PIN-диод представляет собой полупроводниковую структуру, состоящую из сильно легированного p-диода.
+ и н + области и разделяющий их слаболегированный слой — слой собственной проводимости (собственный).
Благодаря наличию этого слоя возникает т.н.
«базовый», штыревой диод является плохим выпрямителем и применяется в СВЧ-технике.
В данной статье рассмотрены аспекты использования pin-диодов в схемах СВЧ для практического применения, то есть только данные, необходимые разработчику для максимально точного выполнения проектирования.
Статья не претендует на какой-либо научный труд, а скорее представляет собой справочник и сборник разрозненной информации о pin-диодах.
Особое внимание уделено особенностям использования pin-диодов на высоких уровнях мощности СВЧ, таким как проблемы пробоя, влияние высокочастотных полей на режим работы диодов и проблемы отвода тепла, которые являются ключевыми для разработчиков мощных СВЧ-диодов.
устройства.
Первую часть, посвященную общим сведениям о pin-диодах, можно читай здесь .
Вторая часть посвящена способам включения pin-диода в цепь СВЧ и влиянию микроволн на диод.
Переключатель SPnT (один вход и n выходов)
Самый простой способ создать ключ SPnT — использовать n одинаковых ключей SPST. Более того, все данные в части 2 выражения остаются действительными, за исключением развязки — она увеличивается на 6 дБ вне зависимости от количества выходов.Это связано с тем, что все напряжение генератора появляется на одном закрытом ключе, а при наличии нескольких выходов половина напряжения генератора падает на согласованной нагрузке открытого канала, а вторая половина приходится на частный ключ.
ключи всех остальных каналов параллельно подключены к генератору.
Уменьшению напряжения соответствует уменьшение мощности в 4 раза или 6 дБ.
Следует отметить, что параллельные схемы переключателей должны быть подключены на расстоянии, равном четверти длины волны от точки разветвления каналов, поэтому такие переключатели имеют больший размер и более узкую полосу пропускания, хотя и обеспечивают лучшую изоляцию по сравнению с последовательными схемами.
Кроме того, в многоканальном выключателе все каналы, кроме одного, закрыты, но при параллельном включении в линию штыревые диоды в них открыты, т. е.
потребляют ток.
При последовательном соединении открыт только один диод. Для создания широкополосных ключей или ключей с высоким значением изоляции применяют комбинации последовательных и параллельных схем ключей, а также многокаскадные ключи.
Следует отметить, что переключатели с несколькими выводами требуют создания согласующих цепей, поскольку диод в закрытом состоянии не является идеальным разрывом, а представляет собой емкость.
Кроме того, необходимо компенсировать паразитные параметры корпуса диода.
Ниже приведен пример топологии параллельного ключа с совпадающими элементами.
Вторым примером решения этой проблемы является более удобная схема с параллельными ключами, не требующая согласования, но также являющаяся узкополосной.
Четвертьволновой разомкнутый контур создает короткое замыкание в точке подключения диода к линии, при условии, что диод открыт. Когда диод закрыт, он представляет собой емкость, параллельную линии, а короткозамкнутый контур, также подключенный к точке подключения диода к линии, представляет собой распределенную индуктивность, образующую параллельный резонансный контур с емкостью диода.
на рабочей частоте, то есть в этом состоянии волна проходит без помех.
Аналогом такой схемы последовательного соединения pin-диода является схема, приведенная выше.
Здесь параллельно диодам подключены катушки индуктивности, которые также обеспечивают резонанс с емкостью закрытого диода.
Включение конденсатора большой емкости необходимо для того, чтобы анод и катод диода не имели одинаковый потенциал.
Такая схема обеспечивает хорошую изоляцию, но требует координации.
Общие рекомендации
Чтобы подать смещение на диоды, необходимо создать схемы, которые пропускали бы постоянный ток, но были бы изолированы микроволнами.Обычно для этих целей используются печатные четвертьволновые линии с чередующимися высокими и низкими волновыми сопротивлениями.
