基于運(yùn)算放大器的PIN驅(qū)動(dòng)器電路

PIN二極管在重?fù)诫s的P區(qū)和N區(qū)之間夾有一層輕摻雜的本征區(qū)(I)，此類二極管廣泛用于射頻與微波領(lǐng)域。常見應(yīng)用是要求高隔離度和低損耗的微波開關(guān)、移相器和衰減器。在測試設(shè)備、儀器儀表、通信設(shè)備、雷達(dá)和各種軍事應(yīng)用中，可以發(fā)現(xiàn)這類二極管的身影。

　　開關(guān)電路中，每個(gè)PIN二極管都有附隨的PIN二極管驅(qū)動(dòng)器或開關(guān)驅(qū)動(dòng)器，用來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)ｉTIC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)算放大器以及箝位放大器、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。本文討論三種不同的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二極管開關(guān)，但也可以對(duì)其進(jìn)行修改，以適合其它電路配置。在詳細(xì)說明這些電路之前，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)10 kΩ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)，來自P材料的空穴和來自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，稱為二極管的有效導(dǎo)通電阻RS（圖2a）。

　　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)（圖2b）。通過改變二極管幾何結(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 MADP042XX8-130601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。

　　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)快速開關(guān)所需的峰值電流(IP)。

　　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。