PIN射频开关与PIN限幅器

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2、 48779份资料1 PPIN射射频开关关1.1工工作原理理PIN二二极管是是一个在在射频和和微波频频段受偏偏置电流流控制的的可变阻阻抗器它的结结构有三层层，在硅半导导体二极管的的P结和N结中间间夹着高高阻值的的本征I层。在在正向电电流偏置置下，空空穴和电电子被注注入到II层。这这些电荷荷不会立立刻相互互抵消而而消失。而是会会存在一一定的时时间这这个时间间定义为为载流子寿寿命，这这样，就就会产生生并存储一一定的电电荷量，这些电电荷使得得I层的有有阻抗降降低到RR。当PPIN管管处于零零偏或反反偏的时时候，在在I层不会会存储电电荷，这这样二极极管就表表现为一一个电容容CT并联一个电阻R也就是是利

3、用了了PINN二极管管在不同同偏置电电流下，存储在在I层的的电荷量量的不同同从而表表现出高高或低的的阻抗值值。PIN二二极管主主要参数数R正向偏偏置状态态下的串串联电阻阻C零或反反偏状态态下的电电容R零或反反偏状态态下的并并联电阻阻V最大允允许的反反偏直流流电压载流子寿寿命P最大平平均功耗耗1.2 PIIN二极极管的射射频等效效电路PIN等等效电路路在等效电电路中，L为寄寄生电感感，一般般小于11nH，在射频频（3000KHHz-330GHHz）情情况下其其阻抗很很小，可可忽略。正向偏偏置时，阻抗主主要由RR决定，但R亦亦很小，所以在在串联电电路中起起导通作作用，也也就是开开关的“开”。反向向

4、偏置时时，电阻阻R和偏偏置电流流成正比比，与频频率成反反比，其其阻值远远大于电电容C阻阻抗，因因此阻抗抗主要由由C决定定，而CC阻抗很很大，因因此在射射频电路路中起到到断开作作用，也也就是“关”。PIN开开关的主主要性能能指标带宽:不不仅开关关的最高高工作频频率会受受到限制制，最低工工作频率率也会受受到限制制，如PI N 管管就不能能控制直直流或低低频信号号的通断断。受管子子截止频频率的影影响,开开关还有有一个上上限工作作频率。要求开开关的频频带尽量量宽，因因为信号号源的频频带越来来越宽。插入损耗耗和隔离离度：插插入衰减减定义为为信号源源产生的的最大资资用功率率P与开关关导通时时负载获获得的实

5、实际功率率P之比，即P/P。若开开关在关关断时负负载上的的实际功功率为PP，则表示示隔离度度，写成成分贝的的形式。根据网网络散射射参量的的定义，有。理想开开关，在断开开时衰减减无限大大，导通时时衰减为为零，一般只只能要求求两者比比值尽量量大。由于PII N 管的阻阻抗不能能减小到到零，也不能能增大至至无限大大，所以实实际的开开关在断断开时衰衰减不是是无限大大，导通时时也不是是零，一般只只能要求求两者的的比值应应尽量大大，开关的的导通衰衰减称插插入损耗耗，断开时时的衰减减称为隔隔离度，插入损损耗和隔隔离度是是衡量开开关质量量优劣的的基本指指标。目标是是设计低低插入损损耗和高高隔离的的开关。功率容

6、量量：所谓谓开关的的功率容容量是指指它能承承受的最最大微波波功率。PINN二极管管的功率率容量主主要受到到以下两两方面的的限制，管子导导通时所所允许的的最大功功耗；管管子截止止时所能能承受的的最大反反向电压压，也就就是反向向击穿电电压。如如果开关关工作的的时候超超过了这这些限制制，前者者会导致致管内温温升过高高而烧毁毁；后者者会导致致I区雪崩崩击穿。它由开开关开、关状态态下允许许的微波波信号功功率的较较小者决决定。大大功率下下的非线线性效应应(IIPP3 )也是开开关的承承受功率率的一个个主要因因素，特别是是在移动动通信基基站中。驱动器的的要求：PI N 管管开关和和FETT 开关关的驱动动电

