PIN二極管衰減器的結(jié)構(gòu)

1、針對有線電視和通訊應(yīng)用的PIN二極管衰減器的結(jié)構(gòu)可調(diào)衰減器在各種通訊應(yīng)用中是有用的器件，例如，衰減器可用來控制收發(fā)器的信號水平, 特別是在許多現(xiàn)代通訊系統(tǒng)中，高線性度是一個關(guān)鍵的要求，使用一只安華高科的低成本 SOT-25表面貼裝二極管四元組，就可以構(gòu)造一個簡單的電壓控制衰減器，這個簡單的衰減 器在0.33000MHz的寬頻段仍然具有出色的線性特性。這種衰減器不僅非常適合于有線電視(CATV)網(wǎng)絡(luò)和CATV機(jī)頂盒，在甚高頻無線及蜂窩通 訊設(shè)備及低頻微波通訊、特別在空間有限而不能使用分布式元件的應(yīng)用中也非常有用。安華高科的HSMP-3816二極管四元組采用5腳無引線SOT-25表面貼裝型封裝。n

2、結(jié)四元組P IN二極管由從同一晶片挑選的、電氣特性密切匹配的毗連元件組成。在封裝的四元組中， 腳1和腳3用于RF輸入/輸出，腳2用來為二極管提供偏壓，腳4、5用來提供分路偏壓。除了 尺寸方面的優(yōu)勢外，與四個分離元件組成的四元組相比，將四個性能完全匹配的PIN二極 管捆綁到SOT-25封裝中有助于保證衰減器的輸入輸出臂之間具有更好的對稱性。用兩個并聯(lián)電阻和一個串聯(lián)電阻就可以構(gòu)造一個基本的pi配置固定電壓衰減器，通過配置 即可以得到A=20log (K)的衰減，同時提供能夠匹配具體應(yīng)用電路特性阻抗的輸入/輸出阻 抗。在工作頻率高于衰減器截止頻率的情況下，一個PIN二極管可以做為電流控制可變電 阻使

3、用。不過，只有在工作頻率完全高于二極管的截止頻率fc=l/2nT的條件下這個電流控制 變阻模型才比較精確，這里t為器件中少數(shù)載流子的生命周期。在工作頻率10倍于fc時， 一個PIN二極管就可以精確地用一個具有恒定微值結(jié)電容的電流控制并聯(lián)電阻來模擬。工 作頻率低于0.1fc時，PIN二極管就表現(xiàn)為一個普通的PN結(jié)二極管。This PIN diode pi-attenuator schematic diagram is based on the use of the HSMP-3816 diode quad.工作頻率在O.lfc到10fc之間時，PIN二極管的特性就變得非常復(fù)雜，一般表現(xiàn)為一個與一

4、 個高頻電流電感或電容并聯(lián)的、隨頻率變化而變化的電阻。另外，工作在這個范圍內(nèi)時，信 號失真畸變也非常嚴(yán)重。對于HSMP-3810型二極管而言，Tal5O0ms其截止頻率為1,000kH z,因此在1000kHz以上二極管的電阻值與工作頻率無關(guān)，不過，由于已經(jīng)針對寬帶衰減器應(yīng)用對此二極管進(jìn)行了優(yōu)化，所以即使在fc以下此二極管也具有良好的特性。This is a copy erf the PCS layout for the PIN diode pi attenuator (left), ak)ng w時 ttie posttionihsofWt Hmpanern$ (right!,可以用三個二極

5、管來代替電路中的固定電阻，構(gòu)造一個可變衰減器，不過，這樣會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò) 中的不對稱，從而導(dǎo)致產(chǎn)生一個相當(dāng)復(fù)雜的偏壓網(wǎng)絡(luò)。用兩個PIN二極管來代替其中的串 聯(lián)電阻可以獲得幾個性能方面的好處。首先，由于串聯(lián)二極管具有容性電抗而使網(wǎng)絡(luò)與其它 部分相隔離，用兩個二極管代替一個電阻可以提咼最大衰減值或在一定衰減值的條件下使頻 率上限翻倍。其二，代替串聯(lián)電阻的兩個二極管是180度反接的，這樣就抑制了偶數(shù)次信號 畸變的產(chǎn)生。其三，由此而得到的衰減器網(wǎng)絡(luò)是對稱的，從而可以大大簡化偏壓網(wǎng)絡(luò)。電源 電壓V+是一固定電壓，Vc是控制網(wǎng)絡(luò)衰減的可變電壓，用兩個二極管代替電阻的唯一缺點 是可能會增加介入損耗。0.5 V 1

6、.0 V 1.5 V 2.0 V 3.0 V 5.0VThe 日 tten u 日 tiuri of the pi attenuator is shown as a function of frequency from 10 MHz to 3 GHz for different control voltages.四元二極管pi型衰減器需要一個恒定的電壓V+和一個可變的控制電壓Vc。對于1.25V的V +,可變控制電壓的范圍為0V到大約5V。電壓V+的值代表了回程損耗與控制電壓范圍之間 的一個折衷，更低的V+可以降低回程電壓，但同時也會使控制電壓的工作范圍縮小。本文中介紹的衰減器是在8mm厚的R

