Что такое переключающий диод
PIN-диоды для чайников. Часть 3
PIN-диод представляет собой полупроводниковую структуру, состоящую из сильнолегированных p + и n + областей и разделяющего их слаболегированного слоя – слоя собственной проводимости (intrinsic). Благодаря наличию этого слоя, т.н. «базы», pin-диод является плохим выпрямителем и находит применение в СВЧ-технике. В данной статье рассмотрены аспекты использования pin-диодов в СВЧ-схемах для практических применений, то есть только необходимые разработчику данные, чтобы максимально точно выполнить проектирование. Статья не претендует на сколько-либо научный труд, а является скорее справочником и сборником разрозненной информации о pin-диодах. Особое внимание уделено особенностям использования pin-диодов на высоком уровне СВЧ-мощности, таких как вопросы пробоя, влияния высокочастотного поля на режим работы диода и проблемы тепловыделения, которые являются ключевыми для разработчика мощных приборов.
Первую часть, посвященную общей информации о pin-диодах, можно прочитать тут.
Вторая часть посвящена способам включения pin-диода в СВЧ схему и влиянию СВЧ на диод.
SPnT переключатель (один вход и n выходов)
Простейшим способом создать SPnT ключ является использование n идентичных SPST ключей. При этом все приведенные в части 2 выражения остаются актуальными, кроме развязки – она увеличивается на 6 дБ независимо от количества выходов. Это связано с тем, что на одиночном закрытом ключе оказывается все напряжение генератора, а при наличии нескольких выходов половина напряжения генератора падает на согласованной нагрузке открытого канала, а на закрытых ключах всех остальных каналов, параллельно подключенных к генератору – вторая половина. Уменьшение напряжения соответствует уменьшению мощности в 4 раза или на 6дБ. Надо отметить, что параллельные схемы ключей необходимо подключать на расстоянии, равном четверти длины волны от места разветвления каналов, поэтому такие ключи являются более габаритными и узкополосными, хотя и обеспечивают лучшую развязку по сравнению с последовательными схемами. Кроме того, в многоканальном переключателе все каналы, кроме одного, закрыты, но, при параллельном включении в линию pin-диоды в них открыты, то есть потребляют ток. При последовательном же включении открыт только один диод.
Для создания широкополосных ключей или ключей с высоким значением развязки используются комбинации последовательных и параллельных схем ключей, а также многокаскадные ключи.
Надо отметить, что ключи с несколькими выходами требуют создания цепей согласования, так как диод в закрытом состоянии является не идеальным разрывом, а представляет собой емкость. Кроме того, необходимо компенсировать паразитные параметры корпуса диода. Ниже приведен пример топологии параллельного ключа с согласующими элементами.
Вторым примером решения этой проблемы является более удобная схема параллельного ключа, не требующая согласования, однако также являющаяся узкополосной. Четвертьволновый разомкнутый шлейф создает КЗ в точке включения диода в линию, при условии, что диод открыт. Когда же диод закрыт, он представляет собой параллельную линии емкость, а короткозамкнутый шлейф, также подключенный к точке включения диода в линию, представляет собой распределенную индуктивность, образующую с емкостью диода параллельный резонансный контур на рабочей частоте, то есть в этом состоянии волна проходит без помех.
Аналогом такой схемы для последовательного включения pin-диода является схема, приведенная выше. Здесь параллельно диодам включены индуктивности, которые также обеспечивают резонанс с емкостью закрытого диода. Включения конденсатора с большой емкостью необходимо для того, чтобы анод и катод диода не были под одним потенциалом. Такая схема обеспечивает хорошую развязку, однако требует согласования.
