運算放大器：驅(qū)動PIN二極管替代方案

開關(guān)電路中，每個PIN二極管都有附隨的PIN二極管驅(qū)動器或開關(guān)驅(qū)動器，用來提供受控正向偏置電流、反向偏置電壓以及控制信號（通常是一個數(shù)字邏輯命令）與一個或多個PIN二極管之間的激活接口。根據(jù)應(yīng)用需要，可以采用分立設(shè)計或?qū)ｉTIC實現(xiàn)這種驅(qū)動器功能。

另一方面，也可以使用隨處可得的運算放大器以及鉗位放大器、差分放大器等特殊放大器作為備選方案，代替分立PIN二極管驅(qū)動電路和昂貴的PIN二極管驅(qū)動器IC。此類運算放大器具有寬帶寬、高壓擺率和充裕的穩(wěn)態(tài)電流，可驅(qū)動PIN二極管。本文討論3種不同的PIN驅(qū)動器電路，它們采用運算放大器或特殊放大器：AD8037、AD8137和ADA4858-3。這些電路設(shè)計用于單刀雙擲(SPDT) PIN二極管開關(guān)，但也可以對其進(jìn)行修改，以適合其他電路配置。在詳細(xì)說明這些電路之前，本文將先討論PIN二極管的特性和使用。

PIN二極管
PIN二極管用作電流控制電阻，工作在RF和微波頻率，正向偏置（“導(dǎo)通”）時其電阻只有幾分之一歐姆，反向偏置（“截止”）時其電阻高達(dá)10kΩ以上。與典型的PN結(jié)二極管不同，PIN二極管的P區(qū)與N區(qū)之間多了一層高阻性本征半導(dǎo)體材料（用PIN中的“I”表示），如圖1所示。

圖1  PIN二極管

當(dāng)PIN二極管正向偏置時，來自P材料的空穴和來自N材料的電子注入I區(qū)。電荷并不能立即完成重新合并；電荷重新合并所需的有限時間量稱為“載流子生命周期”。這導(dǎo)致I區(qū)中存在凈存儲電荷，因而其電阻會降至某一個值，稱為二極管的有效導(dǎo)通電阻RS（見圖2a）。

圖2  PIN二極管等效電路：a) 導(dǎo)通，IBIAS >> 0；b) 截止，VBIAS ≤ 0

當(dāng)施加反向或零偏置電壓時，二極管呈現(xiàn)為一個大電阻RP，它與電容CT并聯(lián)（見圖2b）。通過改變二極管幾何結(jié)構(gòu)，可以使PIN二極管具有不同的RS和CT組合，以滿足各種電路應(yīng)用和頻率范圍的需要。

驅(qū)動器提供的穩(wěn)態(tài)偏置電流ISS和反向電壓共同決定RS和CT的最終值。圖3和圖4顯示了典型PIN二極管系列——M/A-COM MADP 042XX8-13060系列硅二極管的參數(shù)關(guān)系。二極管材料會影響其特性。例如，砷化鎵(GaAs)二極管幾乎不需要反向偏置就能實現(xiàn)低CT值，如圖9所示。

圖3 硅二極管導(dǎo)通電阻與正向電流的關(guān)系

圖4 硅二極管電容與反向電壓的關(guān)系

PIN二極管中存儲的電荷可以利用公式1進(jìn)行近似計算。
                (1)
其中，QS為存儲的電荷；τ為二極管載流子生命周期；ISS為穩(wěn)態(tài)電流。
要導(dǎo)通或截止二極管，必須注入或移除所存儲的電荷。驅(qū)動器的工作就是以極快的速度注入或移除所存儲的電荷。如果開關(guān)時間小于二極管的載流子生命周期，則可以利用公式2近似計算實現(xiàn)快速開關(guān)所需的峰值電流(IP)。
               (2)
其中：t為所需的開關(guān)時間；ISS 為驅(qū)動器所提供的穩(wěn)態(tài)電流，用來設(shè)置PIN二極管導(dǎo)通電阻RS；τ為載流子生命周期。

驅(qū)動器注入或移除電流（或“尖峰電流”）i可以表示為公式3。
                    (3)
其中，C為驅(qū)動器輸出電容（或“尖峰電容”）的值；V為輸出電容上的電壓；dv/dt為電容上的電壓的時間變化率。

