实用设计提示
PIN 二极管电路在 RF 频率下的性能是可以预测的，并且应该与设计方程密切相关。当开关性能不理想时，故障通常不是由 PIN 二极管引起的，而是由其他电路限制引起的，例如电路损耗、偏置电路相互作用或引线长度问题（主要是在使用并联 PIN 二极管时）。
在新设计中，最好先用短路线或开路线代替 PIN 二极管来评估电路损耗。这将模拟具有“理想 PIN 二极管”的电路性能。然后可以在插入 PIN 二极管之前纠正外部电路中的任何缺陷。
PIN 二极管衰减器
在衰减器应用中，PIN 二极管的电阻特性不仅在开关中的极高和极低值处得到利用，而且在其间的有限值处得到利用。
PIN 二极管正向偏置到 IF1 时的电阻特性取决于 I 区宽度 (W) 载流子寿命 (τ) 以及空穴和电子迁移率 (µP, µn)，如下所示：
对于 I 区宽度通常为 250 µm、载流子寿命为 4 µS、µn 为 0.13、µp 为 0.05 m2 / v•s 的 PIN 二极管，图 1 显示了 RS 与电流的特性。在为衰减器应用选择 PIN 二极管时，设计人员必须经常关注二极管电阻的范围，这将定义衰减器的动态范围。 PIN 二极管衰减器往往比开关对失真更敏感，因为它们的工作偏置点通常出现在静态存储电荷的低值处。与厚 PIN 二极管相比，薄 I 区 PIN 的正向偏置电流较低，但较厚的 PIN 产生的失真较小。
图 1:典型二极管电阻与正向电流
PIN 二极管衰减器电路广泛用于自动增益控制 (AGC) 和射频调平应用以及电控衰减器和调制器。 AGC 应用的典型配置如图 2 所示。PIN 二极管衰减器可以采用多种形式，从用作有损反射开关的简单串联或并联安装的二极管，到在整个输入阻抗上保持恒定匹配输入阻抗的更复杂的结构。衰减器的全动态范围。
图 2:RF AGC/Leveler 电路
尽管还有其他方法可以提供 AGC 功能，例如改变 RF 晶体管放大器的增益，但 PIN 二极管方法通常会导致较低的功耗、较少的频率拉动和较低的 RF 信号失真。当在衰减器电路中使用具有厚 I 区和长载流子寿命的二极管时，后一个结果尤其正确。使用这些 PIN 二极管，可以在低于 1 MHz 到远高于 1 GHz 的频率范围内实现宽动态范围衰减和低信号失真。
反射衰减器
衰减器可以使用单个串联或并联连接的 PIN 二极管开关配置来设计，如图 3 所示。这些衰减器电路利用 PIN 二极管的电流控制电阻特性，不仅在其低损耗状态（非常高或非常低的电阻）但也在中间，有限的电阻值。使用这些电路获得的衰减值可通过以下等式计算：
图 3 SPST PIN 二极管开关
串联 PIN 二极管衰减器的衰减
并联 PIN 二极管衰减器的衰减
这些等式假定 PIN 二极管为纯电阻性。然而，在其值开始接近 PIN 二极管电阻值的频率下，还必须考虑 PIN 二极管电容的电抗。
匹配衰减器
由开关设计构建的衰减器基本上是反射设备，通过在源和负载之间产生不匹配来衰减信号。匹配的 PIN 二极管衰减器设计在整个衰减范围内表现出恒定的输入阻抗，也可以使用多个 PIN 二极管偏置在带宽限制电路的不同电阻点，利用调谐元件。它们的描述如下：
正交混合衰减器
虽然匹配的 PIN 衰减器可以通过将铁氧体环行器与以前的简单反射器件之一组合来实现，但更常见的方法是使用正交混合电路。正交混合频率通常在 10 MHz 以下到 1 GHz 以上的频率范围内可用，带宽覆盖范围通常超过 10 年。图 3 和 4 显示了采用串联和并联 PIN 二极管的典型正交混合电路。以下等式总结了这种性能：
