基于运算放大器驱动pin二极管替代方案

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1、基于运算放大器驱动基于运算放大器驱动 PIN 二极管替代方案二极管替代方案导读: 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。 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钳位

2、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3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，以适合其他电路配置。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

3、只有几分之一欧姆，反向偏置（“截止”）时其电阻高达10k 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（见 图2a） 。图2 PIN 二极管等效电路：a） 导通，IBIAS 0；b） 截止，VBIAS 0当施加反向或零

4、偏置电压时，二极管呈现为一个大电阻 RP，它与电容 CT 并联（见图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 MADP 042XX8-13060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

5、可以利用公式1进行近似计算。（1）其中，QS 为存储的电荷； 为二极管载流子生命周期；ISS 为稳态电流。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） 。（2）其中：t 为所需的开关时间；ISS 为驱动器所提供的稳态电流，用来设置 PIN 二极管 导通电阻 RS； 为载流子生命周期。 驱动器注入或移除电流（或“尖峰电流”）i 可以表示为公式3。（3）其中，C 为驱动器输出电容（或“尖峰电容”）的值；V 为输出电容上的电压；dv/dt 为

6、电容上的电压的时间变化率。PIN 二极管偏置接口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，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 D1D4，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

7、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（ 20pF）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，为了实现最优驱动器性能，电容 必须极小，

8、但为了满足 RF 电路要求， 电容又必须足够大。传统传统 PIN 二极管驱动器二极管驱动器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

9、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。运算放大器运算放大器 PIN 二极管驱动器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1000V/s 的跃迁速度工作。下面将介绍3 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钳位放大器钳位放大器该电路能以最高10MHz 的频率工 作，具有出色的开关性能，总传播延迟为1

10、5ns。通 过改变增益或钳位电压，可以调整输出电压和电流，以适应不同的应用。钳位放大器 AD8037原本设计用 于驱动 ADC，可提供钳位输出以保护 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的独特输入钳位特性，可以 实现极其干净和精确的钳位。它可以线性放大输入信号，最高可达增 益乘以正负钳位电压 （VCH 和 VCL） 。当增益为4且钳位电压为0.75V 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

11、于0.75V，则输出电压钳位在最大值3V。这一 钳位特性使得过驱恢复非常快（典型值小于 2ns） 。钳位电压（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 1.2V，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，以确保输出会进入钳位状态（40.75V） 。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

12、 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 AD8137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711ns，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（03.5V）转换为互补3.5V 信号，同时可使传播延迟 最小。

13、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1.75V；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：（4）为正确端接脉冲发生器的输入阻抗，使之为50，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，与之最接近的标准 1%电阻值为51.1。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

14、须将信号 源的阻抗和端接电阻纳入增益设置电阻 R2。（5）图8中，R2约比 R1大20，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） 。将 R4设为1.02k（最接近1.025k 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 二极管电流见公式6。（6）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

15、些电容的值，实现性能优化。尖峰电流可以由公式7计 算。（7）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31.8V（具体取决于电源电压和负载） 。该 器件鲁棒性很好，可以真正为其他电路提供最高50mA 的负电源电流。ADA

16、4858-3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（见图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 或其他逻辑。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 1.5+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