。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。設置PIN二極管導通電阻的穩態(tài)電流由R11與R12上的電壓差確定，并取決于PIN二極管曲線(xiàn)和系統要求。 對于本應用，RF開(kāi)關(guān)負載為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（見(jiàn)圖11）。
圖11 下變頻器功能框圖 開(kāi)關(guān)輸出波形和TTL輸入信號如圖12所示。請注意，上升沿和下降沿非常陡峭。由于開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)時(shí)間要求相對較慢（約為50ns），因此本應用沒(méi)有使用尖峰電容C5和C6。設置穩態(tài)二極管電流的電阻R11和R12均為330Ω。
圖12 顯示RF開(kāi)關(guān)速度的波形 圖13顯示了下變頻器前端的頻譜響應；開(kāi)關(guān)SW1位于固定位置，以消除插入損耗。請注意，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片內電荷泵散出，這是在此類(lèi)應用中使用這些器件的重要考慮因素。
圖13 下變頻器的頻譜響應 結論以上三例說(shuō)明，運算放大器可以創(chuàng )造性地用作傳統放大器的替代方案，其性能與PIN二極管專(zhuān)用驅動(dòng)IC相當。此外，運算放大器可以提供增益調整和輸入控制功能，而且當使用內置電荷泵的運算放大器時(shí)，無(wú)須負電源，這就提高了PIN二極管的驅動(dòng)器和其他電路的設計靈活性。運算放大器易于使用和配置，可以相對輕松地解決復雜問(wèn)題。 來(lái)源：電子工程網(wǎng) |
