pin二极管压控衰减器的原理与设计

pin二极管压控衰减器的原理与设计

pin二极管压控衰减器的原理与设计PIN二极管压控衰减器的原理与设计一、实验目的1．在了解衰减器的基本理论的基础上了解压控衰减器的控制原理；2．利用实验模组实际测量以了解压控衰减器的特性；3．了解压控衰减器的设计方法。

二、实验原理在这里我们先简单介绍PIN二极管。PIN二极管可应用于作为高频开关和电阻范围从小于1Ω到10kΩ的可变电阻器（衰减器），射频工作信号可高达50GHz。

其结构像三明治一样，在高掺杂的批P+和N+层之间夹有一本征的（I层）或低掺杂半导体的中间附加层。

中间层的厚度在1到100um间，这取决于应用要求和频率范围。

在电压是正向时，这二极管表现为像是一个受所加电流控制的可变电阻器。

然而在电压反向时，低掺杂的内层产生空间电荷，其区域达到高掺杂的外层。

这种效应即使在小的反向电压下就会发生，直到高电压下基本上保持恒定，其结果使这二极管表现为类似于平行板电容器。

举例来说，具有内1层厚度为20um的硅基PIN二极管，

表面积为200um，其扩散电容的量级为0.2pF。

一般形式的PIN二极管及经台面处理的实用器件列于图1，与常规的平面结构相比，台面行位的优点是杂散电容的大为减少。

其I-Vt特性的数学表述与电流的大小和方向有关。

为保持处理简易，我们将在很大程度上按照对PN结已列出过的论述来进行。

在正向情况并对轻掺杂型本征层，流过二极管的电流为：式（12-1）这里W是本征层宽度；Гp是过剩的少数载流子寿命，它可有高到1us的量级；ND是轻掺杂N型半导体中间层中的掺杂浓度。

式中指数项中的因子2是考虑到存在有两个结。

对于纯本征层ND=ni，（1）式导致以下形式：

式（12-2）（a）PIN二极管的简化结构（b）经台面处理技术加工成PIN二极管结构图12-1 PIN二极管结构由关系式Q=IГp，可计算出总电荷。

这样就可求出扩散电容：

式（12-3）在反情况，这I层的空间电荷长度对电容起支配作用。

在小电压下CJ近似为：

式（12-4）这里εI 是本征层的介电常数。

如在肖特基二极管中讨论过的那样，通过在Q点附近的

泰勒展开可求出PIN二极管的动态电阻。

其结果：

式（12-5）这里，对照式（12-1），可令。

依照PIN二极管在正偏置（导通）下的电阻性质和在负偏置（断开或绝缘）下的电容性质，我们可以着手构筑简单的小信号模型。

对PIN二极管在串联情况下，其电路模型示意于图12-2，其两端分别接有电源和负载电阻。

由式（12-3）和式（12-4）式导出的结电阻和扩散电容可以在实用上很近似地模拟PIN二极管的性能。

更加定量化的信息是通过测量或复杂的计算模型来得到的。

使PIN二极管工作需设置偏置电压，而提供偏置要有DC 回路，它必须与射频信号通路分离开。

要实现DC绝缘，可用一射频线圈（RFC），RFC在DC下短路而在高频下开路。

相反情况下，隔直流电容（CB）在DC下开路而在高频下短路。

图12-3示出一典型的衰减器的电路，其中PIN二极管既用于串联又用于并联的情况。

虽然在以下的讨论中我们将用一DC偏置，但也能用一低频的AC偏置。

在这种情况下，通过二极管的电流包括两个分量：

图12-2 串联下的PIN二极管图12-3 在串联和并联设置下的偏置PIN二极管的衰减器电路在正DC偏置下，对于射频信号，串联PIN二极管表现为一电阻。

然而，并联PIN二极管则建立了一个短路条件，只允许有一小到可忽略的RF信号出现在输出端。

并联PIN二极管的作用像是一个具有高插入损耗的高衰减器。

在负偏置条件下情况相反，串联PIN二极管像是一个具有高阻抗或高插入损耗的电容器，而有高并联阻抗的并联二极管对RF信号没有明显的影响。

一个经常用到的专业术语叫转换器损失TL，它可方便地用S参量的｜S21｜来表示，于是有：

三、设计方法可调衰减器在各种通讯应用中是有用的器件，例如，衰减器可用来控制收发器的信号水平，特别是在许多现代通讯系统中，高线性度是一个关键的要求，HSMP-3816由4PIN二极管组成，这个简单的衰减器在0.3~3000MHz的宽频段仍然具有出色的线性特性。

HSMP-3816二极管四元组采用5脚无引线SOT-25表面贴装型封装。

在封装的四元组中，脚1和脚3用于RF输入/输出，脚2用来为二极管提供偏压，脚4、5用来提供分路偏压。

除了尺寸方面的优势外，与四个分离元件组成的四元组相比，将四个性能完全匹配的PIN二极管捆绑到SOT-25封装中有助于保证衰减器的输入输出臂之间具有更好的对称性。

用两个并联电阻和一个串联电阻就可以构造一个基本的匹配置固定电压衰减器，通过配置即可以得到A=20log (K)的衰减，同时提供能够匹配具体应用电路特性阻抗的输入/输出阻抗。

在工作频率高于衰减器截止频率的情况下，一个PIN二极管可以作为电流控制可变电阻使用。

不过，只有在工作频率完全高于二极管的截止频率fc=1/2πτ的条件下这个电流控制变阻模型才比较精确，这里τ为器件中少数载流子的生命周期。

在工作频率10倍于fc时，一个PIN二极管就可以精确地用一个具有恒定微值结电容的电流控制并联电阻来模拟。工作频率低于0.1fc时，PIN二极管就表现为一个普通的PN结二极管。

工作频率在0.1fc到10fc之间时，PIN二极管的特性就变得非常复杂，一般表现为一个与一个高频电流电感或电容并联的、随频率变化而变化的电阻。

另外，工作在这个范围内时，信号失真畸变也非常严重。对于HSMP-3816型二极管而言，τ≈1500ns，其截止频率为1000kHz，因此在1000kHz以上二极管的电阻值与工作频率