Общие рекомендации
Для подачи смещения на диоды необходимо создать такие цепи, которые пропускали бы постоянный ток, но были бы изолированы по СВЧ. Обычно для этих целей используются печатные четвертьволновые линии с чередующимися высоким и низким волновыми сопротивлениями. Это проще с точки зрения изготовления, однако не очень компактно. Возможно использовать для подачи смещения сосредоточенные навесные индуктивности с высоким импедансом на высоких частотах. Кроме того, такие элементы имеют собственные корпусные резонансы, обусловленные наличием паразитной емкости корпуса. Если подобрать элемент по его s-параметрам с паразитным резонансом на центральной рабочей частоте, то можно добиться большой развязки при очень компактных размерах самого компонента. Необходимо только учесть, что индуктивности обладают ограничением по пропускаемому току, поэтому ток, открывающий диод, не должен превышать максимальный ток, разрешенный для конкретного компонента.
Вторым моментом, на который стоит обратить внимание, являются потери, обусловленные сопротивлением диода в открытом состоянии. Как видно из формул, приведенных в части 2, эти потери не зависят от частоты, а определяются самим значением сопротивления и импедансом подводящей линии. Поэтому целесообразно использовать линию с высоким волновым сопротивлением, так как это уменьшит потери, а соответственно и тепловыделение на диоде. Из минусов такого подхода можно отметить необходимость введения в схему трансформаторов для приведения импеданса линии к 50 Ом, а также повышенное напряжение на диоде.
Еще одним полезным фактом является то, что, благодаря различиям в вольт-амперных характеристиках, арсенид-галлиевый pin-диод, в отличие от кремниевого, может управляться стандартными TTL-напряжениями. +5 вольт логической единицы откроют оба диода, однако +0.2 вольта логического нуля частично откроют кремниевый диод, но еще не откроют диод из арсенида галлия. Соответственно при низких уровнях СВЧ-мощности удобно управлять арсенид-галлиевыми диодами без дополнительных источников питания.
Коммутационное качество pin-диода
Для количественного описания качества управляющего устройства применяют характеристику, называемую фактором коммутационного качества K. Она является универсальной характеристикой управляющего устройства любой природы (феррит, сегнетоэлектрик, полупроводник). В данном случае определяется оно исходя из того, что диод обладает большим и малым сопротивлением СВЧ-полю в закрытом и открытом состояниях соответственно. При этом можно считать, что в открытом состоянии диод представляет собой резистор r, а в закрытом – последовательно соединенные емкость C и резистор R, при этом r @ R— Тогда можно считать, что у диода меняется только мнимая часть импеданса, и в таком случае
Для любого переключаемого элемента, пригодного для практических применений K > 1000. Данная формула действительна для бескорпусного диода, однако K не изменится и в присутствии корпуса, если в нем нет существенных потерь.
Использованная литература
Microsemi corp. The PIN diode circuit designers’ handbook.
Skyworks solution inc. Design with PIN diodes.
О.Г.Вендик, М.Д.Парнес. Антенны с электрическим сканированием (Введение в теорию).
Г.С.Хижа, И.Б.Вендик, Е.А.Серебрякова. СВЧ фазовращатели и переключатели.
Г.Уотсон. СВЧ-полупроводниковые приборы и их применение.
А.В.Вайсблат. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых приборах.
СВЧ устройства на полупроводниковых диодах. Проектирование и расчет. Под редакцией И.В.Мальского и Б.В.Сестрорецкого.
R.Caverly and G.Hiller. Establishing the minimum reverse bias for a p-i-n diode in a high-power switch.
Н.Т.Бова, Ю.Г.Ефремов, В.В.Конин. Микроэлектронные устройства СВЧ.
MA-COM tech. Comparison of Gallium Arsenide and Silicon PIN diodes for High Speed Microwave Switches.
Диоды сверхвысокочастотные: Переключательные диоды
Переключательные диоды предназначены для применения в устройствах коммутации СВЧ сигналов (в защитных устройствах, в устройствах переключения типа “прием/передача”, в сканируемых антенных решетках и т.п.). Работа таких диодов основана на изменении их полного сопротивления на частоте сигнала в зависимости от величины и полярности напряжения смещения. Переключательные диоды бывают двух типов — резонансные и структуры \(p\)‑\(i\)‑\(n\) (см. диоды структуры p-i-n).
