用二極管設計：保護敏感元件

  ICCSZ訊 在雷達或無(wú)線(xiàn)電接收器中，敏感型低噪聲放大器 (LNA) 在承受較大的輸入信號時(shí)必定會(huì )發(fā)生損壞。那么，有什么解決方案?

  我們可以利用接收器保護裝置限幅器 (RPL) 電路來(lái)保護敏感元件。RPL電路的“心臟”通常由PIN二極管組成，能夠保護元件免受大輸入信號的影響，同時(shí)不會(huì )對小信號操作造成不利影響。

  RPL電路的運行無(wú)需外部控制信號。此類(lèi)電路包含至少一個(gè)與信號路徑并聯(lián)的PIN二極管，以及一個(gè)或多個(gè)無(wú)源元件，例如RF扼流圈電感和直流隔離電容。以下是一個(gè)簡(jiǎn)單的(但可能是完整的)RPL電路。

  當沒(méi)有RF輸入信號或僅存在有RF小信號時(shí)，限幅器PIN二極管的阻抗特性會(huì )達到最大值，通常為幾百歐姆或以上。因此，二極管產(chǎn)生非常小的阻抗失配，相應地，可帶來(lái)低插入損耗。

  當出現大輸入信號時(shí)，RF電壓迫使電荷載流子(P層的空穴和N層的電子)進(jìn)入PIN二極管的I層。進(jìn)入I層后，自由電荷載流子會(huì )降低其RF電阻，從RPL電路的RF端口角度來(lái)看，這產(chǎn)生了阻抗失配。

  這種失配會(huì )導致來(lái)自輸入信號的能量被反射至對應的信號源。反射信號與入射信號配合，在PIN二極管產(chǎn)生一個(gè)電壓最小的駐波，因為反射信號在傳輸線(xiàn)上暫時(shí)呈現最低阻抗。傳輸線(xiàn)上的每個(gè)最小電壓都有一個(gè)對應的最大電流。最大電流流經(jīng)PIN二極管，導致二極管I層中的自由電荷載流子量增加，從而產(chǎn)生更低串聯(lián)電阻、更大阻抗失配以及“更小”的最小電壓。最后，二極管的電阻將達到最小值——該值取決于PIN二極管的設計和RF信號的幅值。RF信號幅值增大時(shí)，迫使二極管達到充分導通狀態(tài)，從而進(jìn)一步降低二極管的電阻，直到二極管飽和并產(chǎn)生盡可能的最小電阻。由此得到輸出功率與輸入功率的對比曲線(xiàn)，如下所示。

  當RF大信號不再出現，如果I層中的自由電荷載流子量較大，二極管的電阻則會(huì )保持在較低水平(此時(shí)插入損耗仍然較大)。在RF大信號中斷后，可以通過(guò)兩種機制來(lái)減少自由電荷載流子量： (1) 在I層外進(jìn)行電荷傳導 (2) 在I層內進(jìn)行電荷重組。

  電荷傳導的幅值主要由二極管外部電流通路中的直流電阻決定。

  電荷重組的速率則由多個(gè)因素決定，包括I層中自由電荷載流子的密度、I層中摻雜原子的濃度和其他電荷俘獲點(diǎn)，等等?？紤]到二極管的必要參數，PIN二極管可安全處理的RF信號越大，其恢復到低插入損耗所需的時(shí)間就越長(cháng)。

  因此，PIN二極管I層的特性決定了RPL電路的性能。I層的厚度(有時(shí)稱(chēng)為寬度)則決定了二極管達到極限時(shí)的輸入功率：I層越厚，輸入參照1dB壓縮級別(也稱(chēng)為閾值級別)就越高。I層的厚度、二極管結的面積和二極管的制造材料決定了二極管的電阻、電容以及熱阻。

  只需一個(gè)PIN二極管、一個(gè)RF扼流圈電感器和一對直流隔離電容，即可實(shí)現最簡(jiǎn)單的PIN RPL電路。RF扼流圈電感器對RPL電路的性能至關(guān)重要，其主要功能是使PIN二極管的直流電流通路變得完整。當大信號迫使電荷載流子進(jìn)入二極管的I層時(shí)，會(huì )在二極管中產(chǎn)生直流電流。如果沒(méi)有為直流電流提供完整路徑，則不能降低二極管的電阻，二極管也不會(huì )達到極限。直流電流將沿著(zhù)整流電流的方向流動(dòng)，但這不是由整流產(chǎn)生的。

  在RPL電路中安裝扼流圈電感是一件極具挑戰性的事，因為電感是RPL電路中最不理想的元件?；陔姼兄岛图纳@組間電容的原因，所有電感都具有串聯(lián)和并聯(lián)諧振。因此必須十分小心，確保在工作頻帶內不發(fā)生串聯(lián)諧振。此外，必須盡量把扼流圈的直流電阻降到最低，以縮短RPL電路的恢復時(shí)間。

  注：直流隔離電容是可選的。只有當輸入或輸出傳輸線(xiàn)上出現可能使PIN二極管偏置的直流電壓或電流時(shí)，才需要使用直流隔離電容。

  實(shí)例

  假設低噪聲放大器 (LNA) 可以承受的最大輸入功率為15dBm，則要求RPL電路中PIN二極管的I層厚度約為2微米。設計人員可根據RF信號頻率和小信號插入損耗的可接受最大值來(lái)確定PIN二極管的可接受電容。如果設計師假設RPL電路在X波段工作，并且可接受的最大插入損耗為0.5dB，則可以計算出二極管的最大電容。

  可根據以下公式得出并聯(lián)電容的插入損耗 (IL)(以分貝為單位)：

  我們可根據公式求解C值：

  當f = 12GHz、IL = 0.5dB且Z0 = 50?時(shí)，C = 0.185pF。

  得出的電容值與I層厚度共同決定了二極管結的面積。

  如果I層較薄并且結面積較小，二極管就會(huì )具有相對較高的熱阻，這樣一來(lái)，只好迫使結溫超過(guò)其最大額定值175°C，才能耗散更多能量。通常來(lái)說(shuō)，電容為0.185pF的2微米二極管可以安全處理約為30-33dBm的大CW輸入信號。由于電流流經(jīng)二極管電阻時(shí)會(huì )產(chǎn)生焦耳熱，大信號可能會(huì )損壞或即時(shí)燒毀二極管。

  PIN二極管RPL電路能夠為雷達或無(wú)線(xiàn)電接收器中的LNA等敏感元件提供可靠的保護，保護其不受較大入射信號的影響。當RPL應用需要極低的穩態(tài)泄漏輸出功率和較高的輸入功率處理能力時(shí)，可以在RPL電路的輸入側增加額外的二極管級和其他電路增強元件。

  如果你正在為RPL應用選擇最合適的二極管和電路拓撲，MACOM應用工程團隊在這里隨時(shí)為你提供幫助和意見(jiàn)。

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