Драйвери для управління pin-діодами

Особливості побудови драйверів для управління PIN-діодами

У статті розглянуті особливості побудови драйверів для управління PIN-діодами.

Дж. Ардізоні

Принцип роботи PIN-діода

PIN-діод — це різновид діода, у якому між N- і P-областю знаходиться власний нелегований (intrinsic) напівпровідник або І-область. Широка нелегована І-область робить PIN-діод поганим випрямлячем, але, з іншого боку, це дозволяє використовувати його для роботи в сантиметровому діапазоні хвиль як радіочастотний перемикач, НВЧ-атенюатор, обмежувач, фотодетектор, там де потрібна висока ступінь ізоляції і малий рівень втрат.

Для управління PIN-діодами використовуються драйвери, які можуть бути виконані на дискретних компонентах або спеціалізованих ІМС. До таких ІМС належать операційні та диференціальні підсилювачі. Операційні підсилювачі мають досить широку смугу, малий час наростання і великий вихідний струм.

У статті розглянуті драйвери PIN-діодів, виконані на основі дискретних компонентів і ІМС AD8137. Драйвери дозволяють на основі PIN-діодів реалізувати однополюсні ключі на два напрямки (SPDT), а також ключові елементи іншої конфігурації.

PIN-діод являє собою керований струмом в області НВЧ-діапазону резистор, опір якого при прямому зміщенні становить частки Ом, а при зворотному зміщенні — більше 10 кОм. На відміну від звичайного діода з PN-переходом, PIN-діод, як було зазначено вище, має додатковий І-шар, виконаний з високоомного напівпровідникового матеріалу, розташованого між Р- і N-шарами, рис. 1. При прямому зміщенні дірки з Р-області

і електрони з N-області інжектуються в І-область, опір якої суттєво зменшується до величини RS, як показано на еквівалентній схемі PIN-діода, рис. 2, а. Якщо до PIN-діода прикладене зворотне або нульове зміщення, його опір зростає до величини Rp, причому цей резистор шунтується ємністю СТ, рис. 2, б. Змінюючи відповідним чином геометрію шарів PIN-діода, можна отримати необхідні значення RS, Rp і СТ у потрібній смузі частот. Для забезпечення необхідних параметрів PIN-діода драйвер повинен мати задані значення ISS струму зміщення і зворотної напруги. Графіки залежності величин опору RS і ємності СТ від прямого струму зміщення і зворотної напруги для типових PIN-діодів наведені відповідно на рис. 3 і 4.

Зазначимо, що ці графіки отримані для кремнієвих PIN-діодів типу MADP 042XX8-13060 компанії M/A-COM. Для арсенід-галієвих PIN-діодів величина ємності СТ може бути в кілька разів зменшена, рис. 5.

Величина накопиченого заряду Q PIN-діода обчислюється за формулою

Q = τISS,

де τ — час життя носіїв в І-області, ISS — усталений прямий струм. Для управління PIN-діодом драйвер інжектує або відбирає заряд Q. Якщо час комутації t повинен бути меншим часу τ, пікове значення прямого струму IP слід вибирати з виразу

IP = τ ISS / t.

Пікове значення формованого драйвером струму інжекції визначається виразом

i = C dV/dt,

де С — вихідна ємність драйвера, V — вихідна напруга драйвера, що прикладається до цієї ємності, dV/dt — швидкість зміни напруги V на ємності С.

Кола зміщення PIN-діода

Підключення драйвера до PIN-діода є непростою задачею. Кола зміщення повинні містити ФНЧ між входом PIN-діода і виходом драйвера. На рис. 6 наведена електрична схема формування струмів зміщення для управління ключовими елементами на основі PIN-діодів. ФНЧ реалізовані на елементах L1, C2 і L3, C4, діоди D1, D2 і D3, D4 є еквівалентами PIN-діодів. До входів «Порт 1» і «Порт 2» підключаються керуючі комутацією драйвери. Конденсатори С1, С3 і С5 запобігають ВЧ-кола PIN-діодів від постійного струму, індуктивність L2 призначена для відведення низькочастотного зворотного струму на землю.

Драйвери PIN-діодів

На рис. 7 наведена схема типового драйвера на дискретних компонентах для управління ключовим елементом на основі PIN-діода. Вона може бути легко реалізована у вигляді ІМС. Крім такого рішення як драйвер PIN-діода може бути використаний операційний або диференціальний підсилювач, причому швидкість наростання швидкодіючих підсилювачів досягає в даний час 1000 В/мкс і більше. Схема драйвера на основі диференціального підсилювача AD8137 наведена на рис. 8. Драйвер перетворює ТТЛ-сигнал (0…3.5 В) у двополярний з розмахом ±3.5 В. Для зміщення середньої точки вхідного сигналу приблизно на 1.75 В використовується коло зміщення (R2, R4) і опорне джерело напругою 1.75 В. Усталені значення струмів зміщення PIN-діода задаються резисторами R5, R6, величини пікових струмів формуються конденсаторами С5, С6.

Якщо в пристрої використовується однополярне джерело живлення, для отримання двополярного вихідного керуючого сигналу слід застосовувати генератор накачування.

Таким чином, підсилювачі дозволяють спростити управління НВЧ-ключами, виконаними на основі PIN-діодів.

Висновки

1. Як НВЧ-ключі в останній час застосовуються кремнієві та арсенід-галієві PIN-діоди.
2. Для управління PIN-діодами в режимі комутації можуть бути використані драйвери, виконані на основі дискретних компонентів, спеціалізованих ІМС і мікросхем швидкодіючих підсилювачів.
3. Застосування ІМС сучасних підсилювачів спрощує проектування драйверів PIN-діодів і забезпечує швидкодію НВЧ-ключів на основі PIN-діодів.