В резонансных диодах используется возможность получения последовательного или параллельного резонанса контура, составленного из реактивностей диода. Параметры схемы подбирают таким образом, чтобы при прямом смещении возникал резонанс параллельного контура, характеризующийся большим сопротивлением. При обратном смещении наступает резонанс последовательного контура и сопротивление диода резко падает. Такие диоды позволяют коммутировать СВЧ сигнал мощностью до 1 кВт в импульсном режиме и до 10 Вт в непрерывном режиме с временем переключения не более 20 нс.
Для повышения уровня коммутируемой мощности требуется увеличивать площадь перехода, что приводит к росту его емкости. Увеличение площади перехода при незначительной емкости достигается в \(p\)-\(i\)-\(n\)-диодах. Основой любого \(p\)-\(i\)-\(n\)-диода является многослойная полупроводниковая структура, наиболее простой вид которой показан на рис. 2.8-4.
Рис. 2.8-4. Структура p-i-n-диода
Вольт-амперная характеристика \(p\)-\(i\)-\(n\)-диода, снятая на постоянном токе, качественно не отличается от вольт-амперной характеристики \(p\)-\(n\)-диода (рис. 2.8‑5). Главной отличительной особенностью \(p\)-\(i\)-\(n\)-диода является то, что он представляет собой инерционную нелинейность. Механизм воздействия на диод напряжения СВЧ радикально отличается от воздействия постоянного напряжения или напряжения сравнительно низких частот.
Рис. 2.8-5. Статическая вольт-амперная характеристика p-i-n-диода и воздействие на него СВЧ сигнала
При воздействии на диод прямого постоянного тока в \(i\)-слое появляется накопленный заряд. При параллельном включении диода в передающую линию в нем протекает ток СВЧ. Влияние этого тока на накопленный заряд, т.е. на проводимость диода, много слабее, чем постоянного тока. Это объясняется тем, что изменение заряда, происходящее в положительный полупериод тока СВЧ, много меньше накопленного заряда. При отрицательных полупериодах СВЧ колебаний, когда ток через диод должен был бы отсутствовать (рис. 2.8‑5), изменение накопленного заряда и соответственно проводимости диода также оказывается незначительным.
Разница в воздействии на проводимость диода постоянного и СВЧ токов возрастает с увеличением времени жизни носителей заряда и повышением частоты колебаний СВЧ. При нулевом или отрицательном смещении низкая проводимость диода, ввиду его инерционности, сохраняется при сравнительно больших напряжениях СВЧ. Короткие положительные импульсы напряжения продолжительностью менее половины периода СВЧ колебаний (рис. 2.8‑5) недостаточны для изменения проводимости диода. Таким образом, для СВЧ колебаний, как в режиме прямого тока, так и в режиме обратного смещения, \(p\)‑\(i\)‑\(n\)‑диод может в первом приближении рассматриваться как стационарный линейный двухполюсник.
Мощность коммутируемого \(p\)‑\(i\)‑\(n\)‑диодами сигнала может достигать сотен киловатт в импульсе. Однако время переключения у этих диодов больше, чем у резонансных переключательных диодов, поскольку в основу их работы положены инерционные процессы инжекции и рассасывания носителей зарядов. При значительном увеличении СВЧ тока или снижении частоты колебаний в \(p\)-\(i\)-\(n\)-диодах может наблюдаться изменение проводимости диода под влиянием СВЧ сигналов, а также эффекты детектирования. Эти явления, с одной стороны, снижают значение коммутируемой мощности, а с другой стороны — полезны при построении полупроводниковых ограничителей СВЧ.
К основным параметрам переключательных диодов относятся: потери запирания (\(L_з\)) и потери пропускания (\(L_<пр>\)), связанные с ними параметр качества (\(K\)) и критическая частота диода (\(f_<кр>\)), время прямого и обратного восстановления, накопленный заряд и др.
