采用PIN二极管解决宽带射频开关问题

昂贵的机械开关用于精准的测试仪器，例如矢量网络分析仪，被证明是适当的。不过，对于量产的消费类产品，如有线或卫星电视(CATV/SATV)发送系统，较低成本的电子开关则更合适些。这类开关基于晶体管或者PIN二极管。半导体开关没有移动部件，因此，较机械开关而言，它们具有更快的响应时间和更长的寿命范围。

PIN二极管通常被用在单刀单掷(SPST)和单刀多掷开关的切换单元。PIN二极管对于频率高于二极管截止频率(fc)10倍以上的信号，起到一个流控电阻的作用。

加上一正向偏置电流，PIN二极管结电阻Rj可以从高阻变为低阻，此外，PIN二极管既能用于串联开关模式，也能用于并联开关模式。串联开关的插入损耗A为：

在并联连接时，插入损耗变为：

这里Zo是特征阻抗(在射频传输系统中，其典型值为50或75Ω)。

选择开关的拓扑结构要求在带宽和隔离度要求之间做出折衷。尽管串联开关具有在很宽频率范围内传输低损耗的优势，但其隔离度较差。并联开关通常结合1/4波长传输线使用，其本质上为窄带，不过较串联而言，这些传输线具有较高的隔离度。

测试仪器和CATV/SATV设备都需要多倍频程工作能力的射频开关，并且不产生明显信号损耗。类似于CATV/SATV的多载波环境对开关有着严格的线性度要求。它还不能引入导致信道间干扰的过度失真，这类干扰会造成信号质量下降。

为了改善单PIN二极管的隔离度，可以在串联模式下采用两个或更多PIN二极管。这种串联连接和蔼允许共享同一个偏置电流以节省功率。双端开关部件，如PIN二极管的好处在于，能够用外加二极管轻易地以串联方式级联。相反，三端晶体管就要求为每个增加的串联开关部件提供同样的控制线路。

体效应二极管与外延生长型PIN二极管

电路设计人员需要区分体效应类型和外延生长型(Epi)PIN二极管两者间的区别。这两种构造PIN二极管的不同方法导致它们各自射频性能有明显差异，因而就影响到PIN二极管对各种应用的适合程度。体效应二极管衬底具有低掺杂密度，为了导通，它需要有一高偏置电流，因此，体效应PIN二极管一般不适合便携和其它跟电池操作相关的应用。其非常厚且纯的本征(I)层会造成在300~3,000ns范围内很长的载流子寿命。这种长载流子寿命是保证开关和衰减器应用中具有低失真性能的基本参数。

相反，Epi二极管的I-层为高度掺杂，Epi二极管很适合用作电流受限产品中的低电流射频开关。其载流子寿命短得多(τ5~300ns)。糟糕的是，这种差异使得外延生长型PIN二极管的线性较体效应二极管要差得多。由于PIN二极管的线性度通常在低偏置电流情况下发生恶化，这种局面事实上就把考虑Epi二极管作为衰减器的可能性排除在外。

正如先前所提到的那样，确定PIN开关的可用低端频率限制受其与截止频率之间关系的影响。在10倍截止频率以下，PIN二极管不再表现为流控电阻的性质。当

二极管的行为不可预测，它在流控电感和电容之间交替变化。如果频率远低于

二极管的PIN结就起到传统PN结的作用。一般来说，体效应二极管更厚的I层较Epi二极管允许工作在更低的频率上。

PIN二极管模型

寄生电路元件(例如有害的电感和电容)，是同二极管片和封装与生俱来的，它定义了开关性能限制。在串联开关结构的范围内，封装电容和芯片电容(分别为Cp和Cj)共同引起隔离度随频率升高而逐渐降低。封装寄生电感Lp引起开关插损随频率按比例增加(图1)。为了改善PIN二极管在微波范围内的性能，制造商们在坚持不懈地创造更小的封装。这些封装带来的寄生产物更少。业界标准的SOT323、SOD-323和SOD-523正是制造低成本塑料封装PIN二极管部件无尽推动力的印证。

不幸的是，PIN二极管不能在计算机辅助设计领域普遍应用的SPICE软件里得到建模，SPICE没有建立少数载流子寿命T参数，它是PIN二极管一个重要参数。PIN二极管片可被建模成一简单线性电路，该电路由两个电阻、一个可变电阻以及一个电容构成，如图1所示。