7、路是是不同的的，前者需需要提供供电流偏偏置，后者则则要求有有偏压，驱动器器好坏是是影响开开关速度度的主要要因素之之一。开关速度度：指开关关开通和和关断的的快慢，在快速速器件中中是一个个很重要要的指标标。可以列出出I区中的的电流方方程如下下：。开关关速度提提高到nns量级级，通常采采用I层很薄薄的PIIN管，因为薄薄I层中贮贮存的载载流子数数量很少少，开关时时间大大大缩短，这种情情况下开开关时间间基本取取决于载载流子渡渡越I层的时时间，而与载载流子寿寿命无关关。提高高开关速速度也可可选用载载流子寿寿命短的的管子，增大控控制电流流的脉冲冲幅度，但后者者受到PPIN管管最大功功率和反反向击穿穿电压的

8、的限制。电压驻波波比(VSWWR)：任何在在高频信信号通道道上的元元器件不不仅会产产生插入入损耗，也会导导致信号号传输线线上的驻驻波的增增加。驻波是是由传送送电磁波波与反射射波干涉涉而形成成的，这种干干涉经常常是系统统中不同同部分的的阻抗不不匹配或或者是系系统中连连接点的的阻抗不不匹配造造成的。开关比：一个PPIN管管，在不不考虑封封装寄生生参量时时，其正正向状态态可用正正向电阻阻R1表示，反向状状态可以以用反向向串联电电阻R2和I层容抗抗jXcc，串联联表示。由于R22，故故反向状状态可近近似以jjXc表表示，我我们称正正反两种种状态下下阻抗的的比值XXcR1为开关关比，用用以衡量量PINN

9、开关的的优劣。如要使使开关比比增大，则C和和R2必必须比较较小，可可以看出出，当频频率提高高时，开开关性能能降低。1.4 PPIN二二极管开开关电路路结构及及分析用串联或或者并联联的方式式，可以以简单的的分为单单刀单掷掷开关（SPSST）和和单刀双双掷开关关（SPPDT）。串联联方式主主要用于于宽频，较小插插入损耗耗的应用用中；并并联主要要用于宽宽频范围围较大隔隔离度的的应用中中。1.4.1单刀刀单掷开开关单刀单掷掷开关1.4.2 单刀双双掷开关关单刀双掷掷开关对并联型型SPDDT，如如果二极极管D11处于正正向状态态，二极极管D2处于反反向状态态，则通通道1被短路路，因而而无功率率通过，而通

10、道道2由于处处于开路路状态而而不影响响功率的的通过。由于DD1接在在离分支支点44处，在在D1短路路时，反反映到分分支点为为开路，因此不不影响功功率对通通道2的传输输。1.4.3 多管阵阵列开关关当频率升升高时，串联或或并联一一只PIIN管的的开关，其性能能指标将将恶化，因此，可采用用多个二二极管级级联，以以提高开开关性能能。多管管阵列型型开关是是在均匀匀传输线线上等间间隔的并并联(或串联联)若干个个PINN管而构构成，根根据微波波网络理理论可对对阵列型型开关进进行分析析。单管开开关级联联就可做做成阵列列式开关关，因此此阵列式式开关的的分析可可归结为为级联网网络分析析，可用用传递矩矩阵相乘乘的

11、方法法求出阵阵列开关关的衰减减特性。采用多管管串联的的电路形形式，可可加大该该通道开开关的功功率容量量：而采采用多管管并联的的形式，则可提提高该通通道开关关的隔离离度。对对于多管管开关，隔离度度高，频频带宽是是其优点点，缺点点是管子子数多，插损大大，调试试困难。1.4.4 S波段段梳状线线滤波器器型PIIN开关关梳状滤波波器的结结构示意意图这是由梳梳状滤波波器和PPIN管管结合而而形成的的SPSST开关关，由于于此种开开关中的的PINN管的结结电容被被纳入滤滤波器的的谐振元元中，PPIN管管的寄生生参数获获得了合合理的利利用，从从而大大大提高了了开关的的性能。因此它它具有较较宽的带带宽、损损耗

