Драйвери для управління pin-діодами

У статті розглянуто особливості побудови драйверів для керування PIN-діодами.

Дж. Ардизони

PIN-діод — це різновидність діода, в якому між N- і P-областю знаходиться власний нелеґований (intrinsic) напівпровідник або І-область. Широка нелеґована І-область робить PIN-діод поганим випрямлячем, але, з іншого боку, це дозволяє використовувати його для роботи в сантиметровому діапазоні хвиль в якості радіочастотного перемикача, НВЧ-аттенюатора, обмежувача, фотодетектора, там де потрібна висока ступінь ізоляції і малий рівень втрат. Для керування PIN-діодами використовуються драйвери, які можуть бути виконані на дискретних компонентах або спеціалізованих ІМС. До таких ІМС відносяться операційні і диференціальні підсилювачі. Операційні підсилювачі мають достатньо широку смугу, мале час наростання і великий вихідний струм. В статті розглянуто 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. Принцип роботи PIN-діода. PIN-діод є керованим струмом в області НВЧ-діапазону резистором, 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 відзначено 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 прикладено 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 в 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 наведено відповідно на рис. 3 і 4.

Ланцюги зміщення PIN-діода

Відзначимо, що ці графіки отримані для кремнієвих PIN-діодів типу MADP 042XX8-13060 компанії M/A-COM. Для арсенід-ґалієвих 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 керування PIN-діодом драйвер інжектує або відбирає заряд Q. Якщо час комутації t повинен бути меншим за час τ, пікове значення прямого струму IP слід вибирати з виразу IP = τ ISS / t.

Пікове значення струму інжекції, що формується драйвером, визначається виразом i = C dV/dt, де С – вихідна ємність драйвера, V – вихідна напруга драйвера, прикладена до цієї ємності, dV/dt – швидкість зміни напруги V на ємності С. Ланцюги зміщення PIN-діода. Підключення драйвера до PIN-діода є непростим завданням. Ланцюги зміщення повинні містити ФНЧ між входом PIN-діода і виходом драйвера. На рис. 6 наведено електричну схему формування струмів зміщення для керування 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 захищають ВЧ-ланцюги PIN-діодів від постійного струму, індуктивність L2 призначена для відведення низькочастотного зворотного струму на землю.

Драйвери PIN-діодів.

На рис. 7 наведено схему типового драйвера на дискретних компонентах для керування ключовим елементом на основі PIN-діода. Вона може бути легко реалізована у вигляді ІМС. Крім такого рішення в якості драйвера PIN-діода може бути використаний операційний або диференціальний підсилювач, причому швидкість наростання швидкодіючих підсилювачів досягає нині 1000 В/мкс і більше. Схема драйвера на основі диференціального підсилювача AD8137 наведена на рис. 8. Драйвер перетворює ТТЛ-сигнал (0…3.5 В) в двополярний з розмахом ±3.5 В. Для зміщення середньої точки вхідного сигналу приблизно на 1.75 В використовується ланцюг зміщення (R2, R4) і опорне джерело напругою 1.75 В. Встановлені 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 накачки. Таким чином, підсилювачі дозволяють спростити керування НВЧ-ключами, виконаними на основі PIN-діодів.

ВИСНОВКИ

1. В якості НВЧ-ключів в останній час застосовуються кремнієві і арсенід-ґалієві PIN-діоди.
2. Для керування 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 проєктування драйверів PIN-діодів і забезпечує швидкодію НВЧ-ключів на основі PIN-діодів.