7、F4型印刷電路(PCB )上實現(xiàn)的。RF4具有良好的機(jī)械穩(wěn) 定性和耐久性，成本低，但其損耗大，難于控制，而且介質(zhì)系數(shù)與工作頻率密切相關(guān)。另- 方面，玻璃纖維增強(qiáng)型聚四氟乙烯(PTEE)PCB材料具有良好的高頻特性，但是相對昂貴一 些，機(jī)械穩(wěn)定性也比較差，不適合于某些表面貼裝工藝。選用針對高頻工作要求進(jìn)行了優(yōu)化 的PCB基底材料可以改善高頻性能，各種測量參數(shù)對頻率的依賴程度受到與HSMP-3816二 極管四元組、PCB、其它元件及連接器相關(guān)的寄生效應(yīng)的影響。These plot& show the control voltage versus attenuation at 1OT 900f an

8、d 2100 MHz.將PIN二極管用做衰減元件時，PIN二極管具有比等效的GaAs MESFETs更高的線性度， 通過使用具有厚I層及低介質(zhì)張弛頻率(fdr)的多個PIN二極管就可以將信號畸變減小到最低 程度。在Avago公司PIN二極管產(chǎn)品線中HSMP-381X系列產(chǎn)品的I層最厚。在低衰減狀態(tài)， 大部分RF能量僅僅是從輸入端傳輸?shù)捷敵龆硕选２贿^在高衰減狀態(tài)，更多的RF能量被 傾入衰減器，會使信號失真度上升。當(dāng)Vc接近0時，幾乎沒有電流流過兩個串聯(lián)的二極管， 它們接近于零偏壓狀態(tài)，其結(jié)電容將隨RF電壓同步變化，幸運的是，由于兩個二極管是反 向串聯(lián)的，所以可以抑制由受RF調(diào)制的電容所產(chǎn)生的某

9、些失真或畸變。由于封裝的兩個反 串二極管具有完全互相匹配的特性，因此可以得到最佳的失真抑制能力。Pi衰減器的相位偏移隨衰減值而變化。總的相位偏移接近90度，在三個相隔較遠(yuǎn)的工作頻 率點(100、900和1800 MHz)測試時此相位偏移表現(xiàn)相當(dāng)穩(wěn)定。900 21006055504540353025201510*、*Start: 5.00 dBAttciBStop; 30.00 dBThe attenuation was plotted versus input thirdrder intercept point at 900and2100 MHz.圖1所示為n衰減電路的示意電路圖。圖2的左邊為

10、n衰減器的PCB布局，右邊為元件布置。 表1中給出了所需要的元件（包括四元二極管）。圖3、4、5給出的成品n衰減器測試性能的樣 本。This schematic diagram shows a version of the pi attenuator with lower minimum attenuation.增加通過串聯(lián)二極管的電流可以降低衰減下限。將控制電壓保持在最大值5V,減小電阻R3 的阻值就可以增大偏移電壓，這可以通過給阻斷RF的電阻R3（表2）串聯(lián)一個表面貼裝鐵酸 鹽珠狀電感而實現(xiàn)。在整個頻率范圍內(nèi)，與傳統(tǒng)的瓷芯多層片狀電感相比，這種鐵酸鹽珠狀 電感具有更高的阻抗。圖6給出了低衰

11、減下限衰減電路的示意圖，圖7中給出了在Vc=5V的 條件下與標(biāo)準(zhǔn)衰減電路的比較結(jié)果。std.Low loss6.05.5X、/5.0J. C/4.03.53.02 5/? ft1 51Start：10.00 MHZStop： 3.00 GHZThe standard pi attenuator is compared here to the lower minimum attenuation version at V = 5 V.為了建立n衰減器的性能模型以便于進(jìn)一步分析，安捷倫?司的高級設(shè)計系統(tǒng)(ADS)計算機(jī) 輔助工程(CAE)軟件為工程師們提供了模擬四元二極管n衰減器性能的技術(shù)支持范例。

12、相應(yīng) 文件可以從 的 Agilent Eesof 知識中心的“Examples部 分下載。Rvar Rvar EdkHSMP Rmax. Ku12IS. A3.04E-09N2.064IT. ns1500g PFA0.0?(2K0.987Rmin.2.5L. hH2S Tlie APLAC soflware nrodei for the HSMP-381x PIN diode quad (ieh fs shown here now t&the SOT-25 eqiiiv白居皿 lumped circuit model (righty另外，包含在高頻建模工具APLAC CAE軟件包()中的PIN

13、二極管模型也可 以預(yù)測在給定正向偏移的條件下RF阻值。圖8的左邊給出了 HSMP-3816 PIN二極管的AP LAC模型，將APLAC模型與SOT-25等效電路模型(圖8右邊)結(jié)合在一起，就可以使設(shè)計人 員在模擬過程中研究分析封裝的寄生效應(yīng)。Table 1; Additional components needed for the voltage-variable attenuatorPOSITIONVALUESIZEMANUFACTUCLC247 nF0805JuratsC& C4. CS燈I1F0603f-urataD1HSMP-3316JI, J2Ecige-mount SMA connector0,8 mm盡J4Two-pin headerR1.R2330120603R333012060