微波控制電路課件

微波控制電路

微波控制電路1目錄PN結(jié)PIN二極管開關(guān)和衰減器移相器目錄PN結(jié)PIN二極管開關(guān)和衰減器移相器2PN結(jié)

概念PN結(jié)耗盡層

擴散電流和漂流電流正向偏置和反向偏置

耗盡層寬度調(diào)制反向擊穿PN結(jié)概念PN結(jié)耗盡層擴散電流和漂流電流正向偏置和反向偏3

采用不同的摻雜工藝，通過擴散作用，將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)體（通常是硅或鍺）基片上，在它們的交界面就形成空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)（英語：PNjunction）。P型半導(dǎo)體即空穴濃度遠大于自由電子濃度的雜質(zhì)半導(dǎo)體。

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PN結(jié)耗盡層——PN結(jié)的空間電荷區(qū)是一個完全不存在載流子的區(qū)域。電子和空穴都被耗盡PN結(jié)中多子從濃度大向濃度小的區(qū)域擴散產(chǎn)生擴散電流。

載流子在熱運動的同時，由于電場作用而產(chǎn)生的沿電場力方向的定向運動稱作漂移運動，所構(gòu)成的電流為漂移電流。零偏置下擴散電流等于漂移電流

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PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.外加正向電壓(正向偏置)P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場+

UR外電場外電場使多子向PN結(jié)移動,中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。IF擴散運動加強形成正向電流IF

。IF=I多子I少子

I多子2.外加反向電壓(反向偏置)P

區(qū)N

區(qū)

+UR內(nèi)電場外電場外電場使少子背離PN結(jié)移動，空間電荷區(qū)變寬。IR漂移運動加強形成反向電流IRIR=I少子

0變窄結(jié)論PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.外加正向電壓(正向偏置)P區(qū)6P區(qū)N區(qū)+

RIDP

區(qū)N

區(qū)

+RIRPN結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珪r導(dǎo)通，結(jié)電阻很小，電流較大;

反偏時截止，結(jié)電阻很大，電流近似為零。電流較大電流近似為零正向電壓反向電壓P區(qū)N區(qū)+RIDP區(qū)N區(qū)7材料開啟電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流硅Si0.5V0.5~0.8V1μA以下鍺Ge0.1V0.1~0.3V幾十μA擊穿電壓反向飽和電流開啟電壓伏安特性曲線材料開啟電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流硅Si0.5V0.5~0.88反向擊穿當(dāng)反向電壓超過UBR后稍有增加時，反向電流會急劇增大，這種現(xiàn)象稱為(PN結(jié))反向擊穿，并定義UBR為(PN結(jié))反向擊穿電壓。反向擊穿當(dāng)反向電壓超過UBR后稍有增加時，反向電流會急劇增大9PN結(jié)的電容效應(yīng)1)勢壘電容

PN結(jié)外加電壓變化時，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢壘電容Cb。2)擴散電容

PN結(jié)外加的正向電壓變化時，在擴散路程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過程，其等效電容稱為擴散電容Cd。結(jié)電容：

結(jié)電容不是常量！若PN結(jié)外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向?qū)щ娦?！PN結(jié)的電容效應(yīng)1)勢壘電容PN結(jié)外加電壓變化時，10PIN二極管

概念參數(shù)

等效電路偏置

影響性能的因素PIN二極管概念參數(shù)等效電路偏置影響性能的因素11在P和N半導(dǎo)體材料之間加入一薄層低摻雜的本征半導(dǎo)體層，組成的這種P-I-N結(jié)構(gòu)的二極管。

