基于运算放大器的PIN驱动器电路

2010-11-14 15:49:11来源: 互联网

    PIN二极管在重掺杂的P区和N区之间夹有一层轻掺杂的本征区(I),此类二极管广泛用于射频与微波领域。常见应用是要求高隔离度和低损耗的微波开关、移相器和衰减器。在测试设备、仪器仪表、通信设备、雷达和各种军事应用中,可以发现这类二极管的身影。

  开关电路中,每个PIN二极管都有附随的PIN二极管驱动器或开关驱动器,用来提供受控正向偏置电流、反向偏置电压以及控制信号(通常是一个数字逻辑命令)与一个或多个PIN二极管之间的激活接口。根据应用需要,可以采用分立设计或专门IC实现这种驱动器功能。

  另一方面,也可以使用随处可得的运算放大器以及箝位放大器、差分放大器等特殊放大器作为备选方案,代替分立PIN二极管驱动电路和昂贵的PIN二极管驱动器IC。此类运算放大器具有宽带宽、高压摆率和充裕的稳态电流,可驱动PIN二极管。本文讨论三种不同的PIN驱动器电路,它们采用运算放大器或特殊放大器:AD8037、AD8137和ADA4858-3。这些电路设计用于单刀双掷(SPDT) PIN二极管开关,但也可以对其进行修改,以适合其它电路配置。在详细说明这些电路之前,本文将先讨论PIN二极管的特性和使用。

  PIN二极管

  PIN二极管用作电流控制电阻,工作在RF和微波频率,正向偏置(“导通”)时其电阻只有几分之一欧姆,反向偏置(“截止”)时其电阻高达10 kΩ以上。与典型的PN结二极管不同,PIN二极管的P区与N区之间多了一层高阻性本征半导体材料(用PIN中的“I”表示),如图1所示。

图1. PIN二极管

  当PIN二极管正向偏置时,来自P材料的空穴和来自N材料的电子注入I区。电荷并不能立即完成重新合并;电荷重新合并所需的有限时间量称为“载流子生命周期”。这导致I区中存在净存储电荷,因而其电阻会降至某一个值,称为二极管的有效导通电阻RS(图2a)。


  当施加反向或零偏置电压时,二极管呈现为一个大电阻RP,它与电容CT并联(图2b)。通过改变二极管几何结构,可以使PIN二极管具有不同的RS和CT组合,以满足各种电路应用和频率范围的需要。

  驱动器提供的稳态偏置电流ISS和反向电压共同决定RS和CT的最终值。图3和图4显示了典型PIN二极管系列 ——M/A-COM MADP042XX8-130601系列硅二极管的参数关系。二极管材料会影响其特性。例如,砷化镓(GaAs)二极管几乎不需要反向偏置就能实现低CT值,如图9所示。

图3. 硅二极管导通电阻与正向电流的关系

图4. 硅二极管电容与反向电压的关系

  PIN二极管中存储的电荷可以利用公式1进行近似计算。


  要导通或截止二极管,必须注入或移除所存储的电荷。驱动器的工作就是以极快的速度注入或移除所存储的电荷。如果开关时间小于二极管的载流子生命周期,则可以利用公式2近似计算实现快速开关所需的峰值电流(IP)。


  驱动器注入或移除电流(或“尖峰电流”)i可以表示为公式3。


  PIN二极管偏置接口

  将开关驱动器控制电路与PIN二极管相连,以便通过施加正向或反向偏置来开关二极管,是一项具有挑战性的工作。偏置电路通常使用一个低通滤波器,它位于RF电路与开关驱动器之间。图5显示了一个单刀双掷(SPDT) RF开关及其偏置电路。当设置妥当时,滤波器L1/C2和L3/C4允许将控制信号施加于PIN二极管D1–D4,控制信号与RF信号(从RF IN切换至PORT 1或PORT 2)的相互影响极少。这些元件允许频率相对较低的控制信号通过PIN二极管,但会阻止高频信号逃离RF信号路径。不正常的RF能量损耗意味着开关的插入损耗过高。电容C1、C3和C5阻止施加于二极管的直流偏置侵入RF信号路径中的电路。直流接地回路中的电感L2允许直流和低频开关驱动器信号轻松通过,但对于RF和微波频率则会呈现高阻抗,从而降低RF信号损耗。

图5. 典型单刀双掷(SPDT) RF开关电路

  偏置电路、RF电路和开关驱动器电路全都会发生交互,影响彼此的性能,因此像所有设计一样,权衡考虑各种因素十分重要。例如,较大的C2和C4 (>20 pF)对RF性能有利,但对驱动器则是麻烦,因为大电容会导致上升沿和下降沿较慢。快速开关对大多数应用都有利;因此,为了实现最佳驱动器性能,电容必须极小,但为了满足RF电路要求,电容又必须足够大。