PIN二極管偏置接口
將開關(guān)驅(qū)動器控制電路與PIN二極管相連，以便通過施加正向或反向偏置來開關(guān)二極管，是一項具有挑戰(zhàn)性的工作。偏置電路通常使用一個低通濾波器，位于RF電路與開關(guān)驅(qū)動器之間。圖5顯示了一個單刀雙擲(SPDT)RF開關(guān)及其偏置電路。當(dāng)設(shè)置妥當(dāng)時，濾波器L1/C2和L3/C4允許將控制信號施加于PIN二極管D1–D4，控制信號與RF信號（從RF IN切換至PORT 1或PORT 2）的相互影響極少。這些元件允許頻率相對較低的控制信號通過PIN二極管，但會阻止高頻信號逃離RF信號路徑。不正常的RF能量損耗意味著開關(guān)的插入損耗過高。電容C1、C3和C5阻止施加于二極管的直流偏置侵入RF信號路徑中的電路。直流接地回路中的電感L2允許直流和低頻開關(guān)驅(qū)動器信號輕松通過，但對于RF和微波頻率則會呈現(xiàn)高阻抗，從而降低RF信號損耗。

圖5 典型單刀雙擲(SPDT)RF開關(guān)電路

偏置電路、RF電路和開關(guān)驅(qū)動器電路全都會發(fā)生交互影響彼此的性能，因此像所有設(shè)計一樣，權(quán)衡考慮各種因素十分重要。例如，較大的C2和C4(>20pF)對RF性能有利，但對驅(qū)動器則是麻煩，因為大電容會導(dǎo)致上升沿和下降沿較慢。快速開關(guān)對大多數(shù)應(yīng)用都有利；因此，為了實現(xiàn)最優(yōu)驅(qū)動器性能，電容必須極小，但為了滿足RF電路要求，電容又必須足夠大。

傳統(tǒng)PIN二極管驅(qū)動器
PIN二極管驅(qū)動器有各種形狀和尺寸。圖6給出了一個可提供高開關(guān)速度的典型分立開關(guān)驅(qū)動器的原理圖。這種驅(qū)動器既可以采用“片線”（混合）結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，也可以采用“表貼”(SMT)器件來實現(xiàn)；前者非常昂貴，后者雖不昂貴，但需要的印刷電路板(PCB)面積多于混合結(jié)構(gòu)。

圖6 分立開關(guān)驅(qū)動器電路

還有專用開關(guān)驅(qū)動器集成電路(IC)。這些IC十分緊湊，提供TTL接口，并具有良好的性能，但靈活性有限，而且往往很昂貴。

還有一種開關(guān)驅(qū)動器架構(gòu)應(yīng)當(dāng)考慮，即采用運算放大器。運算放大器開關(guān)驅(qū)動器的明顯優(yōu)勢在于其自身的靈活性，可以輕松地對其進(jìn)行配置，以適應(yīng)不同的應(yīng)用、電源電壓和條件，為設(shè)計人員提供豐富的設(shè)計選項。

運算放大器PIN二極管驅(qū)動器
運算放大器電路是一種很有吸引力的PIN二極管驅(qū)動備選方案。除靈活性外，這種電路常常還能以接近或超過1000V/μs的躍遷速度工作。下面將介紹3種不同的RF PIN二極管放大器驅(qū)動電路。所選放大器雖然在根本特征上各不相同，但都能執(zhí)行類似的功能。這些放大器電路可以驅(qū)動硅或砷化鎵(GaAs)PIN二極管，但各有各的特點。

AD8037—鉗位放大器
該電路能以最高10MHz的頻率工作，具有出色的開關(guān)性能，總傳播延遲為15ns。通過改變增益或鉗位電壓，可以調(diào)整輸出電壓和電流，以適應(yīng)不同的應(yīng)用。鉗位放大器AD8037原本設(shè)計用于驅(qū)動ADC，可提供鉗位輸出以保護(hù)ADC輸入不發(fā)生過驅(qū)。圖7所示配置用一對AD8037（U2和U3）驅(qū)動PIN二極管。

圖7  AD8037 PIN二極管驅(qū)動器電路

本例中，U2和U3采用同相配置，增益為4。利用AD8037的獨特輸入鉗位特性，可以實現(xiàn)極其干凈和精確的鉗位。它可以線性放大輸入信號，最高可達(dá)增益乘以正負(fù)鉗位電壓（VCH和VCL）。當(dāng)增益為4且鉗位電壓為±0.75V時，如果輸入電壓小于±0.75 V，則輸出電壓等于輸入電壓的4倍；如果輸入電壓大于±0.75V，則輸出電壓鉗位在最大值±3V。這一鉗位特性使得過驅(qū)恢復(fù)非?？欤ǖ湫椭敌∮?ns）。鉗位電壓（VCH和VCL）由分壓器R2、R3、R7和R8確定。

