基于运算放大器驱动PIN二极管替代方案

　　图1 PIN二极管

　　当PIN二极管正向偏置时，来自P材料的空穴和来自N材料的电子注入I区。电荷并不能立即完成重新合并；电荷重新合并所需的有限时间量称为“载流子生命周期”。这导致I区中存在净存储电荷，因而其电阻会降至某一个值，称为二极管的有效导通电阻RS（见图2a）。

　　

　　图2 PIN二极管等效电路：a） 导通，IBIAS 》》 0；b） 截止，VBIAS ≤ 0

　　当施加反向或零偏置电压时，二极管呈现为一个大电阻RP，它与电容CT并联（见图2b）。通过改变二极管几何结构，可以使PIN二极管具有不同的RS和CT组合，以满足各种电路应用和频率范围的需要。
　　驱动器提供的稳态偏置电流ISS和反向电压共同决定RS和CT的最终值。图3和图4显示了典型PIN二极管系列——M/A-COM MADP 042XX8-13060系列硅二极管的参数关系。二极管材料会影响其特性。例如，砷化镓（GaAs）二极管几乎不需要反向偏置就能实现低CT值，如图9所示。

　　

　　图3 硅二极管导通电阻与正向电流的关系

　　

　　图4 硅二极管电容与反向电压的关系

　　PIN二极管中存储的电荷可以利用公式1进行近似计算。
　　
（1）
　　其中，QS为存储的电荷；τ为二极管载流子生命周期；ISS为稳态电流。
　　要导通或截止二极管，必须注入或移除所存储的电荷。驱动器的工作就是以极快的速度注入或移除所存储的电荷。如果开关时间小于二极管的载流子生命周期，则可以利用公式2近似计算实现快速开关所需的峰值电流（IP）。
　　
（2）
　　其中：t为所需的开关时间；ISS 为驱动器所提供的稳态电流，用来设置PIN二极管导通电阻RS；τ为载流子生命周期。
　　驱动器注入或移除电流（或“尖峰电流”）i可以表示为公式3。
　　
（3）
　　其中，C为驱动器输出电容（或“尖峰电容”）的值；V为输出电容上的电压；dv/dt为电容上的电压的时间变化率。
　　PIN二极管偏置接口
　　将开关驱动器控制电路与PIN二极管相连，以便通过施加正向或反向偏置来开关二极管，是一项具有挑战性的工作。偏置电路通常使用一个低通滤波器，位于RF电路与开关驱动器之间。图5显示了一个单刀双掷（SPDT）RF开关及其偏置电路。当设置妥当时，滤波器L1/C2和L3/C4允许将控制信号施加于PIN二极管D1–D4，控制信号与RF信号（从RF IN切换至PORT 1或PORT 2）的相互影响极少。这些元件允许频率相对较低的控制信号通过PIN二极管，但会阻止高频信号逃离RF信号路径。不正常的RF能量损耗意味着开关的插入损耗过高。电容C1、C3和C5阻止施加于二极管的直流偏置侵入RF信号路径中的电路。直流接地回路中的电感L2允许直流和低频开关驱动器信号轻松通过，但对于RF和微波频率则会呈现高阻抗，从而降低RF信号损耗。

　　

　　图5 典型单刀双掷（SPDT）RF开关电路

　　偏置电路、RF电路和开关驱动器电路全都会发生交互影响彼此的性能，因此像所有设计一样，权衡考虑各种因素十分重要。例如，较大的C2和C4（》20pF）对RF性能有利，但对驱动器则是麻烦，因为大电容会导致上升沿和下降沿较慢。快速开关对大多数应用都有利；因此，为了实现最优驱动器性能，电容必须极小，但为了满足RF电路要求，电容又必须足够大。
　　传统PIN二极管驱动器
　　PIN二极管驱动器有各种形状和尺寸。图6给出了一个可提供高开关速度的典型分立开关驱动器的原理图。这种驱动器既可以采用“片线”（混合）结构来实现，也可以采用“表贴”（SMT）器件来实现；前者非常昂贵，后者虽不昂贵，但需要的印刷电路板（PCB）面积多于混合结构。

　　

　　图6 分立开关驱动器电路

　　还有专用开关驱动器集成电路（IC）。这些IC十分紧凑，提供TTL接口，并具有良好的性能，但灵活性有限，而且往往很昂贵。
　　还有一种开关驱动器架构应当考虑，即采用运算放大器。运算放大器开关驱动器的明显优势在于其自身的灵活性，可以轻松地对其进行配置，以适应不同的应用、电源电压和条件，为设计人员提供丰富的设计选项。
　　运算放大器PIN二极管驱动器
　　运算放大器电路是一种很有吸引力的PIN二极管驱动备选方案。除灵活性外，这种电路常常还能以接近或超过1000V/μs的跃迁速度工作。下面将介绍3种不同的RF PIN二极管放大器驱动电路。所选放大器虽然在根本特征上各不相同，但都能执行类似的功能。这些放大器电路可以驱动硅或砷化镓（GaAs）PIN二极管，但各有各的特点。
　　AD8037—钳位放大器
　　该电路能以最高10MHz的频率工作，具有出色的开关性能，总传播延迟为15ns。通过改变增益或钳位电压，可以调整输出电压和电流，以适应不同的应用。钳位放大器AD8037原本设计用于驱动ADC，可提供钳位输出以保护ADC输入不发生过驱。图7所示配置用一对AD8037（U2和U3）驱动PIN二极管。