重摻雜p區(qū)和n區(qū)和電阻率極高的p或n。

概念在P和N半導(dǎo)體材料之間加入一薄層低摻雜的本征半導(dǎo)體層，組成的12一些要點使耗盡層達到N+區(qū)的電壓叫做穿通電壓。流過兩元件的電流相等時的頻率，叫做弛豫頻率fR。二極管I區(qū)電阻率不低于100歐厘米，對應(yīng)fR=1.53GHZ。I區(qū)電阻率可由I區(qū)寬度測出，I區(qū)寬度一般已知。一些要點使耗盡層達到N+區(qū)的電壓叫做穿通電壓。13渡越時間與載流子壽命概念：上游信號傳到下游的時間。300K室溫，渡越頻率f=1300/w2，w為I區(qū)寬度，單位微米。I區(qū)寬度一般是25到250微米。二極管載流子壽命典型值是0.1-10微秒。由載流子壽命，可證明I區(qū)總計累電荷是由偏置電流產(chǎn)生，不由瞬時值決定。渡越時間與載流子壽命概念：上游信號傳到下游的時間。14R和截止頻率正向偏置Ri=W2/(2μτI)反向偏置結(jié)點容電容越小，開路越好R越小，損耗越小，短路越明顯Fc=1/(2πCj√(RiRf))R和截止頻率正向偏置Ri=W2/(2μτI)15射頻功率極限正向偏置，二極管管芯電阻約為1歐姆。300到400攝氏度是二極管承受極限。在一定穩(wěn)定范圍，溫度越高，壽命越短。反向偏置下，V擊穿電壓一般額定電壓設(shè)定為擊穿電壓的二分之一。射頻功率極限正向偏置，二極管管芯電阻約為1歐姆。16開關(guān)、衰減器和移相器

概念分類

參數(shù)設(shè)計

同行產(chǎn)品開關(guān)、衰減器和移相器概念分類參數(shù)設(shè)計同行產(chǎn)品17微波開關(guān)通過控制實現(xiàn)開，關(guān)兩種狀態(tài)的組件。微波開關(guān)通過控制實現(xiàn)開，關(guān)兩種狀態(tài)的組件。18微波開關(guān)分類(一)反射和吸收反射式開關(guān)是通過PIN二極管導(dǎo)通時把輸入的微波信號反射回去而起到隔離作用的，因此在“開”狀態(tài)下的駐波較好，而在“關(guān)”狀態(tài)下的駐波很差；吸收式開關(guān)則采用了負載吸收PIN二極管導(dǎo)通時的反射信號，從而改善了端口駐波，因此其“開”與“斷”狀態(tài)下的駐波都比較好。通常，反射式開關(guān)的承受功率要比吸收式開關(guān)大些。從工程應(yīng)用的角度來講，雖然其價格稍高，但是我們建議選用吸收式開關(guān)，因為在關(guān)斷狀態(tài)它可以降低系統(tǒng)的級間牽引。微波開關(guān)分類(一)反射和吸收19微波開關(guān)分類（二）

微波開關(guān)分類（二）

20開關(guān)相關(guān)參數(shù)1頻率范圍：微波開關(guān)范圍一般從幾十兆到幾十吉赫茲2插入損耗：接入電路的損耗，一般損耗從0.5到3dB。3駐波比：波幅電壓和波谷電壓幅度之比。和匹配有關(guān)，1.3dB以上4隔離度：各端口直接的隔離。范圍40-80dB。5開關(guān)時間：改變開關(guān)狀態(tài)所需時間，50-1000ns。6功率：平均功率2W以上一般定義為大功率開關(guān)。開關(guān)相關(guān)參數(shù)1頻率范圍：微波開關(guān)范圍一般從幾十兆到幾十吉21衰減器衰減器是一種提供衰減的電子元器件。它的主要用途是：（1）調(diào)整電路中信號的大??；（2）在比較法測量電路中，可用來直讀被測網(wǎng)絡(luò)的衰減值；（3）改善阻抗匹配，若某些電路要求有一個比較穩(wěn)定的負載阻抗時，則可在此電路與實際負載阻抗之間插入一個衰減器，能夠緩沖阻抗的變化。衰減器衰減器是一種提供衰減的電子元器件。22衰減器相關(guān)參數(shù)1頻率范圍：微波開關(guān)范圍一般從幾十兆到幾十吉赫茲2插入損耗：接入電路的損耗，一般損耗從0.5到3dB。3駐波比：波幅電壓和波谷電壓幅度之比。和匹配有關(guān)，1.3dB以上4衰減值：范圍0到40dB左右。步進1dB上下。5衰減精度：決定衰減器性能指標(biāo)的6承受功率：設(shè)計必須考慮的指標(biāo)之一衰減器相關(guān)參數(shù)1頻率范圍：微波開關(guān)范圍一般從幾十兆到幾十23移相器對波相位進行調(diào)整的裝置。一般分為數(shù)字和模擬移相器數(shù)字移相器移相精度高，可調(diào)性高移相器對波相位進行調(diào)整的裝置。24移相器相關(guān)參數(shù)1頻率范圍：微波開關(guān)范圍一般從幾十兆到幾十吉赫茲2插入損耗：接入電路的損耗，一般損耗從0.5到3dB。3駐波比：波幅電壓和波谷電壓幅度之比。和匹配有關(guān)，1.3dB以上4帶寬：一般是等于0.1f0。5移相范圍：0到360度。6相移步進和精度：一般和位數(shù)有關(guān)。7波形失真度：失真度越小越好。移相器相關(guān)參數(shù)1頻率范圍：微波開關(guān)范圍一般從幾十兆到幾十25微波控制電路