數(shù)字接口由74F86 XOR邏輯門(U1)實現(xiàn)，它提供U2和U3所用的驅(qū)動信號，兩路互補(bǔ)輸出之間的傳播延遲偏斜極小。電阻網(wǎng)絡(luò)R4、R5、R6和R9將TTL輸出電平轉(zhuǎn)換為大約±1.2V，然后通過R10和R12饋送給U2和U3。

U2和U3的±1.2-V輸入提供60%過驅(qū)，以確保輸出會進(jìn)入鉗位狀態(tài)(4×0.75V)。因此，硅PIN二極管驅(qū)動器的輸出電平設(shè)為±3V。電阻R16和R17限制穩(wěn)態(tài)電流。電容C12和C13設(shè)置PIN二極管的尖峰電流。

AD8137—差分放大器
差分放大器（本例所用的AD8137）可以低成本提供出色的高速開關(guān)性能，并使設(shè)計人員能夠十分靈活地驅(qū)動各種類型的RF負(fù)載。有各種各樣的差分放大器可供使用，包括速度更快、性能更高的一些器件。

高速差分放大器AD8137通常用于驅(qū)動ADC，但也可以用作低成本、低功耗PIN二極管驅(qū)動器。其典型開關(guān)時間為7～11ns，其中包括驅(qū)動器和RF負(fù)載的傳播延遲。它提供互補(bǔ)輸出，功能多樣，可以替代昂貴的傳統(tǒng)驅(qū)動器。

圖8所示電路將單端TTL輸入（0～3.5V）轉(zhuǎn)換為互補(bǔ)±3.5V信號，同時可使傳播延遲最小。TTL信號放大4倍，在AD8137輸出端產(chǎn)生所需的±3.5V擺幅。TTL信號的中點（或共模電壓）為1.75V；必須將同樣的電壓施加于R2，作為參考電壓VREF，以免在放大器輸出端引入共模失調(diào)誤差。最好從一個低源阻抗驅(qū)動此點；任何串聯(lián)阻抗都會增加到R1上，從而影響放大器增益。

圖8 PIN二極管驅(qū)動器原理圖

輸出電壓增益可由公式4計算：
             (4)
為正確端接脈沖發(fā)生器的輸入阻抗，使之為50Ω，需要確定差分放大器電路的輸入阻抗。這可以利用公式5計算，得出RT=51.55Ω，與之最接近的標(biāo)準(zhǔn)1%電阻值為51.1Ω。對于對稱的輸出擺幅，兩個輸入網(wǎng)絡(luò)的阻抗必須相同。這意味著，反相輸入阻抗必須將信號源的阻抗和端接電阻納入增益設(shè)置電阻R2。
       (5)
圖8中，R2約比R1大20Ω，以補(bǔ)償源電阻RS與端接電阻RT的并聯(lián)組合所引入的額外電阻(25Ω)。將R4設(shè)為1.02kΩ（最接近1.025kΩ的標(biāo)準(zhǔn)電阻值），以確保兩個電阻比相等，避免引入共模誤差。

輸出電平轉(zhuǎn)換很容易利用AD8137的VOCM引腳來實現(xiàn)，該引腳設(shè)置直流輸出共模電平。本例中，VOCM引腳接地，以提供關(guān)于地的對稱輸出擺幅。

電阻R5和R6設(shè)置穩(wěn)態(tài)PIN二極管電流見公式6。
               (6)
電容C5和C6設(shè)置尖峰電流，該電流有助于注入和移除PIN二極管中存儲的電荷?？梢愿鶕?jù)特定二極管負(fù)載要求，調(diào)整這些電容的值，實現(xiàn)性能優(yōu)化。尖峰電流可以由公式7計算。
                (7)

ADA4858-3—內(nèi)置電荷泵的三通道運算放大器
許多應(yīng)用只提供一個電源，這常常令電路設(shè)計人員感到為難，尤其是當(dāng)需要在PIN電路中提供低關(guān)斷電容時。這種情況下，硅或GaAs PIN二極管驅(qū)動電路可以使用片上集成電荷泵的運算放大器，而不需要外部負(fù)電源；其好處是可以顯著節(jié)省空間、功耗和預(yù)算。

