針對有線電視和通訊應(yīng)用的PIN二極管衰減器的結(jié)構(gòu)
摘要： 可調(diào)衰減器在各種通訊應(yīng)用中是有用的器件,，例如,，衰減器可用來控制收發(fā)器的信號水平……
Abstract：
Key words :
</a>CATV" title="CATV">CATV" title="CATV">CATV" title="CATV">CATV)網(wǎng)絡(luò)和CATV機頂盒，在甚高頻無線及蜂窩通訊設(shè)備及低頻微波通訊,、特別在空間有限而不能使用分布式元件的應(yīng)用中也非常有用,。
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(jié)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,。在封裝的四元組中,，腳1和腳3用于RF輸入/輸出，腳2用來為二極管提供偏壓,，腳4,、5用來提供分路偏壓。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(gòu)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(yīng)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,。不過，只有在工作頻率完全高于二極管的截止頻率fc=1/2πτ的條件下這個電流控制變阻模型才比較精確,，這里τ為器件中少數(shù)載流子的生命周期,。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(jié)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(jié)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(fù)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(guān),，不過,，由于已經(jīng)針對寬帶衰減器應(yīng)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(gòu)造一個可變衰減器，不過,，這樣會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中的不對稱,，從而導(dǎo)致產(chǎn)生一個相當復(fù)雜的偏壓網(wǎng)絡(luò)。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(luò)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(luò)是對稱的,，從而可以大大簡化偏壓網(wǎng)絡(luò),。電源電壓V+是一固定電壓，Vc是控制網(wǎng)絡(luò)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,。
本文中介紹的衰減器是在8mm厚的RF4型印刷電路(PCB" title="PCB">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(guān),。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(guān)的寄生效應(yīng)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?。不過在高衰減狀態(tài),，更多的RF能量被傾入衰減器，會使信號失真度上升,。當Vc接近0時,，幾乎沒有電流流過兩個串聯(lián)的二極管，它們接近于零偏壓狀態(tài),，其結(jié)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,。
Pi衰減器的相位偏移隨衰減值而變化,。總的相位偏移接近90度,，在三個相隔較遠的工作頻率點(100,、900和1800 MHz)測試時此相位偏移表現(xiàn)相當穩(wěn)定。
圖1所示為π衰減電路的示意電路圖,。圖2的左邊為π衰減器的PCB布局,，右邊為元件布置。表1中給出了所需要的元件(包括四元二極管),。圖3,、4、5給出的成品π衰減器測試性能的樣本,。
增加通過串聯(lián)二極管的電流可以降低衰減下限,。將控制電壓保持在最大值5V，減小電阻R3的阻值就可以增大偏移電壓，這可以通過給阻斷RF的電阻R3(表2)串聯(lián)一個表面貼裝鐵酸鹽珠狀電感而實現(xiàn),。在整個頻率范圍內(nèi),，與傳統(tǒng)的瓷芯多層片狀電感相比，這種鐵酸鹽珠狀電感具有更高的阻抗,。圖6給出了低衰減下限衰減電路的示意圖,，圖7中給出了在Vc=5V的條件下與標準衰減電路的比較結(jié)果。
為了建立π衰減器的性能模型以便于進一步分析,，安捷倫公司的高級設(shè)計系統(tǒng)(ADS" title="ADS">ADS)計算機輔助工程(CAE" title="CAE">CAE)軟件為工程師們提供了模擬四元二極管π衰減器性能的技術(shù)支持范例,。相應(yīng)文件可以從www.edasupportweb.soco.agilent.com.的Agilent Eesof知識中心的“Examples”部分下載。
另外,，包含在高頻建模工具APLAC CAE軟件包(www.aplac.com)中的PIN二極管模型也可以預(yù)測在給定正向偏移的條件下RF阻值,。圖8的左邊給出了HSMP-3816 PIN二極管的APLAC模型，將APLAC模型與SOT-25等效電路模型(圖8右邊)結(jié)合在一起,，就可以使設(shè)計人員在模擬過程中研究分析封裝的寄生效應(yīng),。
作者：Lim Chin Leong, Lim Yeam Ch'ng, Goh Swee Chye
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(jié)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,。在封裝的四元組中,，腳1和腳3用于RF輸入/輸出，腳2用來為二極管提供偏壓,，腳4,、5用來提供分路偏壓。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(gòu)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(yīng)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,。不過，只有在工作頻率完全高于二極管的截止頻率fc=1/2πτ的條件下這個電流控制變阻模型才比較精確,，這里τ為器件中少數(shù)載流子的生命周期,。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(jié)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(jié)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(fù)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(guān),，不過,，由于已經(jīng)針對寬帶衰減器應(yīng)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(gòu)造一個可變衰減器，不過,，這樣會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中的不對稱,，從而導(dǎo)致產(chǎn)生一個相當復(fù)雜的偏壓網(wǎng)絡(luò)。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(luò)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(luò)是對稱的,，從而可以大大簡化偏壓網(wǎng)絡(luò),。電源電壓V+是一固定電壓，Vc是控制網(wǎng)絡(luò)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,。
本文中介紹的衰減器是在8mm厚的RF4型印刷電路(PCB" title="PCB">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(guān),。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(guān)的寄生效應(yīng)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?。不過在高衰減狀態(tài),，更多的RF能量被傾入衰減器，會使信號失真度上升,。當Vc接近0時,，幾乎沒有電流流過兩個串聯(lián)的二極管，它們接近于零偏壓狀態(tài),，其結(jié)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,。
Pi衰減器的相位偏移隨衰減值而變化,。總的相位偏移接近90度,，在三個相隔較遠的工作頻率點(100,、900和1800 MHz)測試時此相位偏移表現(xiàn)相當穩(wěn)定。
圖1所示為π衰減電路的示意電路圖,。圖2的左邊為π衰減器的PCB布局,，右邊為元件布置。表1中給出了所需要的元件(包括四元二極管),。圖3,、4、5給出的成品π衰減器測試性能的樣本,。
增加通過串聯(lián)二極管的電流可以降低衰減下限,。將控制電壓保持在最大值5V，減小電阻R3的阻值就可以增大偏移電壓，這可以通過給阻斷RF的電阻R3(表2)串聯(lián)一個表面貼裝鐵酸鹽珠狀電感而實現(xiàn),。在整個頻率范圍內(nèi),，與傳統(tǒng)的瓷芯多層片狀電感相比，這種鐵酸鹽珠狀電感具有更高的阻抗,。圖6給出了低衰減下限衰減電路的示意圖,，圖7中給出了在Vc=5V的條件下與標準衰減電路的比較結(jié)果。
為了建立π衰減器的性能模型以便于進一步分析,，安捷倫公司的高級設(shè)計系統(tǒng)(ADS" title="ADS">ADS)計算機輔助工程(CAE" title="CAE">CAE)軟件為工程師們提供了模擬四元二極管π衰減器性能的技術(shù)支持范例,。相應(yīng)文件可以從www.edasupportweb.soco.agilent.com.的Agilent Eesof知識中心的“Examples”部分下載。
另外,，包含在高頻建模工具APLAC CAE軟件包(www.aplac.com)中的PIN二極管模型也可以預(yù)測在給定正向偏移的條件下RF阻值,。圖8的左邊給出了HSMP-3816 PIN二極管的APLAC模型，將APLAC模型與SOT-25等效電路模型(圖8右邊)結(jié)合在一起,，就可以使設(shè)計人員在模擬過程中研究分析封裝的寄生效應(yīng),。
作者：Lim Chin Leong, Lim Yeam Ch'ng, Goh Swee Chye
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