12、小、隔离度度高、结结构紧凑凑、体积积小、重重量轻的的特点。如果用PPIN管管的C代替图图l中的集集中电容容C5就可可能形成成微波PPIN开开关。当当PINN管施加加反向偏偏压时，PINN开关处处于通过过状态，这时输输入的微微波信号号以确定定的损耗耗通过PPIN开开关，此此时有：C+CC=C。其中CC为PINN管的结结电容，C为管管壳电容容。当PPIN管管施加正正向偏压压时，根根据其转转换特性性，这时时梳状滤滤波器的的各个谐谐振器完完全变成成一个个个失谐结结构。它它们对输输入的微微波信号号具有完完全截止止的特性性。1.5 管芯类类型参数数及掺杂杂1.5.1 MMA-CCOM公公司的产产品M/A-

13、COMM Teechnnoloogy Sollutiionss offferrs aa coomprreheensiivellinee off loow ccapaacittancce, plaanarr annd mmesaa, ssiliiconn PIINdiiodee chhipss whhichh usse cceraamicc gllasss annd ssiliiconn niitriideppasssivaatioon ttechhnollogyy. TThe Sillicoon PPIN Chiip sseriies ofddeviicess cooverr a brooad

14、 speectrrum of perrforrmanncerrequuireemennts forr coontrrol cirrcuiit aappllicaatioons. Thhey areeavaailaablee inn seeverral chooicees oof II-reegioon llenggthss annd hhaveebeeen ooptiimallly dessignned to minnimiize parrameetriic ttradde ooffsswheen cconssideerinng llow cappaciitannce, loow sserii

15、es ressisttancce,aand higgh bbreaakdoown volltagges. Thheirr smmalll siize andd loowpaarassitiics, maake theem aan iideaal cchoiice forr brroaddbannd, higghfrrequuenccy, miccro-strrip hybbridd asssemmbliies.Notees:1. NNomiinall caarriier liffe ttimee,TLL , speeciffiedd att IFF = + 110mAA , IREEV = -

16、 6mAA.2. NNomiinall reeverrse reccoveery timme sspeccifiied at IF = + 200mA , IIREVV = - 2200mmA.3. VVR ( Revversse VVolttagee ) is souurceed aand thee reesulltannt rreveersee leeakaage currrennt, Ir, iss meeasuuredd too bee 110AA.2 PPIN限限幅器2.1 工作作原理PIN二二极管偏偏置于00 V，当高功功率射频频信号通通过时，在piin二极极管中会会形成这这样一种

17、种现象：在射频频信号的的正半周周内，微微波大电电流使载载流子在在p-和n+的边边界注入入，但当当射频电电压反向向时，并并非所有有注入的的载流子子全部退退回，而而有一部部分进入入I区，经经过几个个周期后后，在II区形成成稳态分分布，从从而使II区由高高阻变为为低阻，射频信信号达到到较高衰衰减，只只允许一一小部分分称之为为“平顶泄泄露”的射频频功率通通过(即限幅幅)；而在在达到稳稳态之前前，piin管对对射频信信号的衰衰减很小小，这部部分称为为“尖峰泄泄漏”。pinn管的这这种射频频电导率率调制现现象可用用于微波波限幅器器的制作作，并有有利于制制作耐功功率较大大的微波波限幅器器。电路结构构为提高限

18、限幅器的的功率容容量，可可以通过过级联提提高，如如图2所示，通过限限幅器二二极管的的级联和和并联可可以极大大提高限限幅器的的功率容容量。图图2(aa)中的的，单级级电路图图可以通通过图22(b)的电路路形式提提高限幅幅器的功功率隔离离度，通通过图22(c)的形式式，提高高限幅器器的功率率容量。为了提提高限幅幅器的功功率容量量，可增增加级联联和并联联的限幅幅器二极极管数量量。通过过耦合输输入信号号进行检检波，检检波信号号对限幅幅二极管管施加正正电压，能有效效提高限限幅器的的功率容容量。图3所示示，电路路图是两两级限幅幅器，通通过级数数的增加加可以提提高限幅幅器的隔隔离度。第一级级限幅器器由耦合合