Это проще с точки зрения изготовления, но не очень компактно.
Для подачи смещения можно использовать подвесные индукторы с сосредоточенными параметрами и высоким импедансом на высоких частотах.
Кроме того, такие элементы имеют свои кадровые резонансы, обусловленные наличием паразитной емкости каркаса.
Если подобрать элемент по его s-параметрам с паразитным резонансом на центральной рабочей частоте, то можно добиться большой изоляции при очень компактных размерах самого компонента.
Необходимо только учитывать, что дроссели имеют ограничение по току, поэтому ток, открывающий диод, не должен превышать максимально допустимый ток для конкретного компонента.
Второй момент, на который стоит обратить внимание, это потери, вызванные сопротивлением диода в открытом состоянии.
Как видно из формул, приведенных в части 2 , эти потери не зависят от частоты, а определяются самим значением сопротивления и сопротивлением линии питания.
Поэтому целесообразно использовать линию с высоким характеристическим сопротивлением, так как это уменьшит потери и, соответственно, тепловыделение на диоде.
К недостаткам такого подхода можно отнести необходимость введения в схему трансформаторов для доведения сопротивления линии до 50 Ом, а также повышенное напряжение на диоде.
Еще одним полезным фактом является то, что из-за различий в вольт-амперных характеристиках арсенид-галлиевый pin-диод, в отличие от кремниевого, может управляться стандартными ТТЛ-напряжениями.
+5 В логической единицы откроет оба диода, но +0,2 В логического нуля частично откроет кремниевый диод, но еще не откроет арсенид-галлиевый диод. Соответственно, при малых уровнях мощности СВЧ удобно управлять арсенид-галлиевыми диодами без дополнительных источников питания.
Качество переключения pin-диода
Для количественного описания качества устройства управления используется характеристика, называемая коэффициентом качества переключения К.Это универсальная характеристика устройства управления любой природы (феррита, сегнетоэлектрика, полупроводника).
В данном случае оно определяется исходя из того, что диод имеет высокое и низкое сопротивление СВЧ-полю в закрытом и открытом состояниях соответственно.
В этом случае можно считать, что в открытом состоянии диод представляет собой резистор r, а в закрытом состоянии - емкость С и резистор R, соединенные последовательно, причем r@R. - Тогда можно считать, что изменяется только мнимая часть сопротивления диода, и в этом случае 
Для любого коммутируемого элемента, пригодного для практического применения, К > 1000. Эта формула справедлива для голого диода, но К не изменится при наличии корпуса, если в нем нет существенных потерь.
Рекомендации
- Компания Микросеми.
Справочник проектировщика схем PIN-диодов.
- Skyworks Solutions Inc. Дизайн с PIN-диодами.
- О.
Г.
Вендик, доктор медицинских наук Парнес.
Антенны с электрическим сканированием (Введение в теорию).
- Хижа Г.
С.
, И.
Б.
Вендик, Е.
А.
Серебрякова.
СВЧ фазовращатели и переключатели.
- Г.
Ватсон.
Полупроводниковые приборы СВЧ и их применение.
- А.
В.
Вайсблат. СВЧ коммутационные устройства на основе полупроводниковых приборов.
- СВЧ-приборы на основе полупроводниковых диодов.
Проектирование и расчет. Под редакцией И.
В.
Мальский и Б.
В.
Сестрорецкий.
- Р.
Каверли и Г.
Хиллер.
Установление минимального обратного смещения для p-i-n диода в мощном ключе.
- Н.
Т.
Бова, Ю.
Г.
Ефремов, В.
В.
Конин.
Микроэлектронные устройства СВЧ.
- МА-КОМ тех.
Сравнение арсенид-галлиевых и кремниевых PIN-диодов для высокоскоростных микроволновых переключателей.
-
Интеллектуальная Обработка Текста
19 Oct, 24 -
Отчет О 3-Й Киевской Хабрамитинге
19 Oct, 24 -
Неожиданный Трюк От Cisco Asa
19 Oct, 24 -
На Основе Guirunner
19 Oct, 24