微波控制電路26目錄PN結(jié)PIN二極管開關(guān)和衰減器移相器目錄PN結(jié)PIN二極管開關(guān)和衰減器移相器27PN結(jié)

概念PN結(jié)耗盡層

擴散電流和漂流電流正向偏置和反向偏置

耗盡層寬度調(diào)制反向擊穿PN結(jié)概念PN結(jié)耗盡層擴散電流和漂流電流正向偏置和反向偏28

采用不同的摻雜工藝，通過擴散作用，將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)體（通常是硅或鍺）基片上，在它們的交界面就形成空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)（英語：PNjunction）。P型半導(dǎo)體即空穴濃度遠大于自由電子濃度的雜質(zhì)半導(dǎo)體。

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PN結(jié)耗盡層——PN結(jié)的空間電荷區(qū)是一個完全不存在載流子的區(qū)域。電子和空穴都被耗盡PN結(jié)中多子從濃度大向濃度小的區(qū)域擴散產(chǎn)生擴散電流。

載流子在熱運動的同時，由于電場作用而產(chǎn)生的沿電場力方向的定向運動稱作漂移運動，所構(gòu)成的電流為漂移電流。零偏置下擴散電流等于漂移電流

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PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.外加正向電壓(正向偏置)P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場+

UR外電場外電場使多子向PN結(jié)移動,中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。IF擴散運動加強形成正向電流IF

。IF=I多子I少子

I多子2.外加反向電壓(反向偏置)P

區(qū)N

區(qū)

+UR內(nèi)電場外電場外電場使少子背離PN結(jié)移動，空間電荷區(qū)變寬。IR漂移運動加強形成反向電流IRIR=I少子

0變窄結(jié)論PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.外加正向電壓(正向偏置)P區(qū)31P區(qū)N區(qū)+

RIDP

區(qū)N

區(qū)

+RIRPN結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珪r導(dǎo)通，結(jié)電阻很小，電流較大;

反偏時截止，結(jié)電阻很大，電流近似為零。電流較大電流近似為零正向電壓反向電壓P區(qū)N區(qū)+RIDP區(qū)N區(qū)32材料開啟電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流硅Si0.5V0.5~0.8V1μA以下鍺Ge0.1V0.1~0.3V幾十μA擊穿電壓反向飽和電流開啟電壓伏安特性曲線材料開啟電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流硅Si0.5V0.5~0.833反向擊穿當(dāng)反向電壓超過UBR后稍有增加時，反向電流會急劇增大，這種現(xiàn)象稱為(PN結(jié))反向擊穿，并定義UBR為(PN結(jié))反向擊穿電壓。反向擊穿當(dāng)反向電壓超過UBR后稍有增加時，反向電流會急劇增大34PN結(jié)的電容效應(yīng)1)勢壘電容

PN結(jié)外加電壓變化時，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢壘電容Cb。2)擴散電容

PN結(jié)外加的正向電壓變化時，在擴散路程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過程，其等效電容稱為擴散電容Cd。結(jié)電容：