19、检波器器和限幅幅器共同同构成，当脉冲冲或连续续波信号号通过时时，耦合合检波器器产生一一个正的的检波电电压加到到第一级级限幅器器的限幅幅二极管管的正端端，降低低限幅二二极管RR，(二极管管正向电电阻)加大对高高功率微微波信号号的反射射，降低低施加到到限幅二二极管的的受功率率。 性能参参数为保护电电路不受受损伤且且保障系系统在低低功率电电平下对对信号影影响最小小，限幅幅器应当当具有以以下特性性：(1)当当信号电电平幅度度低于限限制门限限的信号号提供非非常低的的插入损损耗；(2)当当信号电电平幅度度超过限限制门限限的信号号提供非非常高的的损耗；(3)拥拥有非常常快的响响应时间间，在高高功率信信号到达

20、达后几纳纳秒内提提供保护护。2.4管管芯类型型及掺杂杂3 宏宏观电热热特性及及微观材材料特性性在各类微微波piin二极极管电路路应用中中，二极极管电阻阻的温度度特性强强烈地影影响着微微波电路路的温度度性能。pinn二极管管温度效效应的研研究包括括对迁移移率和载载流子寿寿命的温温度特性性的理论论分析和和实验研研究。进行调研研之后，发现已已有的研研究和文文献针对对几种不不同结构构和钝化化材料的的pinn二极管管，对其其温度性性能进行行了研究究，包括括I区域域载流子子寿命与与温度的的关系、迁移率率与温度度的关系系以及电电阻与温温度的关关系，研研究表明明：piin二极极管电阻阻的温度度性能主主要依赖赖

21、于二极极管结电电容的大大小。图1表明明，piin二极极管的电电阻可以以随载流流子寿命命的增加加而增加加，也可可以是减减少或保保持不变变，当mm=2时时，piin二极极管的电电阻不随随温度变变化。影影响载流流子寿命命因子mm值的因因素很多多，包括括：二极极管几何何结构(I区域域的宽度度、结直直径、结结形状等等)、表表面钝化化材料的的电学性性质，以以及本征征层的载载流子浓浓度等。这些因因素中，由于ppin二二极管的的工区域域的载流流子浓度度一般不不高于110cmm，当外外延材料料杂质浓浓度稳定定且缺陷陷很少时时，外延延材料参参数对载载流子寿寿命因子子的影响响可以忽忽略。需需要重点点研究的的是二极极

22、管几何何结构、表面钝钝化材料料对寿命命因子mm值的影影响。图2 归归一化电电阻与温温度关系系 图33 PPIN二二极管隔隔离度与与温度关关系曲线线 研究究结果表表明，微微波piin二极极管的电电阻的温温度性能能微观上上受载流流子寿命命、电子子迁移率率、表面面状态等等诸多因因素的影影响，其其综合结结果表现现为二极极管电容容值对二二极管的的电阻的的影响最最大，微微波piin二极极管的钝钝化方式式和几何何结构对对其电阻阻的温度度性能影影响不大大。结电电容为001100 pFF的微波波二极管管即使钝钝化方式式不同，其电阻阻都具有有正的温温度系数数，温度度的升高高导致二二极管电电阻的增增加，约约为线性性关系。结电容容越小，则m值值越接近近于2，电阻随随温度的的变化越越小；反反之，变变化越大大。 研研究结果果可以用用来预计计pinn二极管管开关的的隔离度度、衰减减器衰减减量的温温度性能能，通过过温度补补偿设计计，制作作出温度度性能优优良的ppin二二极管微微波电路路。4 HHPM效效应以pn 结是否否因温度度升高而而功能失失效, 将HPMM 效应应分成两两大类, 即非非失效效效应和失失效效应应。干扰扰、翻转转、扰乱乱没有造造成半导导体升温温或造成成的升温温对pnn 结的的性能影影响甚微微, 称为为非失效效效应降降级和损损坏导致致半导体体高温熔熔化,