采用PIN二极管解决宽带射频开关问题

　　昂贵的机械开关用于精准的测试仪器，例如矢量网络分析仪，被证明是适当的。不过，对于量产的消费类产品，如有线或卫星电视(CATV/SATV)发送系统，较低成本的电子开关则更合适些。这类开关基于晶体管或者PIN二极管。半导体开关没有移动部件，因此，较机械开关而言，它们具有更快的响应时间和更长的寿命范围。

　　PIN二极管通常被用在单刀单掷(SPST)和单刀多掷开关的切换单元。PIN二极管对于频率高于二极管截止频率(fc)10倍以上的信号，起到一个流控电阻的作用。

　　加上一正向偏置电流，PIN二极管结电阻Rj可以从高阻变为低阻，此外，PIN二极管既能用于串联开关模式，也能用于并联开关模式。串联开关的插入损耗A为：

　　在并联连接时，插入损耗变为：

　　这里Zo是特征阻抗(在射频传输系统中，其典型值为50或75Ω)。

　　选择开关的拓扑结构要求在带宽和隔离度要求之间做出折衷。尽管串联开关具有在很宽频率范围内传输低损耗的优势，但其隔离度较差。并联开关通常结合1/4波长传输线使用，其本质上为窄带，不过较串联而言，这些传输线具有较高的隔离度。

　　测试仪器和CATV/SATV设备都需要多倍频程工作能力的射频开关，并且不产生明显信号损耗。类似于CATV/SATV的多载波环境对开关有着严格的线性度要求。它还不能引入导致信道间干扰的过度失真，这类干扰会造成信号质量下降。

　　为了改善单PIN二极管的隔离度，可以在串联模式下采用两个或更多PIN二极管。这种串联连接和蔼允许共享同一个偏置电流以节省功率。双端开关部件，如PIN二极管的好处在于，能够用外加二极管轻易地以串联方式级联。相反，三端晶体管就要求为每个增加的串联开关部件提供同样的控制线路。

　　体效应二极管与外延生长型PIN二极管

　　电路设计人员需要区分体效应类型和外延生长型(Epi)PIN二极管两者间的区别。这两种构造PIN二极管的不同方法导致它们各自射频性能有明显差异，因而就影响到PIN二极管对各种应用的适合程度。体效应二极管衬底具有低掺杂密度，为了导通，它需要有一高偏置电流，因此，体效应PIN二极管一般不适合便携和其它跟电池操作相关的应用。其非常厚且纯的本征(I)层会造成在300~3,000ns范围内很长的载流子寿命。这种长载流子寿命是保证开关和衰减器应用中具有低失真性能的基本参数。

　　相反，Epi二极管的I-层为高度掺杂，Epi二极管很适合用作电流受限产品中的低电流射频开关。其载流子寿命短得多(τ5~300ns)。糟糕的是，这种差异使得外延生长型PIN二极管的线性较体效应二极管要差得多。由于PIN二极管的线性度通常在低偏置电流情况下发生恶化，这种局面事实上就把考虑Epi二极管作为衰减器的可能性排除在外。

　　正如先前所提到的那样，确定PIN开关的可用低端频率限制受其与截止频率之间关系的影响。在10倍截止频率以下，PIN二极管不再表现为流控电阻的性质。当

　　二极管的行为不可预测，它在流控电感和电容之间交替变化。如果频率远低于

　　二极管的PIN结就起到传统PN结的作用。一般来说，体效应二极管更厚的I层较Epi二极管允许工作在更低的频率上。

　　PIN二极管模型

　　寄生电路元件(例如有害的电感和电容)，是同二极管片和封装与生俱来的，它定义了开关性能限制。在串联开关结构的范围内，封装电容和芯片电容(分别为Cp和Cj)共同引起隔离度随频率升高而逐渐降低。封装寄生电感Lp引起开关插损随频率按比例增加(图1)。为了改善PIN二极管在微波范围内的性能，制造商们在坚持不懈地创造更小的封装。这些封装带来的寄生产物更少。业界标准的SOT323、SOD-323和SOD-523正是制造低成本塑料封装PIN二极管部件无尽推动力的印证。

　　不幸的是，PIN二极管不能在计算机辅助设计领域普遍应用的SPICE软件里得到建模，SPICE没有建立少数载流子寿命T参数，它是PIN二极管一个重要参数。PIN二极管片可被建模成一简单线性电路，该电路由两个电阻、一个可变电阻以及一个电容构成，如图1所示。