Потери запирания (\(L_з\)) и потери пропускания (\(L_<пр>\)). Для любого переключательного диода характерны два основных режима работы. Первый режим — это такое состояние диода, когда коммутируемый им сигнал соответствующей мощности и частоты свободно проходит через коммутируемую цепь (режим пропускания). Второй режим заключается в блокировании диодом коммутируемой цепи на частоте коммутируемого сигнала (режим запирания). Коммутация осуществляется путем изменения сопротивления диода на рабочей частоте. Режиму запирания соответствует малое сопротивление, а режиму пропускания — высокое сопротивление. Для описания основных свойств диодного коммутатора в обоих режимах используется величина, равная отношению мощности СВЧ сигнала, подводимого к коммутационному устройству, к мощности проходящей через это устройство. Такое отношение, выражаемое обычно в децибелах, для режима запирания называется потерями запирания (\(L_з\)), а для режима пропускания — потерями пропускания (\(L_<пр>\)). Зная потери можно легко определить мощность, рассеиваемую на диоде в том или ином режиме работы:
Очевидно, что в режиме запирания рассеиваемая мощность выше и не должна превышать значения максимально допустимого для конкретного используемого в схеме диода.
Качество диода (\(K\)). Для обобщенной характеристики параметров потерь переключательного диода введен специальный коэффициент, который называется качеством переключательного диода. Этот коэффициент вычисляется по формуле:
Таким образом, качество диода не зависит от схемы его включения в линию, волнового сопротивления линии и т.д., а целиком определяется характеристиками внутренней \(p\)‑\(i\)‑\(n\)‑структуры и параметрами сигнала.
Критическая частота (\(f_<кр>\)). Эффективность диодов при их применении в коммутационных устройствах СВЧ может быть оценена также с помощью такого параметра как критическая частота (\(f_<кр>\)). Критической частотой называется такая частота входного сигнала, при которой (при постепенном увеличении частоты) емкостное сопротивление структуры диода становится равным среднему геометрическому значению его активного сопротивления при прямом токе и обратном смещении.
В общем случае, для критической частоты выполняется:
\(C_д\) — емкость диода,
\(r_<пр>\) — прямое сопротивление потерь,
\(r_<обр>\) — обратное сопротивление потерь.
Критическая частота напрямую связана с качеством диода, которое может быть вычислено для рабочего сигнала с частотой \(f\) по следующей формуле:
Обычно в системе параметров переключательного диода содержатся: критическая частота, емкость и СВЧ сопротивление при определенном значении прямого тока. Активное сопротивление диода при отрицательном смещении может быть найдено исходя из приведенных выше формул.
Электронные схемы — диод как переключатель
Электрические выключатели над механическими выключателями
Электрические выключатели являются предпочтительным выбором по сравнению с механическими выключателями по следующим причинам:
Следовательно, электрический переключатель более полезен, чем механический переключатель.
Работа диода в качестве переключателя
При превышении указанного напряжения сопротивление диода увеличивается, что приводит к смещению диода в обратном направлении, и он действует как размыкающий переключатель. Всякий раз, когда напряжение, приложенное ниже опорного напряжения, сопротивление диода получает уменьшается, что делает диод смещен в прямом направлении, и он действует как замкнутый переключатель.
Следующая схема объясняет, как диод работает как переключатель.
Переключающий диод имеет PN-переход, в котором P-область слегка легирована, а N-область сильно легирована. Вышеприведенная схема символизирует, что диод включается, когда прямое положительное напряжение смещает диод, и выключается, когда отрицательное обратное напряжение смещает диод.
звонкий
Это условие вызова является потерей и, следовательно, должно быть сведено к минимуму. Для этого следует понимать время переключения диода.
Время переключения диода
Внезапное изменение от прямого к обратному и от обратного к прямому смещению влияет на цепь. Время, необходимое для реагирования на такие внезапные изменения, является важным критерием для определения эффективности электрического выключателя.
Временной интервал, используемый диодом для переключения из состояния обратного смещения в состояние прямого смещения, называется временем прямого восстановления ( t f r ).
