PIN限幅二极管在接收机中的应用
PIN限幅二极管在接收机中的应用
无线电和雷达接收机必须能够处理非常微弱的信号，这就要求使用包含易损半导体元件的极为灵敏的电路模块。许多此类系统还必须能够在遭遇极大的入射信号时保持完好，不损坏其内部包含的灵敏元件。PIN限幅二极管作为接收机保护限幅器的核心组件，可以在大信号存在时保护接收机免受损害，同时确保在小信号条件下保持低插入损耗。本文将详细介绍PIN限幅二极管的工作原理及其在接收机中的应用。
无线电和雷达接收机必须能够处理非常微弱的信号，这就要求使用包含易损半导体元件的极为灵敏的电路模块。许多此类系统还必须能够在遭遇极大的入射信号时保持完好，不损坏其内部包含的灵敏元件。接收机保护限幅器（通常简称为限幅器）可以保护接收机免受大输入信号的损害，同时确保在大信号不存在时接收机能够正常工作。限幅器最常应用于雷达收发机中，这类设备的发射机和接收机被调至同一频率。发射机产生的信号，其峰值水平在大多数系统中可达千瓦或兆瓦量级，该信号被施加到通常也由接收机使用的天线上。接收机必须能够可靠地检测和处理非常微弱的反射信号，因此其输入端配备了一个灵敏的低噪声放大器（LNA），尽管有些接收机将接收到的信号直接施加到下变频器混频器的输入端。这两个电路模块都采用了灵敏的半导体元件，这些元件很可能会因耦合到接收机输入端的哪怕是很小一部分的发射机信号（无论是通过天线反射还是其他方式）而损坏。限幅器可以保护这些元件。
图1. 带有接收器保护限幅器的简化雷达收发机
一个简单的限幅器电路
一个简单的无源接收机保护限幅器如图2所示。在其最基本的形式中，该电路由一个PIN二极管和一个射频扼流电感器组成，这两者都与主信号路径并联。在大多数限幅器电路中，电路的输入和输出端都包含有直流阻断电容器。一个单级限幅器通常可以将大输入信号的幅度降低20–30分贝（dB）。
图2 单级限幅器
PIN限幅二极管
PIN限幅二极管可以被描述为一个由入射功率控制的可变电阻器。在没有大输入信号的情况下，限幅二极管的阻抗达到最大值，从而产生最小的插入损耗，通常小于0.5分贝（dB）。当存在大输入信号时，它会暂时将二极管的阻抗降低到很低的值，产生阻抗失配，从而将大部分输入信号功率反射回其源端。一个限幅级的名义传输曲线如图3所示。
当大输入信号不再存在时，经过短暂的延迟后，二极管的阻抗会从很低的值恢复到最大值。这个延迟的持续时间由限幅二极管及其所处的环境决定。
图3. 单级限幅器的输出功率与输入功率对比
重要的是要注意，当存在大输入信号时，限幅二极管是反射而不是耗散大部分输入信号功率。在电路设计合理的情况下，一个只能安全耗散几百毫瓦的限幅二极管也能够保护接收机免受比其功率高出几个数量级的信号的影响，同时限幅二极管本身不会受损。当然，这是基于这样的假设：反射信号要么是从系统天线重新辐射出去的，要么是由一个非互易器件（如环形器或隔离器）引导到一个可以耗散反射信号功率的电阻性负载上。
削波器（限幅器）电路
请注意，PIN限幅电路的工作原理与另一类称为“削波器”的限幅器不同，图4给出了削波器的一个例子。在那类电路中，使用了两个整流二极管（可以是肖特基二极管或PN结二极管）来限制相对于地或某个任意选定的直流电平的正负信号交变的峰值电压。在这个电路中，整流二极管连接到地，允许幅度小于整流二极管导通电压的信号不变地通过。对于电压幅度大于整流结导通电压的信号，将迫使二极管导通。在这种情况下，对于Si PN二极管，二极管上的电压降约为0.7V，因此，使二极管正向偏置的交变信号的峰值电压被箝位在二极管所连接电位的正向电压降以内。请注意，输出信号不再完全是正弦波——削波电路可以产生输入信号的丰富谐波。
图4. 限幅器电路及大信号输入/输出波形
限幅器电路通常用于低频应用，名义上在甚高频（VHF）及以下，因为整流二极管的存储电荷限制了其在更高频率下的整流效率。这种类型的限幅电路经常出现在调频或调相接收机的中频放大器部分。在信号的频率处于限幅器有用范围的较高端，但同时又处于PIN限幅器电路（如图2所示）使用范围较低端的“灰色区域”内，可以在图4所示的限幅器电路中使用一对反并联的PIN二极管，例如SMP1330-005(1)。在较低的特高频（UHF）频段，该电路将作为限幅器和入射功率控制的可变电阻限幅器的混合体。
PIN限幅二极管描述
图5展示了一个典型的台面结构PIN限幅二极管芯片的横截面图。
图5. 限幅器PIN二极管芯片横截面图（左）及其圆柱截面近似图（右）
当一个大输入信号作用到限幅器PIN二极管上时，信号的电场会暂时将二极管P层中的正电荷载流子（空穴）和N层中的负电荷载流子（电子）驱入名义上未掺杂的高阻抗I层，导致二极管的阻抗暂时降低到一个很低的值。限幅器PIN二极管的最小和最大阻抗由二极管的几何形状以及二极管I层的电阻率决定。在最简单的近似中，PIN二极管可以建模为一个具有三个独立层的右圆柱体部分：P层、I层和N层，其中每层的电阻由以下公式给出：
其中：
RLAYER 表示该层的电阻率。
