pin二极管压控衰减器的原理与设计

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1、PIN二极管压控衰减器的原理与设计一、实验目的1．在了解衰减器的基本理论的基础上了解压控衰减器的控制原理；2．利用实验模组实际测量以了解压控衰减器的特性；3．了解压控衰减器的设计方法。二、实验原理在这里我们先简单介绍PIN二极管。PIN二极管可应用于作为高频开关和电阻范围从小于1Ω到10kΩ的可变电阻器（衰减器），射频工作信号可高达50GHz。其结构像三明治一样，在高掺杂的批P+和N+层之间夹有一本征的（I层）或低掺杂半导体的中间附加层。中间层的厚度在1到100um间，这取决于应用要求和频率范围。在电压是正向时，这二极管表

2、现为像是一个受所加电流控制的可变电阻器。然而在电压反向时，低掺杂的内层产生空间电荷，其区域达到高掺杂的外层。这种效应即使在小的反向电压下就会发生，直到高电压下基本上保持恒定，其结果使这二极管表现为类似于平行板电容器。举例来说，具有内1层厚度为20um的硅基PIN二极管，表面积为200um，其扩散电容的量级为0.2pF。一般形式的PIN二极管及经台面处理的实用器件列于图1，与常规的平面结构相比，台面行位的优点是杂散电容的大为减少。其I-Vt特性的数学表述与电流的大小和方向有关。为保持处理简易，我们将在很大程度上按照对PN结已

3、列出过的论述来进行。在正向情况并对轻掺杂型本征层，流过二极管的电流为：式（12-1）这里W是本征层宽度；Гp是过剩的少数载流子寿命，它可有高到1us的量级；ND是轻掺杂N型半导体中间层中的掺杂浓度。式中指数项中的因子2是考虑到存在有两个结。对于纯本征层ND=ni，（1）式导致以下形式：第⑦页共222页　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　式（12-2）（a）PIN二极管的简化结构（b）经台面处理技术加工成PIN二极管结构图12-1PIN二极管结构由关系式Q=IГp，可计算出总

4、电荷。这样就可求出扩散电容：式（12-3）在反情况，这I层的空间电荷长度对电容起支配作用。在小电压下CJ近似为：式（12-4）这里εI是本征层的介电常数。如在肖特基二极管中讨论过的那样，通过在Q点附近的泰勒展开可求出PIN二极管的动态电阻。其结果：式（12-5）这里，对照式（12-1），可令。依照PIN二极管在正偏置（导通）下的电阻性质和在负偏置（断开或绝缘）下的电容性质，我们可以着手构筑简单的小信号模型。对PIN二极管在串联情况下，其电路模型示意于图12-2，其两端分别接有电源和负载电阻。由式（12-3）和式（12-4）

5、式导出的结电阻和扩散电容可以在实用上很近似地模拟PIN二极管的性能。更加定量化的信息是通过测量或复杂的计算模型来得到的。第⑦页共222页　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　使PIN二极管工作需设置偏置电压，而提供偏置要有DC回路，它必须与射频信号通路分离开。要实现DC绝缘，可用一射频线圈（RFC），RFC在DC下短路而在高频下开路。相反情况下，隔直流电容（CB）在DC下开路而在高频下短路。图12-3示出一典型的衰减器的电路，其中PIN二极管既用于串联又用于并联的情况。虽然在

6、以下的讨论中我们将用一DC偏置，但也能用一低频的AC偏置。在这种情况下，通过二极管的电流包括两个分量：图12-2串联下的PIN二极管第⑦页共222页　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图12-3在串联和并联设置下的偏置PIN二极管的衰减器电路在正DC偏置下，对于射频信号，串联PIN二极管表现为一电阻。然而，并联PIN二极管则建立了一个短路条件，只允许有一小到可忽略的RF信号出现在输出端。并联PIN二极管的作用像是一个具有高插入损耗的高衰减器。在负偏置条件下情况相反，串联PI

7、N二极管像是一个具有高阻抗或高插入损耗的电容器，而有高并联阻抗的并联二极管对RF信号没有明显的影响。一个经常用到的专业术语叫转换器损失TL，它可方便地用S参量的｜S21｜来表示，于是有：第⑦页共222页　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　一、设计方法可调衰减器在各种通讯应用中是有用的器件，例如，衰减器可用来控制收发器的信号水平，特别是在许多现代通讯系统中，高线性度是一个关键的要求，HSMP-3816由4PIN二极管组成，这个简单的衰减器在0.3~3000MHz的宽频段仍然具

8、有出色的线性特性。HSMP-3816二极管四元组采用5脚无引线SOT-25表面贴装型封装。在封装的四元组中，脚1和脚3用于RF输入/输出，脚2用来为二极管提供偏压，脚4、5用来提供分路偏压。除了尺寸方面的优势外，与四个分离元件组成的四元组相比，将四个性能完全匹配的PIN二极管捆绑到SOT-25封装中有助