PIN-диод представляет собой полупроводниковую структуру, состоящую из сильнолегированных p+ и n+ областей и разделяющего их слаболегированного слоя – слоя собственной проводимости (intrinsic). Благодаря наличию этого слоя, т.н. «базы», pin-диод является плохим выпрямителем и находит применение в СВЧ-технике. В данной статье рассмотрены аспекты использования pin-диодов в СВЧ-схемах для практических применений, то есть только необходимые разработчику данные, чтобы максимально точно выполнить проектирование. Статья не претендует на сколько-либо научный труд, а является скорее справочником и сборником разрозненной информации о pin-диодах. Особое внимание уделено особенностям использования pin-диодов на высоком уровне СВЧ-мощности, таких как вопросы пробоя, влияния высокочастотного поля на режим работы диода и проблемы тепловыделения, которые являются ключевыми для разработчика мощных приборов.
Первую часть, посвященную общей информации о pin-диодах, можно прочитать тут.
Вторая часть посвящена способам включения pin-диода в СВЧ схему и влиянию СВЧ на диод.
SPnT переключатель (один вход и n выходов)
Простейшим способом создать SPnT ключ является использование n идентичных SPST ключей. При этом все приведенные в части 2 выражения остаются актуальными, кроме развязки – она увеличивается на 6 дБ независимо от количества выходов. Это связано с тем, что на одиночном закрытом ключе оказывается все напряжение генератора, а при наличии нескольких выходов половина напряжения генератора падает на согласованной нагрузке открытого канала, а на закрытых ключах всех остальных каналов, параллельно подключенных к генератору – вторая половина. Уменьшение напряжения соответствует уменьшению мощности в 4 раза или на 6дБ. Надо отметить, что параллельные схемы ключей необходимо подключать на расстоянии, равном четверти длины волны от места разветвления каналов, поэтому такие ключи являются более габаритными и узкополосными, хотя и обеспечивают лучшую развязку по сравнению с последовательными схемами. Кроме того, в многоканальном переключателе все каналы, кроме одного, закрыты, но, при параллельном включении в линию pin-диоды в них открыты, то есть потребляют ток. При последовательном же включении открыт только один диод.
Для создания широкополосных ключей или ключей с высоким значением развязки используются комбинации последовательных и параллельных схем ключей, а также многокаскадные ключи.
Надо отметить, что ключи с несколькими выходами требуют создания цепей согласования, так как диод в закрытом состоянии является не идеальным разрывом, а представляет собой емкость. Кроме того, необходимо компенсировать паразитные параметры корпуса диода. Ниже приведен пример топологии параллельного ключа с согласующими элементами.
Вторым примером решения этой проблемы является более удобная схема параллельного ключа, не требующая согласования, однако также являющаяся узкополосной. Четвертьволновый разомкнутый шлейф создает КЗ в точке включения диода в линию, при условии, что диод открыт. Когда же диод закрыт, он представляет собой параллельную линии емкость, а короткозамкнутый шлейф, также подключенный к точке включения диода в линию, представляет собой распределенную индуктивность, образующую с емкостью диода параллельный резонансный контур на рабочей частоте, то есть в этом состоянии волна проходит без помех.
Аналогом такой схемы для последовательного включения pin-диода является схема, приведенная выше. Здесь параллельно диодам включены индуктивности, которые также обеспечивают резонанс с емкостью закрытого диода. Включения конденсатора с большой емкостью необходимо для того, чтобы анод и катод диода не были под одним потенциалом. Такая схема обеспечивает хорошую развязку, однако требует согласования.
Общие рекомендации
Для подачи смещения на диоды необходимо создать такие цепи, которые пропускали бы постоянный ток, но были бы изолированы по СВЧ. Обычно для этих целей используются печатные четвертьволновые линии с чередующимися высоким и низким волновыми сопротивлениями. Это проще с точки зрения изготовления, однако не очень компактно. Возможно использовать для подачи смещения сосредоточенные навесные индуктивности с высоким импедансом на высоких частотах. Кроме того, такие элементы имеют собственные корпусные резонансы, обусловленные наличием паразитной емкости корпуса. Если подобрать элемент по его s-параметрам с паразитным резонансом на центральной рабочей частоте, то можно добиться большой развязки при очень компактных размерах самого компонента. Необходимо только учесть, что индуктивности обладают ограничением по пропускаемому току, поэтому ток, открывающий диод, не должен превышать максимальный ток, разрешенный для конкретного компонента.
Вторым моментом, на который стоит обратить внимание, являются потери, обусловленные сопротивлением диода в открытом состоянии. Как видно из формул, приведенных в части 2, эти потери не зависят от частоты, а определяются самим значением сопротивления и импедансом подводящей линии. Поэтому целесообразно использовать линию с высоким волновым сопротивлением, так как это уменьшит потери, а соответственно и тепловыделение на диоде. Из минусов такого подхода можно отметить необходимость введения в схему трансформаторов для приведения импеданса линии к 50 Ом, а также повышенное напряжение на диоде.
Еще одним полезным фактом является то, что, благодаря различиям в вольт-амперных характеристиках, арсенид-галлиевый pin-диод, в отличие от кремниевого, может управляться стандартными TTL-напряжениями. +5 вольт логической единицы откроют оба диода, однако +0.2 вольта логического нуля частично откроют кремниевый диод, но еще не откроют диод из арсенида галлия. Соответственно при низких уровнях СВЧ-мощности удобно управлять арсенид-галлиевыми диодами без дополнительных источников питания.
Коммутационное качество pin-диода
Для количественного описания качества управляющего устройства применяют характеристику, называемую фактором коммутационного качества K. Она является универсальной характеристикой управляющего устройства любой природы (феррит, сегнетоэлектрик, полупроводник). В данном случае определяется оно исходя из того, что диод обладает большим и малым сопротивлением СВЧ-полю в закрытом и открытом состояниях соответственно. При этом можно считать, что в открытом состоянии диод представляет собой резистор r, а в закрытом – последовательно соединенные емкость C и резистор R, при этом r @ R- Тогда можно считать, что у диода меняется только мнимая часть импеданса, и в таком случае
Для любого переключаемого элемента, пригодного для практических применений K > 1000. Данная формула действительна для бескорпусного диода, однако K не изменится и в присутствии корпуса, если в нем нет существенных потерь.
Использованная литература
Microsemi corp. The PIN diode circuit designers’ handbook.
Skyworks solution inc. Design with PIN diodes.
О.Г.Вендик, М.Д.Парнес. Антенны с электрическим сканированием (Введение в теорию).
Г.С.Хижа, И.Б.Вендик, Е.А.Серебрякова. СВЧ фазовращатели и переключатели.
Г.Уотсон. СВЧ-полупроводниковые приборы и их применение.
А.В.Вайсблат. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых приборах.
СВЧ устройства на полупроводниковых диодах. Проектирование и расчет. Под редакцией И.В.Мальского и Б.В.Сестрорецкого.
R.Caverly and G.Hiller. Establishing the minimum reverse bias for a p-i-n diode in a high-power switch.
Н.Т.Бова, Ю.Г.Ефремов, В.В.Конин. Микроэлектронные устройства СВЧ.
MA-COM tech. Comparison of Gallium Arsenide and Silicon PIN diodes for High Speed Microwave Switches.