  传统PIN二极管驱动器

  PIN二极管驱动器有各种形状和尺寸。图6给出了一个可提供高开关速度的典型分立开关驱动器的原理图。这种驱动器既可以采用“片线”(混合)结构来实现,也可以采用“表贴”(SMT)器件来实现;前者非常昂贵,后者虽不昂贵,但需要的印刷电路板(PCB)面积多于混合结构。

图6. 分立开关驱动器电路

  还有专用开关驱动器集成电路(IC);这些IC十分紧凑,提供TTL接口,并具有良好的性能,但灵活性有限,而且往往很昂贵。还有一种开关驱动器架构应当考虑,即采用运算放大器。运算放大器开关驱动器的明显优势在于其自身的灵活性,可以轻松地对其进行配置,以适应不同的应用、电源电压和条件,为设计人员提供丰富的设计选项。

  运算放大器PIN二极管驱动器

  运算放大器电路是一种很有吸引力的PIN二极管驱动备选方案。除灵活性外,这种电路常常还能以接近或超过1000 V/μs的跃迁速度工作。下面将介绍三种不同的RF PIN二极管放大器驱动电路。所选放大器虽然在根本特征上各不相同,但都能执行类似的功能。这些放大器电路可以驱动硅或砷化镓(GaAs) PIN二极管,但各有各的特点。

  AD8037 — 箝位放大器

  该电路能以最高10 MHz的频率工作,具有出色的开关性能,总传播延迟为15 ns。通过改变增益或箝位电压,可以调整输出电压和电流,以适应不同的应用。

  箝位放大器AD8037原本设计用于驱动ADC,可提供箝位输出以保护ADC输入不发生过驱。图7所示配置用一对AD8037(U2和U3)驱动PIN二极管。

图7. AD8037 PIN二极管驱动器电路

  本例中,U2和U3采用同相配置,增益为4。利用AD8037的独特输入箝位特性,可以实现极其干净和精确的箝位。它可以线性放大输入信号,最高可达增益乘以正负箝位电压(VCH和VCL)。当增益为4且箝位电压为±0.75 V时,如果输入电压小于±0.75 V,则输出电压等于输入电压的4倍;如果输入电压大于±0.75 V,则输出电压箝位在最大值±3 V。这一箝位特性使得过驱恢复非常快(典型值小于2 ns)。箝位电压(VCH和VCL)由分压器R2、R3、R7和R8确定。数字接口由74F86 XOR逻辑门(U1)实现,它提供U2和U3所用的驱动信号,两路互补输出之间的传播延迟偏斜极小。电阻网络R4、R5、R6和R9将TTL输出电平转换为大约±1.2 V,然后通过R10和R12馈送给U2和U3。

  U2和U3的±1.2-V输入提供60%过驱,以确保输出会进入箝位状态(4 × 0.75 V)。因此,硅PIN二极管驱动器的输出电平设为±3V。电阻R16和R17限制稳态电流。电容C12和C13设置PIN二极管的尖峰电流。

  AD8137 — 差分放大器

  差分放大器(本例所用的AD8137)可以低成本提供出色的高速开关性能,并使设计人员能够十分灵活地驱动各种类型的RF负载。有各种各样的差分放大器可供使用,包括速度更快、性能更高的一些器件。高速差分放大器AD81374通常用于驱动ADC,但也可以用作低成本、低功耗PIN二极管驱动器。其典型开关时间为7 ns至11 ns,其中包括驱动器和RF负载的传播延迟。它提供互补输出,功能多样,可以替代昂贵的传统驱动器。

  图8所示电路将单端TTL输入(0 V至3.5 V)转换为互补±3.5V信号,同时可使传播延迟最小。TTL信号放大4倍,在AD8137输出端产生所需的±3.5V摆幅。TTL信号的中点(或共模电压)为1.75 V;必须将同样的电压施加于R2,作为参考电压VREF,以免在放大器输出端引入共模失调误差。最好从一个低源阻抗驱动此点;任何串联阻抗都会增加到R1上,从而影响放大器增益。

图8. PIN二极管驱动器原理图

  输出电压增益可由公式4计算:


  为正确端接脉冲发生器输入阻抗,使之为50 Ω,需要确定差分放大器电路的输入阻抗。这可以利用公式5计算,得出RT = 51.55 Ω,与之最接近的标准1%电阻值为51.1 Ω。对于对称的输出摆幅,两个输入网络的阻抗必须相同。这意味着,反相输入阻抗必须将信号源的Thévenin阻抗和端接电阻纳入增益设置电阻R2。


