PIN射频开关与PIN限幅器基础知识

1  PIN射频开关

1.1   工作原理

PIN二极管是一个在射频和微波频段受偏置电流控制的可变阻抗器．它的结构有三层，在硅半导体二极管的P结和N结中间夹着高阻值的本征I层。在正向电流偏置下，空穴和电子被注入到I层。这些电荷不会立刻相互抵消而消失。而是会存在一定的时间．这个时间定义为载流子寿命τ，这样，就会产生并存储一定的电荷量，这些电荷使得I层的有阻抗降低到R。当PIN管处于零偏或反偏的时候，在I层不会存储电荷，这样二极管就表现为一个电容CT并联一个电阻R．也就是利用了PIN二极管在不同偏置电流下，存储在I层的电荷量的不同从而表现出高或低的阻抗值。

PIN二极管主要参数
Rs正向偏置状态下的串联电阻
Cr零或反偏状态下的电容
Rp零或反偏状态下的并联电阻
V_R最大允许的反偏直流电压
τ载流子寿命
P_D最大平均功耗

1.2  PIN二极管的射频等效电路

PIN等效电路

在等效电路中，L为寄生电感，一般小于1nH，在射频（300KHz-30GHz）情况下其阻抗很小，可忽略。正向偏置时，阻抗主要由R_S决定，但R_S亦很小，所以在串联电路中起导通作用，也就是开关的"开"。反向偏置时，电阻R_S和偏置电流成正比，与频率成反比，其阻值远大于电容Cr阻抗，因此阻抗主要由Cr决定，而Cr阻抗很大，因此在射频电路中起到断开作用，也就是"关"。

1.3   PIN开关的主要性能指标

带宽:不仅开关的最高工作频率会受到限制，最低工作频率也会受到限制，如PIN 管就不能控制直流或低频信号的通断。受管子截止频率的影响,开关还有一个上限工作频率。要求开关的频带尽量宽，因为信号源的频带越来越宽。
插入损耗和隔离度：插入衰减定义为信号源产生的最大资用功率PA与开关导通时负载获得的实际功率PLD之比，即PA/ PLD。若开关在关断时负载上的实际功率为PLD，则表示隔离度，写成分贝的形式。根据网络散射参量的定义，有。理想开关，在断开时衰减无限大，导通时衰减为零，一般只能要求两者比值尽量大。由于PI N 管的阻抗不能减小到零，也不能增大至无限大，所以实际的开关在断开时衰减不是无限大，导通时也不是零，一般只能要求两者的比值应尽量大，开关的导通衰减称插入损耗，断开时的衰减称为隔离度，插入损耗和隔离度是衡量开关质量优劣的基本指标。目标是设计低插入损耗和高隔离的开关。
功率容量：所谓开关的功率容量是指它能承受的最大微波功率。PIN二极管的功率容量主要受到以下两方面的限制，管子导通时所允许的最大功耗；管子截止时所能承受的最大反向电压，也就是反向击穿电压。如果开关工作的时候超过了这些限制，前者会导致管内温升过高而烧毁；后者会导致I区雪崩击穿。它由开关开、关状态下允许的微波信号功率的较小者决定。大功率下的非线性效应(IIP3 )也是开关的承受功率的一个主要因素，特别是在移动通信基站中。
驱动器的要求：PIN 管开关和FET 开关的驱动电路是不同的，前者需要提供电流偏置，后者则要求有偏压，驱动器好坏是影响开关速度的主要因素之一。

开关速度：指开关开通和关断的快慢，在快速器件中是一个很重要的指标。可以列出I区中的电流方程如下：。开关速度提高到ns量级，通常采用I层很薄的PIN管，因为薄I层中贮存的载流子数量很少，开关时间大大缩短，这种情况下开关时间基本取决于载流子渡越I层的时间，而与载流子寿命无关。提高开关速度也可选用载流子寿命短的管子，增大控制电流的脉冲幅度，但后者受到PIN管最大功率和反向击穿电压的限制。
电压驻波比(VSWR)：任何在高频信号通道上的元器件不仅会产生插入损耗，也会导致信号传输线上的驻波的增加。驻波是由传送电磁波与反射波干涉而形成的，这种干涉经常是系统中不同部分的阻抗不匹配或者是系统中连接点的阻抗不匹配造成的。

开关比：一个PIN管，在不考虑封装寄生参量时，其正向状态可用正向电阻R1表示，反向状态可以用反向串联电阻R2和I层容抗jXc，串联表示。由于>>R2，，故反向状态可近似以jXc表示，我们称正反两种状态下阻抗的比值Xc／R1为开关比，用以衡量PIN开关的优劣。如要使开关比增大，则C和R2必须比较小，可以看出，当频率提高时，开关性能降低。

1.4   PIN二极管开关电路结构及分析

用串联或者并联的方式，可以简单的分为单刀单掷开关（SPST）和单刀双掷开关（SPDT）。串联方式主要用于宽频，较小插入损耗的应用中；并联主要用于宽频范围较大隔离度的应用中。

1.4.1单刀单掷开关
 

单刀单掷开关

1.4.2  单刀双掷开关
 

单刀双掷开关

对并联型SPDT，如果二极