Временной интервал, используемый диодом для переключения из состояния прямого смещения в состояние с обратным смещением, называется временем обратного восстановления. ( T ф р )
Временной интервал, используемый диодом для переключения из состояния обратного смещения в состояние прямого смещения, называется временем прямого восстановления ( t f r ).
Временной интервал, используемый диодом для переключения из состояния прямого смещения в состояние с обратным смещением, называется временем обратного восстановления. ( T ф р )
Чтобы понять это более четко, давайте попробуем проанализировать, что происходит, когда напряжение подается на переключающий диод PN.
Концентрация несущей
Концентрация миноритарных носителей заряда экспоненциально уменьшается, если смотреть в сторону от соединения. Когда напряжение приложено из-за прямого смещения, большинство несущих одной стороны движутся в направлении другой. Они становятся миноритариями другой стороны. Эта концентрация будет больше на стыке.
Например, если рассматривается N-тип, избыток дырок, которые входят в N-тип после применения прямого смещения, добавляет к уже существующим неосновным носителям материала N-типа.
Давайте рассмотрим несколько обозначений.
Во время прямого смещения — несущие меньшего размера находятся ближе к перекрестку и менее далеко от перекрестка. График ниже объясняет это.
Избыточный заряд миноритарного оператора в P-типе = P n − P n o с p n o (значение устойчивого состояния)
Избыточный заряд миноритарного оператора в N-типе = N p − N p o с N p o (установившееся значение)
Во время условия обратного смещения — Большинство несущих не проводит ток через соединение и, следовательно, не участвует в текущем состоянии. Переключающий диод ведет себя как короткое замыкание, например, в обратном направлении.
На приведенном выше рисунке пунктирная линия представляет равновесные значения, а сплошные линии представляют фактические значения. Поскольку ток из-за неосновных носителей заряда достаточно велик для проведения, цепь будет включена, пока этот избыточный заряд не будет удален.
Из приведенного выше рисунка рассмотрим график тока диода.
При t 1 диод внезапно переводится в состояние ВЫКЛ из состояния ВКЛ; это известно как Время хранения. Время хранения — это время, необходимое для снятия избыточного заряда меньшинства. Отрицательный ток, протекающий от материала типа N к P, имеет значительное количество в течение времени хранения. Этот отрицательный ток
− I R = f r a c − V R R
Следующий период времени — это время перехода »(от t 2 до t 3 )
Время перехода — это время, необходимое для полного перехода диода в состояние разомкнутой цепи. После того, как t 3 диод будет в устойчивом состоянии обратного смещения. До того, как диод t 1 находится в установившемся режиме прямого смещения.
Таким образом, время, необходимое для полного разомкнутого контура
R e v e r s e r e c o v e r y t i m e l e f t ( t r r r i g h t ) = п а м я т ь t i m e l e f t ( T s r i g h t ) + п е р е х о д в р е м я l e f t ( T t r i g h t )
Определения
Давайте просто пройдемся по определениям обсуждаемых периодов времени.
Факторы, влияющие на время переключения диодов
Есть несколько факторов, которые влияют на время переключения диодов, таких как
Диодная емкость — емкость PN перехода изменяется в зависимости от условий смещения.
Diode Resistance — сопротивление, предлагаемое диодом для изменения его состояния.
Концентрация легирования — Уровень легирования диода влияет на время переключения диода.
Ширина истощения — чем уже ширина слоя истощения, тем быстрее будет переключение. Стабилитрон имеет более узкую область истощения, чем лавинный, что делает его лучшим переключателем.
Диодная емкость — емкость PN перехода изменяется в зависимости от условий смещения.
Diode Resistance — сопротивление, предлагаемое диодом для изменения его состояния.
Концентрация легирования — Уровень легирования диода влияет на время переключения диода.
Ширина истощения — чем уже ширина слоя истощения, тем быстрее будет переключение. Стабилитрон имеет более узкую область истощения, чем лавинный, что делает его лучшим переключателем.
Приложения
Существует много применений, в которых используются схемы переключения диодов, например:
Электронное переключение с помощью диодов
В.БАШКАТОВ (US0IZ)
РЛ КВ-УКВ 5/2000
Поводом для написания этой статьи послужило мое первое знакомство с КВ-техникой»дальнего зарубежья».