　　二极管片依赖于电流的结电阻可近似成：

　　这里If是mA?级正向偏置电流。

　　参数A和K为常数，可以从前面的方程根据被测RF电阻对前向偏置电流If的变化曲线作拟合得到。RF电感-电容-电阻(LCR)桥(例如：具有可选外部偏置附件的Agilent 4286A)提供了一方便且可重复的方法来进行这种测量。Rmin和Rmax分别代表片接点和零偏置电阻。它们可通过前述曲线中与RF电阻估计得到。在已封装部分，二极管片电容Cj只能通过间接推导得到。首先，零偏置电容在低频(典型为1MHz)情况下测量得到，因此，封装的寄生电感的电抗Lp可忽略不计；随后，从测量得到得零偏置电容中减掉封装电容Cp，就得到Cj。

　　通常，二极管制造商能提供这些基于大量样本的统计数据。电路设计人员就可以在提取这些参数方面节约大量精力。

　　对于此项研究，体效应PIN二极管(Avago HSMP-386Z，w=22.5μm、τ=300ns以及fc=0.3MHz)被用于同Epi二极管(Avago HSMP-38?Z，w=6.5μm、τ=180ns和fc=0.8MHz)做比较。尽管有些体效应二极管其I区比上面的例子更厚，其非均匀的更大导通电流使得他们更适合用作衰减器而不是开关。二极管片被封装成类似SOD-323的封装。电连接采用相同的线压焊技术制造。针对插损(IL)、隔离度(ISO)以及三阶截点(IP3)等在宽带RF开关工作中很关键的参数，对这两种不同的PIN二极管进行了测试。

　　为了防止信噪比下降，串联开关应该具有低插损，这个因素对于微弱信号接收系统特别关键。在1GHz以下，二极管开关的电抗性部件并不对IL造成明显影响，此参数主要受控于等效串联电阻Rs。在二极管安全工作极限边界之内，通过提高偏置电流就有可能降低IL和Rs。工作频率上限很大程度上由封装的寄生电感决定，它由超过2GHz后IL迅速恶化引起。

　　一般地，Epi PIN二极管比起体效应类型的管子在给定If值处具有较低的IL。比较起来，细小的体效应二极管需要大约四倍于Epi二极管(20mA对5mA)的高偏置电流来获得相同的IL(图2和图3)。

　　在串联开关中，可用频率由随频率提高而递减的隔离度所决定。封装电容和结电容(Cp和Cj)使更高频率对无偏置电路的PIN二极管高结电阻是旁路的。在低频率端，体效应PIN二极管比Epi二极管表现出更好的隔离度，因为前者在零偏置处有更高的阻抗。

　　当然，半导体开关确实有艾基利斯之踵的弱点：结合多倍频程带宽和多载波的应用产品(更不必提那些需要处理大功率的系统了)。结非线性产生偶次和奇次带内失真产物，这些产物在CATV网络中不可滤除。通过比较，机械开关在类似条件下非连续地产生少量失真。例如，低频段VHF信道(70~100MHz)产生二次谐波可干扰高频段VHF信道(107~170MHz)。一般地，PIN二极管比基于晶体管的开关线性更好。

　　在正向偏置PIN二极管中，谐波和互调失真是由RF电流对I层电荷密度进行调制所产生的。失真受频率、存储电荷和结电阻的影响。交截点(IPn)，一个广泛使用的开关线性度衡量指数，是互调产物功率线性变换函数假定相交点。三阶互调产物2f1-f2和2f2-f1被认为是讨厌的，因为它们出现位置靠近有用信号。PIN开关的三阶截点(IP3)可以用Caverly和Hiller方法进行分析：

　　这里f以MHz为单位，If单位为A，T单位为ns纳秒

　　场效应晶体管((FET)可构成一种竞争开关技术，失真特性不会因改变偏置电流而发生变化。这样PIN开关就具有明显的优势，因为它可以通过小幅提高偏置电流而充分提高IP3。对PIN二极管IP3的测量结果表现出与预测值相当好的一致性。

　　总之，体效应和Epi PIN二极管均能提供不同的特性来适应射频开关对不同尺寸大小的要求。用于CATV系统的射频开关就是对宽带和低成本苛刻要求的很好例子。同基于FET或者CMOS的开关相比，PIN二极管开关具有更高线性度的优势，这对多载波应用环境特别关键。在串联形式中它们还易于开关级联而不需要增加控制线。对于二端器件，PIN二极管也没有仿真模型那么复杂。（作者：Chin-Leong Lim）