Драйверы для управления pin-диодами

В статье рассмот­рены особенности построения драйверов для управления PIN- диодами.

Дж. Ардизони

PIN -диод — это разновидность диода, в ко­тором между N – и P-областью находится собст­венный нелигированный (intrinsic) полупро­водник или І-область. Широкая нелигирован- ная І-область делает PIN-диод плохим выпря­мителем, но, с другой стороны, это позволяет использовать его для работы в сантиметровом диапазоне волн в качестве радиочастотного пе­реключателя, СВЧ-аттенюатора, ограничите­ля, фотодетектора, там где требуется высокая степень изоляции и малый уровень потерь.

Для управления PIN-диодами используют­ся драйверы, которые могут быть выполнены на дискретных компонентах или специализи­рованных ИМС. К таким ИМС относятся опе­рационные и дифференциальные усилители. Операционные усилители имеют достаточно широкую полосу, малое время нарастания и большой выходной ток.

В статье рассмотрены драйверы PIN-дио­дов, выполненные на основе дискретных ком­понентов и ИМС AD8137. Драйверы позволяют на основе PIN -диодов реализовать однополюс­ные ключи на два направления (SPDT), а так­же ключевые элементы другой конфигурации.

Принцип работы PIN-диода. PIN -диод пред­ставляет собой управляемый током в области СВЧ-диапазона резистор, сопротивление кото­рого при прямом смещении составляет доли Ом, а при обратном смещении – более 10 кОм. В отличие от обычного диода с PN-переходом, PIN-диод, как было отмечено выше, имеет до­полнительный І-слой, выполненный из высо­коомного полупроводникового материала, рас­положенного между Р- и N-слоями, рис. 1. При прямом смещении дырки из Р-области

Рис. 1. Структура PIN-диода

и электроны из N-области инжектируются в І-область, сопротивление которой существен­но уменьшается до величины R_S, как показано на эквивалентной схеме PIN -диода, рис. 2, а. Если к PIN-диоду приложено обратное или ну­левое смещение, его сопротивление возрастает до величины R_p, причем этот резистор шунтиру­ется емкостью С_Т, рис. 2, б. Изменяя соответ­ствующим образом геометрию слоев PIN-дио­да, можно получить необходимые значения R_S, R_p и СТ в требуемой полосе частот. Для обес­печения требуемых параметров PIN-диода драйвер должен иметь заданные значения I_SS тока смещения и обратного напряжения. Гра­фики зависимости величин сопротивления R_S и емкости С_Т от прямого тока смещения и об­ратного напряжения для типовых PIN-диодов приведены соответственно на рис. 3 и 4.

Рис. 2. Эквивалентные схемы PIN-диода при прямом (а) и обратном (б) смещении

Рис. 3. Графики зависимости сопротивления RS кремниевого PIN-диода от величины прямого тока смещения

Рис. 4. Графики зависимости емкости СТ кремниевых PIN-диодов от величины обратного напряжения

Отметим, что эти графики получены для крем­ниевых PIN-диодов типа MADP 042XX8-13060 компании M/A-COM. Для арсенид-галлиевых PIN-диодов величина емкости СТ может быть в несколько раз уменьшена, рис. 5.

Величина накопленного заряда Q PIN-дио­да вычисляется по формуле

Q = τISS,

где τ — время жизни носителей в І-области, ISS – установившийся прямой ток. Для управления PIN-диодом драйвер инжектирует или отбира­ет заряд Q. Если время коммутации t должно быть меньше времени т, пиковое значение пря­мого тока I_P следует выбирать из выражения

IP = τ ISS / t.

Рис. 5. Графики зависимости величины емкости СТ арсенид-галлиевого PIN-диода от величины обратного напряжения

Пиковое значение формируемого драйве­ром тока инжекции определяется выражением

i = C dV/dt,

где С – выходная емкость драйвера, V – выход­ное напряжение драйвера, прилагаемое к этой емкости, dV/dt – скорость изменения напря­жения V на емкости С.

Цепи смещения PIN-диода. Подключение драйвера к PIN-диоду является непростой за­дачей. Цепи смещения должны содержать ФНЧ между входом PIN -диода и выходом драйвера. На рис. 6 приведена электрическая схема формирования токов смещения для управления ключевыми элементами на основе PIN-диодов. ФНЧ реализованы на элементах L1, C2 и L3, C4, диоды D1, D2 и D3, D4 яв­ляются эквивалентами PIN-диодов. Ко входам «Порт 1» и «Порт 2» подключаются управляю­щие коммутацией драйверы. Конденсаторы С1, С3 и С5 предохраняют ВЧ-цепи PIN-дио­дов от постоянного тока, индуктивность L2 предназначена для отведения низкочастотного обратного тока на землю.

Рис. 6. Электрическая схема ключевого элемента типа SPDT на основе PIN-диодов

Драйверы PIN-диодов. На рис. 7 приведена схема типового драйвера на дискретных ком­понентах для управления ключевым элемен­том на основе PIN-диода. Она может быть лег­ко реализована в виде ИМС. Кроме такого ре­шения в качестве драйвера PIN-диода может быть использован операционный или диффе­ренциальный усилитель, причем скорость на­растания быстродействующих усилителей до­стигает в настоящее время 1000 В/мкс и более. Схема драйвера на основе дифференциального усилителя AD8137 приведена на рис. 8. Драй­вер преобразует ТТЛ-сигнал (0…3.5 В) в двух­полярный с размахом ±3.5 В. Для смещения средней точки входного сигнала приблизи­тельно на 1.75 В используется цепь смещения (R2, R4) и опорный источник напряжением 1.75 В. Установившиеся значения токов сме­щения PIN-диода задаются резисторами R5, R6, величины пиковых токов формируются конденсаторами С5, С6.

Рис. 7. Схема драйвера PIN-диода, построенного на дискретных компонентах

Если в устройстве используется однополяр­ный источник питания, для получения двухполярного выходного управляющего сигнала следует применять генератор накачки.

Таким образом, усилители позволяют упро­стить управление СВЧ-ключами, выполнен­ными на основе PIN -диодов.

Рис. 8. Схема драйвера PIN-диода, выполненного на основе ИМС дифференциального усилителя AD8137

ВЫВОДЫ

1. В качестве СВЧ-ключей в последнее вре­мя применяются кремниевые и арсенид-гал- лиевые PIN -диоды.
2. Для управления PIN -диодами в режиме коммутации могут быть использованы драйве­ры, выполненные на основе дискретных ком­понентов, специализированных ИМС и микро­схем быстродействующих усилителей.
3. Применение ИМС современных усилите­лей упрощает проектирование драйверов PIN– диодов и обеспечивает быстродействие СВЧ- ключей на основе PIN -диодов.