Когда была открыта крышка трансивера ICOM-735 и рассмотрена его схемотехника, оказалось, что в нем отсутствуют реле, коммутирующие электрические цепи. Все переключения в трансивере осуществляются с помощью специальных pin-диодов. Это сделано с целью удешевления трансивера и уменьшения его габаритов.
Конечно, никто не собирается оспаривать преимущество реле перед диодами, используемыми в качестве ключей, особенно в высокочастотных цепях.
Ниже приводятся схемы, в которых переключение электрических цепей осуществляется с помощью диодов, хотя использование диодов для коммутации электрических цепей этими схемами, конечно же, не ограничивается.
Puc.1
1. Электронный переключатель диапазонных полосовых фильтров (рис.1).
Основными недостатками диодной коммутации в цепях преселекторов являются уменьшение их избирательности из-за наводок на цепи питания диодов, сужение динамического диапазона и повышенный коэффициент шума, обусловленный затуханием сигнала из-за конечной величины сопротивления диодов в прямом направлении.
Зарубежные производители трансиверов используют в качестве диодов специальные pin-диоды, которые сводят вышеперечисленные недостатки к минимуму, и это полностью себя оправдывает при изготовлении трансиверов низкого и среднего класса.
Если подать напряжение +12 В на вывод 1,8 МГц, то через диоды VD1 и VD10 потечет ток около 10 мА (определяется сопротивлением 680 Ом в делителях). Сигнал с антенны через диод VD1 поступает на катушку связи, проходит полосовой фильтр 1,8 МГц и поступает на смеситель. Остальные диоды электронного переключателя VD2. VD9 и VD11. VD18 закрыты обратным напряжением (около +6 В), возникающим на резисторах-делителей напряжение. Эта схема позволяет обойтись только положительным напряжением.
Подобный переключатель обеспечивает развязку между отдельными полосовыми фильтрами более 50 дБ. Потери сигнала при использовании катушек диаметром 5. 8 мм составляют 8. 10 дБ. Потери можно несколько снизить, если увеличить прямой ток через диоды, использовать катушки большего диаметра или ввести усилитель высокой частоты для компенсации потерь.
Антенный переключатель выполнен на диоде VD19. При приеме напряжение на диоде равно 0 В.
Oн закрыт, и сигнал со входа проходит через один из полосовых фильтров. При передаче напряжением +12 В диод VD19 открывается и тем самым шунтирует вход. В этом случае сигнал в приемный тракт не проходит.
2. Переключатель кварцевого генератора (рис.2).
Рис.2
Использование указанного электронного переключателя позволяет изменять частоту опорного кварцевого генератора. При подаче +12 В на вход LSB, открывается диод VD1 (диод VD2 закрыт), и последовательно с кварцем включается катушка индуктивности, в результатеI чего частота опорного генератора понижается. При подаче +12 В на вход USB, открывается диод VD2 (диод VD1 закрыт), и последовательно с кварцем включается конденсатор С5. Частота опорного генератора повышается.
3. Переключатель полосы кварцевого фильтра
Puc.3
Для переключения полосы пропускания кварцевого фильтра трансивера в режим работы SSB или CW, можно коммутировать емкости, включенные в кварцевый фильтр, с помощью диодов. Так, при подаче +12 В на кварцевый фильтр, открываются диоды VD1, VD2, VD3 и шунтируют последовательные емкости С4, С5, С6, в результате чего полоса кварцевого фильтра сужается с 2,5 кГц до 0,8 кГц.
4. Реверсивный каскад (рис.4).
Puc.4
Эта схема реверсивного каскада диплексера (являющегося активной нагрузкой для смесителя в широкой полосе частот) на транзисторе КП903 многим знакома. При приеме он работает как усилитель с общим затвором. При этом диод VD1 открыт, а диод VD2 закрыт. При передаче транзистор работает как истоковый повторитель.