由于尺寸、成本和速度方面的考慮，便攜式應(yīng)用中的射頻功率開關(guān)對于機電開關(guān)來說是一項挑戰(zhàn)。雖然 PIN 二極管相對于 CMOS 開關(guān)和 MEMS 結(jié)構(gòu)等其他非機械選項具有一些獨特的優(yōu)勢，但除非清楚地了解它們的特性，否則它們很難設(shè)計到電路中。

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

射頻開關(guān)挑戰(zhàn)

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

由于這些開關(guān)必須工作在千兆赫茲甚至更高的頻率范圍內(nèi)，因此它們沒有什么是簡單的：它們的設(shè)計、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)先級相匹配。

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

（注：“混合”開關(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)組件以及機電實現(xiàn)的射頻開關(guān)的一般屬性。（來源：是德科技）

如圖 2 所示，三類固態(tài)開關(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)計和易用性以及巨大的智能手機、路由器和其他應(yīng)用對射頻開關(guān)的需求。結(jié)果，供應(yīng)商發(fā)布了許多具有改進規(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)射頻開關(guān)元件的頻率上限和下限。新產(chǎn)品和增強功能意味著這些數(shù)字不斷變化。（來源：是德科技）

PIN二極管基礎(chǔ)知識

PIN 二極管在無線電和微波頻率下充當電流控制電阻器。與傳統(tǒng)的 PN 二極管一樣，它在正向偏置時允許電流沿一個方向流動，但在反向偏置時不允許在另一個方向上流動。此功能是跨越 DC 到 RF 的許多電路的簡單而關(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“本征”層。雖然設(shè)備的物理特性很復(fù)雜，但其結(jié)果是一個帶有扭曲的可控開關(guān)動作。當 PIN 二極管正向偏置時，它允許射頻能量流動，而當反向偏置時，它阻止射頻能量。這是在各種射頻開關(guān)拓撲中使用 PIN 二極管的基礎(chǔ)。

當正向偏置時，PIN 二極管的電氣模型看起來像一個與電阻器串聯(lián)的電感器。當反向偏置時，它看起來像一個與并聯(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）時的 PIN 二極管模型，其中 R s是正向偏置時二極管的（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是反向偏置時二極管的（高）電阻。（來源：是德科技）

一般來說，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)計的支持電路。

為什么 PIN 二極管難以使用

這是一個看似簡單的結(jié)構(gòu)，這就引出了一個問題：為什么 PIN 二極管使用起來如此具有挑戰(zhàn)性？原因很簡單。它是一個兩端設(shè)備，因此，偏置所需的控制端口和射頻信號端口是同一個物理點。因此，設(shè)計必須允許它們在二極管處“合并”，同時保持它們與電路的其余部分隔離。因此，工程師們對使用 PIN 二極管的看法很復(fù)雜，因為它們不是最容易使用的開關(guān)選項，但它們可以做其他選項無法做到的事情。

使用 PIN 二極管

二極管本身并不是一個完整且有用的開關(guān)，因為它只是核心開關(guān)元件。至少，基于 PIN 二極管的射頻開關(guān)需要一個隔直電容來防止直流偏置電流到達射頻輸出，還需要一個射頻扼流圈來為直流偏置電流返回提供路徑，同時阻斷射頻信號。

可以使用串聯(lián)或并聯(lián)拓撲構(gòu)建可以通過或切斷射頻信號的基本單刀單擲射頻開關(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。它可以擴展為單刀雙擲配置，其中源信號可以路由到兩個端口之一。

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

同樣，分流二極管開關(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電極上散熱，它能夠處理比串聯(lián)拓撲中的二極管更多的射頻功率。一些設(shè)計在二極管和它的隔直電容之間增加了一個四分之一波傳輸線，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 開關(guān)和 b) SPDT 開關(guān)。注意添加四分之一波長傳輸線以形成低通濾波器。（來源：Skyworks Solutions, Inc.）

使用并聯(lián)或串聯(lián)拓撲，使用單個 PIN 二極管實現(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。通過在所謂的復(fù)合開關(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)）拓撲（圖 6）。在復(fù)合開關(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。對于隔離狀態(tài)，情況相反。請注意，復(fù)合開關(guān)的偏置電路比簡單的串聯(lián)或并聯(lián)開關(guān)所需的更復(fù)雜。

圖 6：在基本 SPST 開關(guān)的復(fù)合拓撲中使用串聯(lián)和并聯(lián)模式，以最大限度地提高所需性能，同時最大限度地減少 a) ELL 和 b) TEE 配置中的非預(yù)期規(guī)格（為清楚起見，未顯示支持組件）。（來源：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)來創(chuàng)建調(diào)諧開關(guān)（圖 7）。在這里，兩個串聯(lián)或兩個分流二極管間隔一個波長，產(chǎn)生的隔離值比單個二極管開關(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)諧開關(guān)。（來源：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去耦并保持穩(wěn)定，因為任何噪聲或紋波都會影響二極管的工作點。

在大功率情況下使用時，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電壓擺幅的交叉調(diào)制效應(yīng)。例如，100 W RF 信號在標準 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的電壓影響二極管的電阻并產(chǎn)生失真。

為開關(guān)建模

PIN 二極管的靜態(tài)和動態(tài)性能由許多可用的模型和方程來表征。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)計一樣，互連、PC 板效應(yīng)、EM 場和寄生效應(yīng)會扭曲模型。設(shè)計人員必須嘗試將這些整合到他們的仿真模型中，以便更準確地了解 PIN 二極管開關(guān)的性能。

寬 PIN 二極管多樣性以匹配設(shè)計優(yōu)先級

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，開關(guān)速度極快，僅為 5 納秒（圖 8）。它可以在高達 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，使用簡單的 +5 V TTL 柵極驅(qū)動器。

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。（來源：M/A-COM Technology Solutions Inc.）

圖 9：供應(yīng)商提供 PIN 二極管的詳細模型，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)、無線局域網(wǎng) (WLAN) 和開關(guān)應(yīng)用而設(shè)計。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 時相當平坦。（來源：Skyworks Solutions, Inc.）

圖 11：SMP1345的隔離性能跨越大約 4 個十倍頻程（以 dB 為單位），這是 PIN 二極管的典型特征。（來源：Skyworks Solutions, Inc.）

Broadcom ASML-5829專為低功率限制器應(yīng)用而設(shè)計。它用于防止大輸入信號對接收器的損壞，同時允許接收器在沒有大信號的情況下正常工作。該器件結(jié)合了一個 PIN 二極管和一個肖特基二極管，構(gòu)成一個低功率限幅器。PIN 二極管位于輸入端以保護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)實現(xiàn)前端限幅器，并具有完全表征的配對性能。（來源：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）。（來源：博通有限公司）

結(jié)論

切換和路由射頻信號的能力是無線系統(tǒng)中的常見要求。雖然機電開關(guān)是多年前用于實現(xiàn)此目的的主要組件，但它們已被基于 PIN 二極管、FET 開關(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關(guān)設(shè)計的“簡單”無源器件。然而，由于它將射頻信號路徑和直流偏置合并到同一個連接點，因此在評估是使用串聯(lián)、分流還是組合方法來構(gòu)建完整的開關(guān)時，需要仔細理解和考慮。詳細模型的可用性還可以高度準確地表示 PIN 二極管及其在最終電路設(shè)計中的使用。