  图8中,R2约比R1大20 Ω,以补偿源电阻RS与端接电阻RT的并联组合所引入的额外电阻(25 Ω)。将R4设为1.02 kΩ(最接近1.025 kΩ的标准电阻值),以确保两个电阻比相等,避免引入共模误差。输出电平转换很容易利用AD8137的VOCM引脚来实现,该引脚设置直流输出共模电平。本例中,VOCM引脚接地,以提供关于地的对称输出摆幅。

  电阻R5和R6设置稳态PIN二极管电流,如公式6所示。


  电容C5和C6设置尖峰电流,该电流有助于注入和移除PIN二极管中存储的电荷。可以根据特定二极管负载要求,调整这些电容的值,实现性能优化。尖峰电流可以由公式7计算。

  ADA4858-3 — 内置电荷泵的三通道运算放大器

  许多应用只提供一个电源,这常常令电路设计人员感到为难,尤其是当需要在PIN电路中提供低关断电容时。这种情况下,硅或GaAs PIN二极管驱动电路可以使用片上集成电荷泵的运算放大器,而不需要外部负电源;其好处是可以显著节省空间、功耗和预算。

  高速电流反馈型三通道放大器ADA4858-3就是这样一种器件,它具有出色的特性,片上集成电荷泵,输出摆幅可以达到地电压以下–3 V至–1.8 V(具体取决于电源电压和负载)。该器件十分鲁棒,可以真正为其它电路提供最高50 mA的负电源电流。

  ADA4858-3为单电源系统中的互补PIN二极管微波开关驱动问题提供了一种独特的解决方案。回顾图4,从中可以看出:即使很少量的反向偏置也有助于降低二极管电容CT,具体取决于PIN二极管的类型。此类驱动器对GaAs PIN二极管很有利,因为这种二极管通常不需要很大的负偏置就能使关断电容(CT)保持较小的值(图9)。

图9. GaAs CT电容与电压的关系

  图10所示电路用ADA4858-3作为PIN二极管驱动器。可以在输入端增加一个缓冲门,使该电路兼容TTL或其它逻辑。对此电路的要求是将TTL 0V至3.5V输入信号摆幅转换为互补–1.5V至+3.5V摆幅,用于驱动PIN二极管。

图10. ADA4858-3用作PIN二极管驱动器

  R1、R2、R3和U1C形成该电路的–1.5V基准电压,内部负电压CPO由片内电荷泵产生。电容C3和C4是电荷泵工作所必需的。负基准电压随后通过分压器(R5和R9)与VTTL输入以无源方式合并。所产生的电压(VRD)出现在U1B的同相输入端。U1B输出电压可以利用公式8计算。

  负基准电压也被馈送至放大器U1A,在其中与TTL输入合并,所得输出电压V2可以利用公式10计算。

  这些放大器采用电流反馈架构,因此必需注意反馈电阻的选择,反馈电阻对于放大器的稳定性和频率响应有着重要作用。对于本应用,反馈电阻设为294 Ω,这是数据手册所推荐的值。输出电压V1和V2分别可以用公式8和公式10表示。输出尖峰电流量可以利用公式3和电容C5、C6上的电压确定。设置PIN二极管导通电阻的稳态电流由R11与R12上的电压差确定,并取决于PIN二极管曲线和系统要求。

  对于本应用,RF开关负载为MASW210B-1硅PIN二极管单刀双掷(SPDT)开关,用于微波下变频器的前端(图11)。

图11. 下变频器功能框图

  开关输出波形和TTL输入信号如图12所示。请注意,上升沿和下降沿非常陡峭。由于开关的开关时间要求相对较慢(约为50 ns),因此本应用没有使用尖峰电容C5和C6。设置稳态二极管电流的电阻R11和R12均为330 Ω。

图12. 显示RF开关速度的波形

图13. 下变频器的频谱响应

  图13显示了下变频器前端的频谱响应;开关SW1位于固定位置,以消除插入损耗。请注意,图中不存在谐波或边带,充分表明没有明显的100 kHz开关伪像从ADA4858-3片内电荷泵散出,这是在此类应用中使用这些器件的重要考虑因素。

  结束语

  如以上三例所示,运算放大器可以创造性地用作传统放大器的替代方案,其性能与PIN二极管专用驱动IC相当。此外,运算放大器可以提供增益调整和输入控制功能,而且当使用内置电荷泵的运算放大器时,无需负电源,这就提高了PIN二极管的驱动器和其它电路的设计灵活性。运算放大器易于使用和配置,可以相对轻松地解决复杂问题。

关键字:开关驱动器  电荷泵  差分放大器  传播延迟

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2010/1114/article_2698.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
开关驱动器
电荷泵
差分放大器
传播延迟

小广播

独家专题更多

富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved