由于尺寸、成本和速度方面的考慮，便攜式應(yīng)用中的射頻功率開(kāi)關(guān)對(duì)于機(jī)電開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。雖然 PIN 二極管相對(duì)于 CMOS 開(kāi)關(guān)和 MEMS 結(jié)構(gòu)等其他非機(jī)械選項(xiàng)具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但除非清楚地了解它們的特性，否則它們很難設(shè)計(jì)到電路中。

本文將介紹射頻開(kāi)關(guān)的挑戰(zhàn)并描述 PIN 二極管工作的基礎(chǔ)知識(shí)。然后，它將展示如何使用 PIN 二極管進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后提供一些真實(shí)的 PIN 二極管示例來(lái)展示該技術(shù)的進(jìn)步。

射頻開(kāi)關(guān)挑戰(zhàn)

在許多應(yīng)用中，需要切換射頻信號(hào)路徑以路由和連接到不同的天線、放大器和濾波器。隨著 MIMO、多頻帶無(wú)線設(shè)備 (5G) 和其他先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，尤其是便攜式和電池供電設(shè)備的發(fā)展，對(duì)更多開(kāi)關(guān)和更高性能的需求只會(huì)越來(lái)越大。

由于這些開(kāi)關(guān)必須工作在千兆赫茲甚至更高的頻率范圍內(nèi)，因此它們沒(méi)有什么是簡(jiǎn)單的：它們的設(shè)計(jì)、底層技術(shù)、PC 板上的布局，或者將它們的性能與應(yīng)用優(yōu)先級(jí)相匹配。

這些技術(shù)中的每一種都在帶寬、插入損耗、隔離、開(kāi)關(guān)速度和功率處理等關(guān)鍵性能參數(shù)上進(jìn)行了權(quán)衡（圖 1）。

（注：“混合”開(kāi)關(guān)結(jié)合了 PIN 二極管和基于 FET 的組件。）

圖 1：基于 PIN 二極管、FET 和混合器件的固態(tài)組件以及機(jī)電實(shí)現(xiàn)的射頻開(kāi)關(guān)的一般屬性。（來(lái)源：是德科技）

如圖 2 所示，三類固態(tài)開(kāi)關(guān)的代表性最大值和最小值涵蓋了廣泛的重疊范圍。由于其 IC 設(shè)計(jì)和易用性以及巨大的智能手機(jī)、路由器和其他應(yīng)用對(duì)射頻開(kāi)關(guān)的需求。結(jié)果，供應(yīng)商發(fā)布了許多具有改進(jìn)規(guī)格的新 FET 器件，導(dǎo)致表格中的比較屬性和數(shù)字發(fā)生變化。

圖 2：三組固態(tài)射頻開(kāi)關(guān)元件的頻率上限和下限。新產(chǎn)品和增強(qiáng)功能意味著這些數(shù)字不斷變化。（來(lái)源：是德科技）

PIN二極管基礎(chǔ)知識(shí)

PIN 二極管在無(wú)線電和微波頻率下充當(dāng)電流控制電阻器。與傳統(tǒng)的 PN 二極管一樣，它在正向偏置時(shí)允許電流沿一個(gè)方向流動(dòng)，但在反向偏置時(shí)不允許在另一個(gè)方向上流動(dòng)。此功能是跨越 DC 到 RF 的許多電路的簡(jiǎn)單而關(guān)鍵的功能塊。

然而，與 PN 二極管不同的是，PIN 二極管在其 P 層和 N 層之間有一個(gè)“本征”層。雖然設(shè)備的物理特性很復(fù)雜，但其結(jié)果是一個(gè)帶有扭曲的可控開(kāi)關(guān)動(dòng)作。當(dāng) PIN 二極管正向偏置時(shí)，它允許射頻能量流動(dòng)，而當(dāng)反向偏置時(shí)，它阻止射頻能量。這是在各種射頻開(kāi)關(guān)拓?fù)渲惺褂?PIN 二極管的基礎(chǔ)。

當(dāng)正向偏置時(shí)，PIN 二極管的電氣模型看起來(lái)像一個(gè)與電阻器串聯(lián)的電感器。當(dāng)反向偏置時(shí)，它看起來(lái)像一個(gè)與并聯(lián)電容器和電阻器串聯(lián)的電感器（圖 3）。這些模型中無(wú)源元件的具體值取決于 PIN 二極管模型。

圖 3：正向偏置（左）和反向偏置（右）時(shí)的 PIN 二極管模型，其中 R s是正向偏置時(shí)二極管的（低）電阻；L 是寄生電感（很大程度上是封裝的函數(shù)）；C T為二極管結(jié)電容與封裝寄生電容之和；R p是反向偏置時(shí)二極管的（高）電阻。（來(lái)源：是德科技）

一般來(lái)說(shuō)，PIN 二極管提供非常好的線性度，可用于非常高頻率和高功率的應(yīng)用。它們的缺點(diǎn)是偏置所需的大量直流功率（施加的直流功率越高，插入損耗越低）。此外，它們的隔離性能規(guī)格難以確定，并且需要精心設(shè)計(jì)的支持電路。

為什么 PIN 二極管難以使用

這是一個(gè)看似簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，這就引出了一個(gè)問(wèn)題：為什么 PIN 二極管使用起來(lái)如此具有挑戰(zhàn)性？原因很簡(jiǎn)單。它是一個(gè)兩端設(shè)備，因此，偏置所需的控制端口和射頻信號(hào)端口是同一個(gè)物理點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)必須允許它們?cè)诙O管處“合并”，同時(shí)保持它們與電路的其余部分隔離。因此，工程師們對(duì)使用 PIN 二極管的看法很復(fù)雜，因?yàn)樗鼈儾皇亲钊菀资褂玫拈_(kāi)關(guān)選項(xiàng)，但它們可以做其他選項(xiàng)無(wú)法做到的事情。

使用 PIN 二極管

二極管本身并不是一個(gè)完整且有用的開(kāi)關(guān)，因?yàn)樗皇呛诵拈_(kāi)關(guān)元件。至少，基于 PIN 二極管的射頻開(kāi)關(guān)需要一個(gè)隔直電容來(lái)防止直流偏置電流到達(dá)射頻輸出，還需要一個(gè)射頻扼流圈來(lái)為直流偏置電流返回提供路徑，同時(shí)阻斷射頻信號(hào)。

可以使用串聯(lián)或并聯(lián)拓?fù)錁?gòu)建可以通過(guò)或切斷射頻信號(hào)的基本單刀單擲射頻開(kāi)關(guān)。串聯(lián)方法可在較寬的頻率范圍內(nèi)提供最小的插入損耗（圖 4）。這種配置可以在很寬的帶寬上工作，但受偏置電感器和隔直電容的限制。它可以擴(kuò)展為單刀雙擲配置，其中源信號(hào)可以路由到兩個(gè)端口之一。

圖 4：串聯(lián)模式下使用的 PIN 二極管，用于 a) 基本 SPST 開(kāi)關(guān)和 b) SPDT 開(kāi)關(guān)，其中 V G是射頻發(fā)生器電壓。（來(lái)源：Skyworks Solutions, Inc.）

同樣，分流二極管開(kāi)關(guān)可用于基本的 SPST 和 SPDT 功能（圖 5）。分流方法提供高隔離，并且由于二極管可能在一個(gè)電極上散熱，它能夠處理比串聯(lián)拓?fù)渲械亩O管更多的射頻功率。一些設(shè)計(jì)在二極管和它的隔直電容之間增加了一個(gè)四分之一波傳輸線，為低通濾波器創(chuàng)建集總串聯(lián)電感。這使開(kāi)關(guān)能夠工作到所需的頻率。

圖 5：分流模式中使用的 PIN 二極管，用于 a) 基本 SPST 開(kāi)關(guān)和 b) SPDT 開(kāi)關(guān)。注意添加四分之一波長(zhǎng)傳輸線以形成低通濾波器。（來(lái)源：Skyworks Solutions, Inc.）

使用并聯(lián)或串聯(lián)拓?fù)洌褂脝蝹€(gè) PIN 二極管實(shí)現(xiàn)優(yōu)于 40 dB 的隔離具有挑戰(zhàn)性，尤其是在更高的工作頻率下。通過(guò)在所謂的復(fù)合開(kāi)關(guān)中使用串聯(lián)和并聯(lián)二極管的組合，可以在一定程度上克服這些限制。

PIN 二極管配置為 ELL（串聯(lián)并聯(lián)）或 TEE（并聯(lián)串聯(lián)）拓?fù)洌▓D 6）。在復(fù)合開(kāi)關(guān)中，插入損耗狀態(tài)是串聯(lián)二極管正向偏置而并聯(lián)二極管處于零偏置或反向偏置時(shí)。對(duì)于隔離狀態(tài)，情況相反。請(qǐng)注意，復(fù)合開(kāi)關(guān)的偏置電路比簡(jiǎn)單的串聯(lián)或并聯(lián)開(kāi)關(guān)所需的更復(fù)雜。

圖 6：在基本 SPST 開(kāi)關(guān)的復(fù)合拓?fù)渲惺褂么?lián)和并聯(lián)模式，以最大限度地提高所需性能，同時(shí)最大限度地減少 a) ELL 和 b) TEE 配置中的非預(yù)期規(guī)格（為清楚起見(jiàn)，未顯示支持組件）。（來(lái)源：Skyworks Solutions, Inc.）

另一種提高隔離性能的更復(fù)雜的方法是使用諧振結(jié)構(gòu)來(lái)創(chuàng)建調(diào)諧開(kāi)關(guān)（圖 7）。在這里，兩個(gè)串聯(lián)或兩個(gè)分流二極管間隔一個(gè)波長(zhǎng)，產(chǎn)生的隔離值比單個(gè)二極管開(kāi)關(guān)所能提供的高 3 dB。

圖 7：諧振結(jié)構(gòu)使用二極管之間的四分之一波長(zhǎng)間隔作為濾波器元件，可用于在 a) 串聯(lián)和 b) 并聯(lián)模式中創(chuàng)建調(diào)諧開(kāi)關(guān)。（來(lái)源：Skyworks Solutions, Inc.）

偏置 PIN 二極管

控制 PIN 二極管模式所需的直流偏置電壓是二極管以及射頻信號(hào)電平、溫度范圍和其他因素的函數(shù)。該偏置電壓必須與射頻信號(hào)去耦并保持穩(wěn)定，因?yàn)槿魏卧肼暬蚣y波都會(huì)影響二極管的工作點(diǎn)。

在大功率情況下使用時(shí)，PIN 二極管需要高偏置控制電壓，以最大限度地減少射頻信號(hào)電壓擺幅的交叉調(diào)制效應(yīng)。例如，100 W RF 信號(hào)在標(biāo)準(zhǔn) 50 Ω 系統(tǒng)中的峰峰值電壓為 200 V。控制電壓必須大于此值并有足夠的余量以防止射頻信號(hào)的電壓影響二極管的電阻并產(chǎn)生失真。

為開(kāi)關(guān)建模

PIN 二極管的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能由許多可用的模型和方程來(lái)表征。這些捕獲基本屬性以及這些屬性隨溫度、電壓、頻率和其他因素的變化。這些數(shù)據(jù)和相關(guān)模型使得非常好的首次通過(guò)模擬成為可能。可以以合理的精度確定隔離度、線性度、失真、插入損耗和功耗與頻率和功率之間的特性變化。

然而，這些設(shè)備模型只展示了部分內(nèi)容。與所有 RF 設(shè)計(jì)一樣，互連、PC 板效應(yīng)、EM 場(chǎng)和寄生效應(yīng)會(huì)扭曲模型。設(shè)計(jì)人員必須嘗試將這些整合到他們的仿真模型中，以便更準(zhǔn)確地了解 PIN 二極管開(kāi)關(guān)的性能。

寬 PIN 二極管多樣性以匹配設(shè)計(jì)優(yōu)先級(jí)

許多射頻元件供應(yīng)商都提供 PIN 二極管。例如，M/A-COM 的 MA4AGBLP912是一款 AlGaAs PIN 二極管，其“導(dǎo)通”電阻僅為 4 Ω，電容低，開(kāi)關(guān)速度極快，僅為 5 納秒（圖 8）。它可以在高達(dá) 40 GHz 的分流配置中使用，低損耗狀態(tài)的工作偏置為 +10 mA，隔離狀態(tài)的工作偏置為 0 V，使用簡(jiǎn)單的 +5 V TTL 柵極驅(qū)動(dòng)器。

微型梁式引線封裝的低 R/C 產(chǎn)品和低剖面可最大限度地減少寄生效應(yīng)，從而降低插入損耗和提高隔離度。對(duì)于建模和仿真，供應(yīng)商提供 Spice 模型參數(shù)（圖 9）。

圖 8：M/A-COM 的MA4AGBLP912 PIN 二極管采用 AlGaAs 材料；它的核心封裝是每邊的十分之幾毫米。（來(lái)源：M/A-COM Technology Solutions Inc.）

圖 9：供應(yīng)商提供 PIN 二極管的詳細(xì)模型，例如MA4AGBLP912 PIN 二極管的 Spice 模型；綜合電路仿真需要這些模型。（來(lái)源：M/A-COM Technology Solutions Inc.）

Skyworks Solutions的SMP1345系列塑料封裝表面貼裝 PIN 二極管專為 10 MHz 至 6 GHz 的大容量、低噪聲塊 (LNB)、無(wú)線局域網(wǎng) (WLAN) 和開(kāi)關(guān)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。該系列器件具有非常低的電容和低電阻。插入損耗（圖 10）和隔離損耗（圖 11）的關(guān)鍵性能參數(shù)顯示，前者變化約為 ±0.2 dB，而后者在 0 至 6 GHz 的 35 dB 范圍內(nèi)變化。

圖 10：Skyworks Solutions 的 SMP1345 PIN 二極管的插入損耗在 6 GHz 時(shí)相當(dāng)平坦。（來(lái)源：Skyworks Solutions, Inc.）

圖 11：SMP1345的隔離性能跨越大約 4 個(gè)十倍頻程（以 dB 為單位），這是 PIN 二極管的典型特征。（來(lái)源：Skyworks Solutions, Inc.）

Broadcom ASML-5829專為低功率限制器應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它用于防止大輸入信號(hào)對(duì)接收器的損壞，同時(shí)允許接收器在沒(méi)有大信號(hào)的情況下正常工作。該器件結(jié)合了一個(gè) PIN 二極管和一個(gè)肖特基二極管，構(gòu)成一個(gè)低功率限幅器。PIN 二極管位于輸入端以保護(hù)肖特基二極管免受高射頻功率電平的影響（圖 12）。因此，與更傳統(tǒng)的自偏置 PIN 限幅器相比，肖特基增強(qiáng)型限幅器將具有更低的限幅閾值。與許多 RF 組件數(shù)據(jù)表一樣，它包含 S 參數(shù)，用于更全面的 RF 表征和分析（圖 13）。

圖 12：Broadcom ASML-5829 結(jié)合了兩個(gè)經(jīng)常一起使用的組件 - PIN 二極管和肖特基二極管 - 以在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)前端限幅器，并具有完全表征的配對(duì)性能。（來(lái)源：博通有限公司）

圖 13：ASML-5829 數(shù)據(jù)表包括 S11 和 S12 參數(shù)與頻率的關(guān)系，從而可以詳細(xì)分析其射頻性能，此處輸入功率水平為 0 dBm（左）和低得多的 -30 dBm（右）。（來(lái)源：博通有限公司）

結(jié)論

切換和路由射頻信號(hào)的能力是無(wú)線系統(tǒng)中的常見(jiàn)要求。雖然機(jī)電開(kāi)關(guān)是多年前用于實(shí)現(xiàn)此目的的主要組件，但它們已被基于 PIN 二極管、FET 開(kāi)關(guān)或組件組合的固態(tài)解決方案所取代。

由于其速度和隔離潛力，PIN 二極管顯然是一種用于各種開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)的“簡(jiǎn)單”無(wú)源器件。然而，由于它將射頻信號(hào)路徑和直流偏置合并到同一個(gè)連接點(diǎn)，因此在評(píng)估是使用串聯(lián)、分流還是組合方法來(lái)構(gòu)建完整的開(kāi)關(guān)時(shí)，需要仔細(xì)理解和考慮。詳細(xì)模型的可用性還可以高度準(zhǔn)確地表示 PIN 二極管及其在最終電路設(shè)計(jì)中的使用。