結(jié)電容不是常量！若PN結(jié)外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向?qū)щ娦?！PN結(jié)的電容效應(yīng)1)勢壘電容PN結(jié)外加電壓變化時，35PIN二極管

概念參數(shù)

等效電路偏置

影響性能的因素PIN二極管概念參數(shù)等效電路偏置影響性能的因素36在P和N半導(dǎo)體材料之間加入一薄層低摻雜的本征半導(dǎo)體層，組成的這種P-I-N結(jié)構(gòu)的二極管。

重摻雜p區(qū)和n區(qū)和電阻率極高的p或n。

概念在P和N半導(dǎo)體材料之間加入一薄層低摻雜的本征半導(dǎo)體層，組成的37一些要點使耗盡層達到N+區(qū)的電壓叫做穿通電壓。流過兩元件的電流相等時的頻率，叫做弛豫頻率fR。二極管I區(qū)電阻率不低于100歐厘米，對應(yīng)fR=1.53GHZ。I區(qū)電阻率可由I區(qū)寬度測出，I區(qū)寬度一般已知。一些要點使耗盡層達到N+區(qū)的電壓叫做穿通電壓。38渡越時間與載流子壽命概念：上游信號傳到下游的時間。300K室溫，渡越頻率f=1300/w2，w為I區(qū)寬度，單位微米。I區(qū)寬度一般是25到250微米。二極管載流子壽命典型值是0.1-10微秒。由載流子壽命，可證明I區(qū)總計累電荷是由偏置電流產(chǎn)生，不由瞬時值決定。渡越時間與載流子壽命概念：上游信號傳到下游的時間。39R和截止頻率正向偏置Ri=W2/(2μτI)反向偏置結(jié)點容電容越小，開路越好R越小，損耗越小，短路越明顯Fc=1/(2πCj√(RiRf))R和截止頻率正向偏置Ri=W2/(2μτI)40射頻功率極限正向偏置，二極管管芯電阻約為1歐姆。300到400攝氏度是二極管承受極限。在一定穩(wěn)定范圍，溫度越高，壽命越短。反向偏置下，V擊穿電壓一般額定電壓設(shè)定為擊穿電壓的二分之一。射頻功率極限正向偏置，二極管管芯電阻約為1歐姆。41開關(guān)、衰減器和移相器

概念分類

參數(shù)設(shè)計

同行產(chǎn)品開關(guān)、衰減器和移相器概念分類參數(shù)設(shè)計同行產(chǎn)品42微波開關(guān)通過控制實現(xiàn)開，關(guān)兩種狀態(tài)的組件。微波開關(guān)通過控制實現(xiàn)開，關(guān)兩種狀態(tài)的組件。43微波開關(guān)分類(一)反射和吸收反射式開關(guān)是通過PIN二極管導(dǎo)通時把輸入的微波信號反射回去而起到隔離作用的，因此在“開”狀態(tài)下的駐波較好，而在“關(guān)”狀態(tài)下的駐波很差；吸收式開關(guān)則采用了負載吸收PIN二極管導(dǎo)通時的反射信號，從而改善了端口駐波，因此其“開”與“斷”狀態(tài)下的駐波都比較好。通常，反射式開關(guān)的承受功率要比吸收式開關(guān)大些。從工程應(yīng)用的角度來講，雖然其價格稍高，但是我們建議選用吸收式開關(guān)，因為在關(guān)斷狀態(tài)它可以降低系統(tǒng)的級間牽引。微波開關(guān)分類(一)反射和吸收44微波開關(guān)分類（二）

微波開關(guān)分類（二）

45開關(guān)相關(guān)參數(shù)1頻率范圍：微波開關(guān)范圍一般從幾十兆到幾十吉赫茲2插入損耗：接入電路的損耗，一般損耗從0.5到3dB。3駐波比：波幅電壓和波谷電壓幅度之比。和匹配有關(guān)，1.3dB以上4隔離度：各端口直接的隔離。范圍40-80dB。5開關(guān)時間：改變開關(guān)狀態(tài)所需時間，50-1000ns。6功率：平均功率2W以上一般定義為