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用二极管设计:保护敏感元件

在雷达或无线电接收器中,敏感的低噪声放大器 (LNA) 在承受较大的输入信号时会损坏。那么,有什么解决办法呢?

我们可以使用接收器保护装置限幅器(RPL) 电路保护敏感元件。RPL电路的心脏通常由PIN二极管的组成可以保护元件免受大输入信号的影响,不会对小信号操作产生不利影响。

RPL电路运行不需要外部控制信号。这种电路至少包含一个与信号路径并联的电路PIN二极管,以及一个或多个无源元件,如RF扼流圈电感和直流隔离电容。以下是简单的(但可能是完整的)RPL电路。

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当没有RF或者只存在输入信号RF小信号时,限幅器PIN二极管的阻抗特性会达到最大值,通常为几百欧姆或以上。因此,二极管产生非常小的阻抗失配,相应地,可带来低插入损耗。

当出现大输入信号时,RF电压迫使电荷载流子(P层的空穴和N层电子)进入PIN二极管的I层。进入I自由电荷载流子在层后会减少RF电阻,从RPL电路的RF从端口的角度来看,这就产生了阻抗失配。

这种不匹配会导致输入信号的能量反射到相应的信号源。PIN由于反射信号暂时显示在传输线上的最低阻抗,二极管产生最小电压驻波。传输线上的每个最小电压都有相应的最大电流。最大电流通过PIN二极管,导致二极管I层中的自由电荷载流量增加,产生较低的串联电阻、较大的阻抗失配和较小的最小电压。最后,二极管的电阻将达到最小值PIN设计及二极管RF信号的振幅值。RF当信号振幅值增加时,迫使二极管达到完全导通状态,从而进一步降低二极管的电阻,直到二极管饱和并产生尽可能小的电阻。输出功率与输入功率的对比曲线如下所示。

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当RF如果不再出现大信号,I层中的自由电荷载流子量较大,二极管的电阻则会保持在较低水平(此时插入损耗仍然较大)。在RF大信号中断后,可以通过两种机制减少自由电荷载流量: (1) I (2) I层内电荷重组。

电荷传导的振幅主要由二极管外部电流通路中的直流电阻决定。

电荷重组的速率由多种因素决定,包括I自由电荷载流子在层中的密度I考虑到二极管的必要参数,PIN二极管可安全处理RF信号越大,插入损耗越长。

因此,PIN二极管I层的特征决定了RPL电路性能。I当二极管达到极限时,层的厚度(有时称为宽度)决定了输入功率:I层越厚,输入参考1dB压缩级别(也称阈值级别)越高。I二极管的厚度、面积和制造材料决定了二极管的电阻、电容和热阻。

只需一个PIN二极管,一个RF扼流圈电感器和一对直流隔离电容器可以实现最简单的PIN RPL电路。RF扼流圈电感器对RPL电路的性能非常重要,其主要功能是制造PIN二极管的直流电流通路变得完整。当大信号迫使电荷载流子进入二极管时I当层时,二极管中会产生直流电流。如果直流电流没有完整的路径,二极管的电阻就不会降低,二极管也不会达到极限。直流电流将沿整流电流的方向流动,但这不是由整流产生的。

在RPL在电路中安装扼流圈电感是一件极具挑战性的事情,因为电感是RPL电路中最不理想的部件。由于电感值和寄生绕组之间的电容,所有电感都具有串联并联谐振。因此,必须非常小心,以确保在工作频带中没有串联谐振。此外,必须尽量减少扼流圈的直流电阻RPL恢复电路的时间。

注:直流隔离电容器是可选的。只有当输入或输出传输线出现时,PIN直流隔离电容仅用于二极管偏置的直流电压或电流。

假设低噪声放大器 (LNA) 最大输入功率为15dBm,则要求RPL电路中PIN二极管的I层厚约2微米。设计师可以根据RF确定信号频率和小信号插入损耗的可接受最大值PIN假设设设计师假设二极管的可接受电容。RPL电路在X波段工作,最大插入损耗为0.5dB,二极管的最大电容可以计算出来。

并联电容器的插入损耗可根据以下公式得到 (IL)(以分贝为单位):

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我们可以根据公式求解C值:

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当f = 12GHz、IL = 0.5dB且Z0 = 50Ω时,C = 0.185pF。

获得的电容值与I二极管结的面积由层厚共同决定。

如果I层薄,结面积小,二极管热阻相对较高。这样,结温就必须超过其最大额定值175°C,能耗散更多的能量。一般来说,电容为0.185pF2微米二极管可安全处理约30-33dBm的大CW输入信号。由于电流流经二极管电阻时会产生焦耳热,大信号可能会损坏或即时烧毁二极管。

PIN二极管RPL雷达或无线电接收器中的电路可以是电路LNA敏感元件提供可靠的保护,以保护其免受大入射信号的影响。RPL应用需要极低的稳态泄漏输出功率和较高的输入功率处理能力RPL电路输入侧增加额外的二极管级和其他电路增强元件。

如果你在做RPL应用选择最合适的二极管和电路拓扑,MACOM应用工程团队在这里随时为你提供帮助和意见。

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