高速電流反饋型三通道放大器ADA4858-3就是這樣一種器件，它具有出色的特性，片上集成電荷泵，輸出擺幅可以達(dá)到地電壓以下3～1.8V（具體取決于電源電壓和負(fù)載）。該器件魯棒性很好，可以真正為其他電路提供最高50mA的負(fù)電源電流。

ADA4858-3為單電源系統(tǒng)中的互補(bǔ)PIN二極管微波開關(guān)驅(qū)動問題提供了一種獨特的解決方案?；仡檲D4，從中可以看出：即使很少量的反向偏置也有助于降低二極管電容CT，具體取決于PIN二極管的類型。此類驅(qū)動器對GaAs PIN二極管很有利，因為這種二極管通常不需要很大的負(fù)偏置就能使關(guān)斷電容(CT)保持較小的值（見圖9）。

圖9  GaAs CT電容與電壓的關(guān)系

圖10所示電路用ADA4858-3作為PIN二極管驅(qū)動器?？梢栽谳斎攵嗽黾右粋€緩沖門，使該電路兼容TTL或其他邏輯。對此電路的要求是將TTL 0V至3.5V輸入信號擺幅轉(zhuǎn)換為互補(bǔ)–1.5～+3.5V擺幅，用于驅(qū)動PIN二極管。

圖10  ADA4858-3用作PIN二極管驅(qū)動器

R1、R2、R3和U1C形成該電路的–1.5V基準(zhǔn)電壓，內(nèi)部負(fù)電壓CPO由片內(nèi)電荷泵產(chǎn)生。電容C3和C4是電荷泵工作所必需的。負(fù)基準(zhǔn)電壓隨后通過分壓器（R5和R9）與VTTL輸入以無源方式合并，所產(chǎn)生的電壓(VRD)出現(xiàn)在U1B的同相輸入端。U1B輸出電壓可以利用公式8計算。
 (8)
其中：
(9)
負(fù)基準(zhǔn)電壓也被饋送至放大器U1A，在其中與TTL輸入合并，所得輸出電壓V2可以利用公式10計算。
 (10)
這些放大器采用電流反饋架構(gòu)，因此必須注意反饋電阻的選擇，反饋電阻對于放大器的穩(wěn)定性和頻率響應(yīng)有著重要作用。對于本應(yīng)用，反饋電阻設(shè)為294Ω，這是數(shù)據(jù)手冊所推選的值。輸出電壓V1和V2分別可以用公式8和公式10表示。輸出尖峰電流量可以利用公式3和電容C5、C6上的電壓確定。設(shè)置PIN二極管導(dǎo)通電阻的穩(wěn)態(tài)電流由R11與R12上的電壓差確定，并取決于PIN二極管曲線和系統(tǒng)要求。

對于本應(yīng)用，RF開關(guān)負(fù)載為MASW210B-1硅PIN二極管單刀雙擲（SPDT）開關(guān)，用于微波下變頻器的前端（見圖11）。

圖11 下變頻器功能框圖

開關(guān)輸出波形和TTL輸入信號如圖12所示。請注意，上升沿和下降沿非常陡峭。由于開關(guān)的開關(guān)時間要求相對較慢（約為50ns），因此本應(yīng)用沒有使用尖峰電容C5和C6。設(shè)置穩(wěn)態(tài)二極管電流的電阻R11和R12均為330Ω。

圖12 顯示RF開關(guān)速度的波形

圖13顯示了下變頻器前端的頻譜響應(yīng)；開關(guān)SW1位于固定位置，以消除插入損耗。請注意，圖中不存在諧波或邊帶，充分表明沒有明顯的100 kHz開關(guān)偽像從ADA4858-3片內(nèi)電荷泵散出，這是在此類應(yīng)用中使用這些器件的重要考慮因素。

圖13 下變頻器的頻譜響應(yīng)

結(jié)論
以上三例說明，運算放大器可以創(chuàng)造性地用作傳統(tǒng)放大器的替代方案，其性能與PIN二極管專用驅(qū)動IC相當(dāng)。此外，運算放大器可以提供增益調(diào)整和輸入控制功能，而且當(dāng)使用內(nèi)置電荷泵的運算放大器時，無須負(fù)電源，這就提高了PIN二極管的驅(qū)動器和其他電路的設(shè)計靈活性。運算放大器易于使用和配置，可以相對輕松地解決復(fù)雜問題。