P层
P层被重掺杂了p型受主杂质。它通常很薄，因此其电阻非常小（几毫欧的量级），在大多数分析中都可以忽略不计。
N层
N层有时被称为N+层，因为它被重掺杂了n型施主杂质。它的厚度通常是二极管三层中最大的，因此虽然其电阻率很小，但其电阻足够大，不能忽略。这一层的电阻通常是十分之几欧的量级。这一层的电阻是限幅器PIN二极管最小阻抗的主要组成部分。N层也是二极管热阻抗的一个重要元素。
I层
I层位于P层和N层之间，是PIN二极管中“发挥作用的地方”。这一层名义上未掺杂（“I”代表“本征”），但在实际操作中，它被非常轻微地掺杂了n型施主杂质。在二极管未施加外部正向偏置的状态下，这一层的电阻率约为几百欧姆·厘米或更高，因此它产生的电阻可能在几百到几千欧姆之间。
通过向二极管施加正向偏置电压或电流，可以简单地将P层和N层中的电荷载流子强迫进入I层，从而调制I层的电阻。I层的电阻与流过二极管的电流呈指数间接反比关系，即可以用以下公式描述：
其中：
RILAYER 表示二极管I层的串联电阻。
k是一个常数，它等于在电流I为1毫安（假设I也以毫安为单位表示）时二极管的I层串联电阻RILAYER。
I是流过二极管的电流，以毫安（mA）为单位；k是一个常数，当电流I为1毫安时，k在数值上等于二极管的I层串联电阻RILAYER（k的单位应与RILAYER的单位一致）。
α是一个曲线拟合因子，它与二极管中I层串联电阻RILAYER随电流I变化的曲线的斜率有关。对于典型的PIN二极管，α的取值范围在0.84到0.9之间。
RBULK是I层的饱和电阻。
多级限幅器
我们已经了解了限幅器PIN二极管的电气特性是如何由其几何形状和层结构决定的。单级限幅器通常可以根据输入信号频率和二极管的特性提供20–30 dB的隔离度。在大多数情况下，为了保护敏感的接收组件，需要更高的隔离度。多级限幅器就是用于此类应用的。
图6展示了一个两级限幅器电路。输出端的限幅器PIN二极管，通常被称为“清理级”，是具有较薄I层的二极管，其选择是为了使电路的阈值水平足够低，以保护接收机的其余组件。
图6. 两级限幅器电路
输入端的限幅二极管，通常被称为“粗限幅器”，其I层较厚的原因有几个。对于具有较厚I层的二极管，P层直径可以更大，同时保持在小输入信号条件下产生低插入损失的电容值。这会产生一个通常小于清理级二极管的二极管串联电阻，因此粗限幅器的隔离度可以大于清理级的隔离度。通常用作粗限幅器的二极管的热阻也可能低于清理型二极管。
这些级之间的相对位置很重要。粗限幅器通常放置在清理级向信号源方向的四分之一波长（λ/4）或四分之一波长的奇数倍处。
图7. 两级限幅器中的驻波
在小信号条件下，两个二极管都处于高阻抗状态，因此产生的总插入损耗是每个二极管的电容和它们造成的小失配损耗的结果。在大射频信号脉冲的前沿，两个二极管最初都处于高阻抗状态。因此，在非常短的时间内，除了小的插入损耗外，整个输入信号幅度都会传播通过限幅器。由于清理阶段的I层较薄，其载流子渡越时间少于粗调二极管的渡越时间，因此清理阶段的阻抗首先发生变化。这会在传输线上形成驻波，而在低阻抗的清理阶段处形成电压最小值。由于粗调限幅阶段与之相隔λ/4，因此会在其上产生电压最大值。这个大电压会迫使电荷载流子进入粗调限幅器的I层，从而降低其阻抗。因此，粗调二极管的较低阻抗最终产生了大部分的整体限幅效果，而清理阶段则决定了电路的阈值水平和尖峰泄漏。
例如，该电路可以使用1.5微米的清理二极管（如CLA4603-000）和7微米的粗调限幅器（如CLA4607-000）来实现。这些二极管的电容最大为0.2皮法，在10毫安的正向偏置电流下指定的最大电阻为2欧姆。由于粗调二极管的I层明显更厚，因此其结直径可以是清理阶段的两倍，同时仍能保持低电容。这使得粗调阶段的热阻（40°C/W）远低于清理阶段（100°C/W），从而能够处理更大的输入信号。
如果需要限幅器处理非常大的输入信号，可以在限幅器输入端添加第三阶段，与第二个二极管相隔另一个λ/4，现在称之为“中间限幅器”。新的粗调限幅二极管具有比中间阶段限幅器更厚的I层。尖峰泄漏和平坦泄漏仍然是清理限幅器I层厚度的函数，而功率处理和整体隔离则是三极管级联特性的函数。如果需要处理极大的信号，可以在限幅器输入端添加更多阶段，这些阶段的I层越来越厚，且相隔λ/4，但大多数实用的限幅器都设计为3阶或更少。
检波器限幅器
对于可用的最薄I层二极管，其阈值水平大约为7 dBm。即使在这个水平上，一些极其敏感的接收组件也可能因尖峰泄漏能量而损坏。如图8所示，通过向电路中添加肖特基检波二极管和一些无源组件，可以任意降低限幅器的阈值水平。
图8. 两级检波器限幅器
肖特基二极管用作峰值（包络）检波器。它通常通过定向耦合器与限幅器的输出相连。肖特基检波器产生的电流通过射频扼流圈作为偏置电流施加到清理阶段。定向耦合器的耦合系数和肖特基二极管的势垒高度共同决定了该电路的阈值水平，对于大多数实际应用来说，该阈值水平通常在0 dBm范围内。