分析有線電視和通訊應用的PIN二極管衰減器的結構

安華高科的HSMP-3816二極管四元組采用5腳無引線SOT-25表面貼裝型封裝。π結四元組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)勢外，與四個分離元件組成的四元組相比，將四個性能完全匹配的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稱性。

用兩個并聯(lián)電阻和一個串聯(lián)電阻就可以構造一個基本的pi配置固定電壓衰減器，通過配置即可以得到A=20log （K）的衰減，同時提供能夠匹配具體應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，一個PIN二極管就可以精確地用一個具有恒定微值結電容的電流控制并聯(lián)電阻來模擬。工作頻率低于0.1fc時，PIN二極管就表現(xiàn)為一個普通的PN結二極管。

工作頻率在0.1fc到10fc之間時，PIN二極管的特性就變得非常復雜，一般表現(xiàn)為一個與一個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，工作在這個范圍內(nèi)時，信號失真畸變也非常嚴重。對于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關，不過，由于已經(jīng)針對寬帶衰減器應用對此二極管進行了優(yōu)化，所以即使在fc以下此二極管也具有良好的特性。

可以用三個二極管來代替pi電路中的固定電阻，構造一個可變衰減器，不過，這樣會導致網(wǎng)絡中的不對稱，從而導致產(chǎn)生一個相當復雜的偏壓網(wǎng)絡。用兩個PIN二極管來代替其中的串聯(lián)電阻可以獲得幾個性能方面的好處。首先，由于串聯(lián)二極管具有容性電抗而使網(wǎng)絡與其它部分相隔離，用兩個二極管代替一個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)電阻的兩個二極管是180度反接的，這樣就抑制了偶數(shù)次信號畸變的產(chǎn)生。其三，由此而得到的衰減器網(wǎng)絡是對稱的，從而可以大大簡化偏壓網(wǎng)絡。電源電壓V+是一固定電壓，Vc是控制網(wǎng)絡衰減的可變電壓，用兩個二極管代替電阻的唯一缺點是可能會增加介入損耗。

四元二極管pi型衰減器需要一個恒定的電壓V+和一個可變的控制電壓Vc。對于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折衷，更低的V+可以降低回程電壓，但同時也會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)來標明。在有線電視系統(tǒng)里廣泛使用衰減器以便滿足多端口對電平的要求。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)用于自動增益或斜率控制電路中。無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，衰減器才能達到指標值。由于射頻/微波結構與頻率有關，不同頻段的元器件，結構不同，也不能通用?，F(xiàn)代同軸結構的衰減器使用的工作頻帶相當寬，設計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）上實現(xiàn)的。RF4具有良好的機械穩(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。另一方面，玻璃纖維增強型聚四氟乙烯（PteE）PCB材料具有良好的高頻特性，但是相對昂貴一些，機械穩(wěn)定性也比較差，不適合于某些表面貼裝工藝。選用針對高頻工作要求進行了優(yōu)化的PCB基底材料可以改善高頻性能，各種測量參數(shù)對頻率的依賴程度受到與HSMP-3816二極管四元組、PCB、其它元件及連接器相關的寄生效應的影響。

將PIN二極管用做衰減元件時，PIN二極管具有比等效的GaAs MESFETs更高的線性度，通過使用具有厚I層及低介質(zhì)張弛頻率（fdr）的多個PIN二極管就可以將信號畸變減小到最低程度。在Avago公司PIN二極管產(chǎn)品線中HSMP-381x系列產(chǎn)品的I層最厚。在低衰減狀態(tài)，大部分RF能量僅僅是從輸入端傳輸?shù)捷敵龆硕?。它們接近于零偏壓狀態(tài)，其結電容將隨RF電壓同步變化，幸運的是，由于兩個二極管是反向串聯(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結組成。在P和N半導體材料之間加入一薄層低摻雜的本征（Intrinsic）半導體層，組成的這種P-I-N結構的二極管就是PIN 二極管。正因為有本征（Intrinsic）層的存在，PIN 二極管應用很廣泛，從低頻到高頻的應用都有，主要用在RF領域，用作RF 開關和RF保護電路，也有用作光電二極管（PhotoDiode）。PIN 二極管包括PIN光電二極管和PIN開關二極管。

PIN二極管還可以調(diào)節(jié)到高頻范圍。為改善隔離特性，我們可以將兩個或多個二極管串聯(lián)起來，但同時會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。這顯然會影響電池壽命。這種特點，再加上PIN二極管方案需要大量器件，使得這種技術很難應用于便攜手持式產(chǎn)品。