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用二极管设计:掩护敏感元件

宣布时间:2019年03月19日 22:03    宣布者:eechina
要害词: 敏感元件 , 低噪声镌汰年夜器 , LNA
MACOM供稿

在雷达或无线电吸收器中,敏感型低噪声镌汰年夜器 (LNA) 在遭受较年夜的输入旌旗暗记时一定会发生破损。那么,有甚么处置赏罚赏罚妄图?

我们可以应用吸收器掩护装配限幅器 (RPL) 电路来掩护敏感元件。RPL电路的“心脏”通常由PIN二极管组成,能够掩护元件免受年夜输入旌旗暗记的影响,同时不会对小旌旗暗记操作组成倒霉影响。

RPL电路的运转无需外部控制旌旗暗记。此类电路网罗至少一个与旌旗暗记蹊径并联的PIN二极管,和一个或多个无源元件,例如RF扼流圈电感和直流隔离电容。以下是一个质朴的(但能够是完全的)RPL电路。

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当没有RF输入旌旗暗记或仅存在有RF小旌旗暗记时,限幅器PIN二极管的阻抗特点会到达最年夜值,通常为几百欧姆或以上。是以,二极管发生异常小的阻抗掉落配,照顾地,可带来低拔出消耗。

当泛起年夜输入旌旗暗记时,RF电压迫使电荷载流子(P层的空穴和N层的电子)进入PIN二极管的I层。进入I层后,自在电荷载流子会降低其RF电阻,从RPL电路的RF端吵嘴度来看,这发生了阻抗掉落配。

这类掉落配会招致来自输入旌旗暗记的能量被反射至对应的旌旗暗记源。反射旌旗暗记与入射旌旗暗记合营,在PIN二极管发生一个电压最小的驻波,由于反射旌旗暗记在传输线上暂时泛起最低阻抗。传输线上的每个最小电压都有一个对应的最年夜电流。最年夜电流流经PIN二极管,招致二极管I层中的自在电荷载流子量增添,从而发生更低勾通电阻、更年夜阻抗掉落配和“更小”的最小电压。最后,二极管的电阻将到达最小值——该值取决于PIN二极管的设计和RF旌旗暗记的幅值。RF旌旗暗记幅值增年夜时,迫使二极管到达充实导通状态,从而进一步降低二极管的电阻,直到二极管饱和并发生尽能够的最小电阻。由此取得输入功率与输入功率的较量曲线,以下所示。

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当RF年夜旌旗暗记不再泛起,假定I层中的自在电荷载流子量较年夜,二极管的电阻则会保持在较低水平(此时拔出消耗依然较年夜)。在RF年夜旌旗暗记中止后,可以经由历程两种机制来增添自在电荷载流子量: (1) 在I层外阻拦电荷传导 (2) 在I层内阻拦电荷重组。

电荷传导的幅值主要由二极管外部电流通路中的直流电阻决议。

电荷重组的速率则由多个因素决议,网罗I层中自在电荷载流子的密度、I层中搀杂原子的浓度和其他电荷俘获点,等等。推敲到二极管的须要参数,PIN二极管可安然处置赏罚赏罚的RF旌旗暗记越年夜,其恢复到低拔出消耗所需的时间就越长。

是以,PIN二极管I层的特点决议了RPL电路的性能。I层的厚度(有时称为宽度)则决议了二极管到达极限时的输入功率:I层越厚,输入参照1dB延伸级别(也称为阈值级别)就越高。I层的厚度、二极管结的面积和二极管的制造质料决议了二极管的电阻、电容和热阻。

只需一个PIN二极管、一个RF扼流圈电感器和一对直流隔离电容,便可完成最质朴的PIN RPL电路。RF扼流圈电感器对RPL电路的性能相当主要,其主要功效是使PIN二极管的直流电流通路变得完全。昔时夜旌旗暗记迫使电荷载流子进入二极管的I层时,会在二极管中发生直流电流。假定没有为直流电流供应完全蹊径,则不克不及降低二极管的电阻,二极管也不会到达极限。直流电流将沿着整流电流的偏向运动,但这不是由整流发生的。

在RPL电路中装配扼流圈电感是一件极具寻衅性的事,由于电感是RPL电路中最不睬想的元件。基于电感值和寄生绕组间电容的启事,一切电感都具有勾通和并联谐振。是以必须很是当心,确保在使命频带内不发生勾通谐振。此外,必须尽能够把扼流圈的直流电阻降到最低,以延伸RPL电路的恢复时间。

注:直流隔离电容是可选的。只需当输入或输入传输线上泛起能够使PIN二极管偏置的直流电压或电流时,才须要应用直流隔离电容。


实例

假定低噪声镌汰年夜器 (LNA) 可以遭受的最年夜输入功率为15dBm,则请求RPL电路中PIN二极管的I层厚度约为2微米。设计职员可凭证RF旌旗暗记频率和小旌旗暗记拔出消耗的可吸收最年夜值来一定PIN二极管的可吸收电容。假定设计师假定RPL电路在X波段使命,而且可吸收的最年夜拔出消耗为0.5dB,则可以盘算出二极管的最年夜电容。

可凭证以下公式得出并联电容的拔出消耗 (IL)(以分贝为单元):

image005.png

我们可凭证公式求解C值:

image007.png

当f = 12GHz、IL = 0.5dB且Z0 = 50Ω时,C = 0.185pF。

得出的电容值与I层厚度合营决议了二极管结的面积。

假定I层较薄而且结面积较小,二极管就会具有相对较高的热阻,这样一来,只好迫使结温逾越其最年夜特殊值175C,才干耗散更多能量。通常来讲,电容为0.185pF的2微米二极管可以安然处置赏罚赏罚约为30-33dBm的年夜CW输入旌旗暗记。由于电流流经二极管电阻时会发生焦耳热,年夜旌旗暗记能够会破损或即时销毁二极管。

PIN二极管RPL电路能够为雷达或无线电吸收器中的LNA等敏感元件供应可靠的掩护,掩护其不受较年夜入射旌旗暗记的影响。当RPL应用须要极低的稳态走漏输入功率和较高的输入功率处置赏罚赏罚才干时,可以在RPL电路的输入侧增添特此外二极管级和其他电路增强元件。

假定你正在为RPL应用选择最合适的二极管和电路拓扑,MACOM应用工程团队在这里随时为你供应赞助和看法。

有关MACOM处置赏罚赏罚妄图的更多信息,请会见。
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