正交混合（串联 PIN 二极管)
正交混合（并联 PIN 二极管）
图 4:正交匹配混合衰减器（串联二极管）
从低成本和实现低频运行的角度来看，正交混合设计方法优于环行器耦合衰减器。由于入射功率分为两条路径，正交混合配置也能够处理两倍的功率，这发生在 6 dB 衰减点。然而，每个负载电阻必须能够在最大衰减时耗散总输入功率的一半。
上述两种类型的混合衰减器都提供了良好的动态范围。然而，对于主要用于高衰减水平（大于 6 dB）的衰减器，建议使用串联连接的二极管配置，而并联安装的二极管配置更适合低衰减范围。
正交混合衰减器也可以在没有负载电阻串联或并联连接到 PIN 二极管的情况下构建，如图所示。在这些电路中，正向电流从 50 Ω、最大衰减/RS 值增加到较低的电阻值。这导致随着衰减降低而增加的存储电荷，这对于较低失真是期望的。负载电阻的目的是使衰减器对单个二极管的差异不那么敏感，并增加两个工厂的功率处理能力。
图 5:正交混合匹配衰减器（并联引脚二极管）
恒阻抗衰减器电路。
{【入射到端口 A 的功率在端口 B 和端口 C 之间平均分配，端口 D 被隔离。 PIN 二极管电阻与端口 B 和 C 处的负载电阻并联产生的失配反映了部分功率。反射功率离开端口 D，隔离端口 A。因此，A 看起来与输入信号匹配。】}
四分之一波衰减器
也可以使用四分之一波技术构建匹配衰减器。图 6 和 7显示了这些电路的示例。对于四分之一波长部分，可以在对于线路长度的实际使用而言太低的频率下采用集总等效。图 26 中显示了此等效项。
这些电路的性能方程式如下： 四分之一波衰减器（串联二极管）
当两个二极管的电阻相同时，这些电路就实现了匹配条件。当使用类似的二极管时通常会出现这种情况，因为它们是直流串联的，流过每个二极管的正向偏置电流相同。建议在高衰减水平下使用图 6 的串联电路，而图 7 的分流二极管电路更适合低衰减电路。
图 6：四分之一波匹配衰减器（串联二极管）
图7： 四分之一波匹配衰减器（并联二极管）
图 8： 四分之一波线的集总电路等效
桥接 TEE 和 PI 衰减器
对于匹配的宽带应用，尤其是那些覆盖低 RF (1 MHz) 到 UHF 的应用，采用使用多个 PIN 二极管的衰减器设计。通常用于此应用的是图 9和 10 中所示的桥接 TEE 和 PI 电路。
图 9 桥接 T 型衰减器
使用桥接 TEE 电路获得的衰减可通过以下公式计算：
图 10: PI 衰减器（π 和 Tee 是宽带匹配衰减器电路。）
两个二极管的正向电阻之间的关系确保在所有衰减值下都能保持匹配电路。
PI衰减器的衰减表达式和匹配条件如下：
使用这些表达式，图 11 给出了 50 Ω PI 衰减器的二极管电阻值的图形显示。请注意，RS1 和 RS2 的最小值为 50 Ω。在桥接 TEE 和 PI 衰减器中，PIN 二极管同时偏置在两个不同的电阻点，必须跟踪这些电阻点才能实现适当的衰减器性能。
图 11 PI 衰减器的衰减
PIN 二极管开关和衰减器可用作射频调幅器。方波或脉冲调制使用 PIN 二极管开关设计，而线性调制器使用衰减器设计。
高功率或失真敏感调制器应用的设计遵循与其对应的开关和衰减器相同的准则。他们采用的 PIN 二极管应具有厚 I 区和长载流子寿命。串联连接或最好是背对背配置总能减少失真。使用这些设备的代价是降低最大频率和提高调制电流要求。
建议将正交混合设计作为 PIN 二极管调制器的构建块。其固有的内置隔离最大限度地减少了驱动源上的牵引和不需要的相位调制。
京公网安备 11010802033920号
