運(yùn)算放大器：驅(qū)動(dòng)PIN二極管替代方案

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(qū)動(dòng)電路和昂貴的PIN二極管驅(qū)動(dòng)器IC。此類(lèi)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3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，以適合其他電路配置。在詳細(xì)說(shuō)明這些電路之前，本文將先討論P(yáng)IN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)10kΩ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(chēng)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(chēng)為二極管的有效導(dǎo)通電阻RS（見(jiàn)圖2a）。

圖2 PIN二極管等效電路：a) 導(dǎo)通，IBIAS >> 0；b) 截止，VBIAS ≤ 0

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)（見(jiàn)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(mǎn)足各種電路應(yīng)用和頻率范圍的需要。

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 042XX8-13060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為存儲(chǔ)的電荷；τ為二極管載流子生命周期；ISS為穩(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為所需的開(kāi)關(guān)時(shí)間；ISS 為驅(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為載流子生命周期。

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為驅(qū)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(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，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(>20pF)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)最優(yōu)驅(qū)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(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(xiàn)”（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)。