用二極管設(shè)計(jì)：保護(hù)敏感元件

在雷達(dá)或無(wú)線電接收器中，敏感型低噪聲放大器 (LNA) 在承受較大的輸入信號(hào)時(shí)必定會(huì)發(fā)生損壞。那么，有什么解決方案?

我們可以利用接收器保護(hù)裝置限幅器 (RPL) 電路來(lái)保護(hù)敏感元件。RPL電路的“心臟”通常由PIN二極管組成，能夠保護(hù)元件免受大輸入信號(hào)的影響，同時(shí)不會(huì)對(duì)小信號(hào)操作造成不利影響。

RPL電路的運(yùn)行無(wú)需外部控制信號(hào)。此類電路包含至少一個(gè)與信號(hào)路徑并聯(lián)的PIN二極管，以及一個(gè)或多個(gè)無(wú)源元件，例如RF扼流圈電感和直流隔離電容。以下是一個(gè)簡(jiǎn)單的(但可能是完整的)RPL電路。

當(dāng)沒(méi)有RF輸入信號(hào)或僅存在有RF小信號(hào)時(shí)，限幅器PIN二極管的阻抗特性會(huì)達(dá)到最大值，通常為幾百歐姆或以上。因此，二極管產(chǎn)生非常小的阻抗失配，相應(yīng)地，可帶來(lái)低插入損耗。

當(dāng)出現(xiàn)大輸入信號(hào)時(shí)，RF電壓迫使電荷載流子(P層的空穴和N層的電子)進(jìn)入PIN二極管的I層。進(jìn)入I層后，自由電荷載流子會(huì)降低其RF電阻，從RPL電路的RF端口角度來(lái)看，這產(chǎn)生了阻抗失配。

這種失配會(huì)導(dǎo)致來(lái)自輸入信號(hào)的能量被反射至對(duì)應(yīng)的信號(hào)源。反射信號(hào)與入射信號(hào)配合，在PIN二極管產(chǎn)生一個(gè)電壓最小的駐波，因?yàn)榉瓷湫盘?hào)在傳輸線上暫時(shí)呈現(xiàn)最低阻抗。傳輸線上的每個(gè)最小電壓都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的最大電流。最大電流流經(jīng)PIN二極管，導(dǎo)致二極管I層中的自由電荷載流子量增加，從而產(chǎn)生更低串聯(lián)電阻、更大阻抗失配以及“更小”的最小電壓。最后，二極管的電阻將達(dá)到最小值——該值取決于PIN二極管的設(shè)計(jì)和RF信號(hào)的幅值。RF信號(hào)幅值增大時(shí)，迫使二極管達(dá)到充分導(dǎo)通狀態(tài)，從而進(jìn)一步降低二極管的電阻，直到二極管飽和并產(chǎn)生盡可能的最小電阻。由此得到輸出功率與輸入功率的對(duì)比曲線，如下所示。

當(dāng)RF大信號(hào)不再出現(xiàn)，如果I層中的自由電荷載流子量較大，二極管的電阻則會(huì)保持在較低水平(此時(shí)插入損耗仍然較大)。在RF大信號(hào)中斷后，可以通過(guò)兩種機(jī)制來(lái)減少自由電荷載流子量： (1) 在I層外進(jìn)行電荷傳導(dǎo) (2) 在I層內(nèi)進(jìn)行電荷重組。

電荷傳導(dǎo)的幅值主要由二極管外部電流通路中的直流電阻決定。

電荷重組的速率則由多個(gè)因素決定，包括I層中自由電荷載流子的密度、I層中摻雜原子的濃度和其他電荷俘獲點(diǎn)，等等。考慮到二極管的必要參數(shù)，PIN二極管可安全處理的RF信號(hào)越大，其恢復(fù)到低插入損耗所需的時(shí)間就越長(zhǎng)。

因此，PIN二極管I層的特性決定了RPL電路的性能。I層的厚度(有時(shí)稱為寬度)則決定了二極管達(dá)到極限時(shí)的輸入功率：I層越厚，輸入?yún)⒄?dB壓縮級(jí)別(也稱為閾值級(jí)別)就越高。I層的厚度、二極管結(jié)的面積和二極管的制造材料決定了二極管的電阻、電容以及熱阻。

只需一個(gè)PIN二極管、一個(gè)RF扼流圈電感器和一對(duì)直流隔離電容，即可實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)單的PIN RPL電路。RF扼流圈電感器對(duì)RPL電路的性能至關(guān)重要，其主要功能是使PIN二極管的直流電流通路變得完整。當(dāng)大信號(hào)迫使電荷載流子進(jìn)入二極管的I層時(shí)，會(huì)在二極管中產(chǎn)生直流電流。如果沒(méi)有為直流電流提供完整路徑，則不能降低二極管的電阻，二極管也不會(huì)達(dá)到極限。直流電流將沿著整流電流的方向流動(dòng)，但這不是由整流產(chǎn)生的。

在RPL電路中安裝扼流圈電感是一件極具挑戰(zhàn)性的事，因?yàn)殡姼惺荝PL電路中最不理想的元件?；陔姼兄岛图纳@組間電容的原因，所有電感都具有串聯(lián)和并聯(lián)諧振。因此必須十分小心，確保在工作頻帶內(nèi)不發(fā)生串聯(lián)諧振。此外，必須盡量把扼流圈的直流電阻降到最低，以縮短RPL電路的恢復(fù)時(shí)間。

注：直流隔離電容是可選的。只有當(dāng)輸入或輸出傳輸線上出現(xiàn)可能使PIN二極管偏置的直流電壓或電流時(shí)，才需要使用直流隔離電容。

實(shí)例

假設(shè)低噪聲放大器 (LNA) 可以承受的最大輸入功率為15dBm，則要求RPL電路中PIN二極管的I層厚度約為2微米。設(shè)計(jì)人員可根據(jù)RF信號(hào)頻率和小信號(hào)插入損耗的可接受最大值來(lái)確定PIN二極管的可接受電容。如果設(shè)計(jì)師假設(shè)RPL電路在X波段工作，并且可接受的最大插入損耗為0.5dB，則可以計(jì)算出二極管的最大電容。

可根據(jù)以下公式得出并聯(lián)電容的插入損耗 (IL)(以分貝為單位)：

我們可根據(jù)公式求解C值：

當(dāng)f = 12GHz、IL = 0.5dB且Z0 = 50Ω時(shí)，C = 0.185pF。

得出的電容值與I層厚度共同決定了二極管結(jié)的面積。

如果I層較薄并且結(jié)面積較小，二極管就會(huì)具有相對(duì)較高的熱阻，這樣一來(lái)，只好迫使結(jié)溫超過(guò)其最大額定值175°C，才能耗散更多能量。通常來(lái)說(shuō)，電容為0.185pF的2微米二極管可以安全處理約為30-33dBm的大CW輸入信號(hào)。由于電流流經(jīng)二極管電阻時(shí)會(huì)產(chǎn)生焦耳熱，大信號(hào)可能會(huì)損壞或即時(shí)燒毀二極管。

PIN二極管RPL電路能夠?yàn)槔走_(dá)或無(wú)線電接收器中的LNA等敏感元件提供可靠的保護(hù)，保護(hù)其不受較大入射信號(hào)的影響。當(dāng)RPL應(yīng)用需要極低的穩(wěn)態(tài)泄漏輸出功率和較高的輸入功率處理能力時(shí)，可以在RPL電路的輸入側(cè)增加額外的二極管級(jí)和其他電路增強(qiáng)元件。

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