14mm2紧凑型+50dBm高IIP3的3级宽带电压可变衰减器模块

本文作者：安华高科技 (Avago Technologies) Chin-Leong Lim

介绍
虽然在实现固定阻抗电压可变衰减器(VVA, Voltage Variable Attenuator)时至少有数种方法，但只有PI(π)和T拓朴结构可以真正得到10到500MHz范围内的有效实际应用[注1]，除此之外，由于不受限于会受到频率影响的元器件，如传输线、正交混和电路或循环器，PI和T配置基本特性为宽带形式，因而它们的实际实施可以连续涵盖数MHz到GHz范围，特别的是，PI型VVA由于低成本、紧凑性和广带宽，因此非常受到卫星电视(SATV, Satellite Television)和有线电视(CATV, Cable television)系统的欢迎。

相似于其他无线器件，PIN二极管PI衰减器模块也受到了强大的微型化压力，促使新一代的实施必须小于前一代。图1画出了数个世代此类型VVA的占用空间，以及每年大约以20mm2缩小的趋势线估计，在可能是第一个对于这类衰减器微型化的尝试，是把3个PIN二极管集成到DIN 50B4囊状封装而创建的Intermetall TDA 1053[注2及3]，不过，60年代的3个二极管拓朴[注4]并未被包含在图1中，原因是它大多已经被1991年由Waugh所提出的4个二极管版本[注5]取代。Waugh的设计由于可以消除3个二极管拓朴固有的非对称偏置问题，因此迅速成为产业事实上的标准，因为采用了完全表面贴装结构，它同时也代表了VVA微型化进程中的一个里程碑。此后的微型化企图有使用2个SOT-323封装实现二极管[注6]，集成二极管和其他无源器件到单一芯片[注7]，或将所有4个二极管集成到单一SOT-89封装[注8]等作法，单石化的尺寸缩减基本上无法达成，原因是必须使用nF级电容器来使衰减器能够达成CATV上行路径的5MHz较低频率限制。

这个设计的重要性在于2008年设计当时为同级产品的最小尺寸，模块的占用面积为14mm2，大约只有第一代4个二极管实施方式的4%。

图1：PIN二极管PI可变衰减器的尺寸趋势

设计
图2为基本PI固定衰减器以及它的设计方程，分流电阻R1和串接电阻R3主要用于设定目标衰减值A=20log(K)，并同时提供匹配系统阻抗特性的输入和输出阻抗。在远高于截止频率Fc的频率工作时，PIN二极管可以作为电流控制可变电阻，因而这些二极管可以用来取代电路中的固定电阻以建立可变衰减器。虽然FET场效应晶体管也可以扮演同样的角色，但它的线性度要比PIN二极管差上许多[注9]，并且需要负的控制电压。

图2：基本PI衰减器电路和设计方程
其中K为输入到输出电压比，Zo为源端和负载端阻抗。

PIN二极管因采用的制造方式，例如外延或晶块，以及它们的I层厚度(W)而不同，晶块和厚I层带来较长的载子寿命(τ)，为衰减器低失真的重要条件，在缺点方面，具有较长τ值的PIN二极管需要较大的偏置电流来控制它的阻值，为了描述τ值和线性度之间的关系，图3画出了两个不同τ值下PIN二极管的二阶(IP2)和三阶截点(IP3)，由于目标应用CATV/SATV系统的严格线性要求，较长寿命的二极管(τ=1500ns)被选用来实现VVA，原因是CATV/SATV系统必须同时承载大量频道而不会相互干扰。

图3：500ns和1500ns二个不同载子寿命模拟的IP2和IP3相对PIN二极管电阻值，二级管采1GHz串接配置

若将固定衰减器中的串接电阻以两个二极管取代，可以获得左右半边对称的衰减器，请参考图4。分割串接电阻允许偏置插入电阻R3连接到串接臂的中点，而非如3个二极管结构中的一端，电路的对称性可以保证相同的偏置电流流过分流二级管，通过成对的反向二极管反串接对实现串接臂也可以降低二阶失真，原因是非线性度会有180度相位差，因此会自相抵消。

二极管的偏置电流和衰减由Vc控制，电阻R1和R2作为串接和分流二极管的偏置返回路径，由于这二个电阻会对射频路径进行分流，因此它们的电阻值必须高到足以屏蔽射频，但又不能大到会有过大直流电压出现其上。流过分流二极管的电流由固定电压V+提供，并受R4-R5电阻限制，在这个设计中，采用1.5V的经验值V+可以得到所有衰减值的最佳回返损耗。

4个二极管配置的VVA在原始设计上控制电压可以由0V到15V变化，由于现代电子技术受到电源电压的限制，因而超过5V的工作要求会限制了客户的使用范围。限制最高Vc在5V会有提高最低衰减由3dB到9.5dB的反作用，原因是降低了进行串接二极管偏置的最大电流值。

为了在仅有1/3的控制电压下得到相似于原始设计的最小衰减，这个设计使用较小的R1-R3，以允许较大电流流过串接二极管，R1和R2降低了约42%，由560Ω改为330Ω，R3则由330Ω变成22Ω，降低超过93%，不过这些电阻分流射频路径，使得它们的电阻值小于4.Zo，如75Ω系统R<300Ω，将会减低它们作为射频扼流