Substrat De Boîtier IC - Conception de Diode: protège les éléments sensibles

Dans un radar ou un récepteur radio, un amplificateur sensible à faible bruit (LNA) est nécessairement endommagé lorsqu'il est soumis à un signal d'entrée important. Alors, quelle est la solution?

Nous pouvons utiliser un circuit RPL (Receiver Protection Device limitor) pour protéger les composants sensibles. Le « cœur» d'un circuit RPL est généralement constitué d'une diode pin qui peut protéger les éléments contre les signaux d'entrée importants sans nuire au fonctionnement des petits signaux.

Le fonctionnement du circuit RPL ne nécessite aucun signal de commande externe. Un tel circuit comprend au moins une diode pin en parallèle sur le trajet du signal, et un ou plusieurs composants passifs tels qu'une inductance de self RF et un condensateur d'isolation DC. Voici un circuit RPL simple (mais probablement complet).

Lorsqu'il n'y a pas de signal d'entrée RF ou seulement un petit Signal RF, les caractéristiques d'impédance de la diode pin du limiteur seront maximales, typiquement de quelques centaines d'ohms ou plus. Les diodes génèrent donc une très faible désadaptation d'impédance et peuvent donc apporter de faibles pertes d'insertion.

Lorsqu'un signal d'entrée important apparaît, la tension RF force les porteurs de charge (trous dans la couche P et électrons dans la couche n) dans la couche I de la diode pin. Après l'entrée dans la couche I, les porteurs de charge libres vont diminuer leur résistance RF. Du point de vue du port RF du circuit RPL, cela crée un décalage d'impédance.

Cette désadaptation provoquera la réflexion de l'énergie du signal d'entrée vers la source de signal correspondante. Le signal réfléchi agit en synergie avec le signal incident pour produire une onde stationnaire de tension minimale dans la diode pin, car le signal réfléchi présente temporairement l'impédance la plus faible sur la ligne de transmission. Chaque tension minimale sur la ligne de transmission a un courant maximal respectif. Le courant maximal circulant dans la diode pin entraîne une augmentation du nombre de porteurs de charge libres dans la couche de Diode I, ce qui entraîne une résistance série plus faible, une désadaptation d'impédance plus importante et une tension minimale "plus faible". Finalement, la résistance de la diode atteindra sa valeur minimale, qui dépend de la conception de la diode pin et de l'amplitude du Signal RF. Lorsque l'amplitude du Signal RF augmente, la diode est forcée d'atteindre l'état de conduction complète, ce qui diminue encore la résistance de la diode jusqu'à saturation de celle - ci et création d'une résistance aussi faible que possible. On obtient ainsi une courbe de comparaison de la puissance de sortie et de la puissance d'entrée, illustrée ci - après.

Lorsqu'un signal RF important n'apparaît plus, si la quantité de porteurs de charge libres dans la couche I est importante, la résistance de la diode reste à un niveau bas (les pertes d'insertion sont encore importantes à ce stade). Après une interruption importante du Signal RF, deux mécanismes peuvent être utilisés pour réduire le nombre de porteurs de charge libres: (1) conduction de charge à l'extérieur de la couche I (2) recombinaison de charge à l'intérieur de la couche I.

L'importance de la conduction de charge est principalement déterminée par la résistance continue dans le trajet de courant extérieur à la Diode.

La vitesse de recombinaison des charges est déterminée par un certain nombre de facteurs, notamment la densité de porteurs de charge libres dans la couche I, la concentration d'atomes dopés dans la couche I, ainsi que d'autres points de capture de charge, etc. compte tenu des paramètres nécessaires de la diode, plus le signal RF que la diode pin peut traiter en toute sécurité est important, plus il faudra de temps pour revenir à de faibles pertes d'insertion.

Les caractéristiques de la couche I de la diode pin déterminent donc les performances du circuit RPL. L'épaisseur (parfois appelée largeur) de la couche I détermine la puissance d'entrée lorsque la diode atteint sa limite: plus la couche I est épaisse, plus le niveau de compression de référence d'entrée de 1 DB (également appelé niveau seuil) est élevé. L'épaisseur de la couche I, la surface de la jonction de la diode et le matériau de la diode déterminent la résistance, la capacité et la résistance thermique de la Diode.

Il suffit d'une diode pin, d'une inductance de self RF et d'une paire de condensateurs d'isolation DC pour réaliser le circuit RPL pin le plus simple. L'inductance de self RF est très importante pour la performance du circuit RPL et sa fonction principale est de compléter le passage en courant continu de la diode pin. Lorsqu'un signal important Force des porteurs de charge dans la couche I de la diode, un courant continu est généré dans la Diode. Sans un chemin complet pour le courant continu, la résistance de la diode ne peut pas être réduite et la diode n'atteint pas ses limites. Le courant continu circulera dans le sens du courant redressé, mais cela n'est pas causé par le redressement.

L'installation d'une inductance d'étranglement dans un circuit RPL est une tâche très difficile, car l'inductance est le composant le moins nécessaire pour un circuit RPL. Toutes les inductances ont une résonance série et parallèle basée sur la valeur de l'inductance et la capacité entre les enroulements parasites. Il faut donc veiller très soigneusement à ce qu'aucune résonance en série ne se produise dans la bande de fréquence de fonctionnement. De plus, la résistance continue de la Self doit être minimisée pour réduire le temps de récupération du circuit RPL.

Remarque: les condensateurs d'isolation DC sont facultatifs. Un condensateur d'isolation en courant continu n'est nécessaire que s'il existe sur la ligne de transmission d'entrée ou de sortie une tension ou un courant continu susceptible de polariser la diode pin.

Exemples

En supposant que la puissance d'entrée maximale que peut supporter un amplificateur à faible bruit (LNA) est de 15 DBM, l'épaisseur de la couche I de la diode pin dans le circuit RPL doit être d'environ 2 microns. Le concepteur peut déterminer la capacité acceptable d'une diode pin à partir d'un maximum acceptable de la fréquence du Signal RF et de petites pertes d'insertion de signal. Si le concepteur suppose que le circuit RPL fonctionne dans la bande X et que la perte d'insertion maximale acceptable est de 0,5 DB, la capacité maximale de la diode peut être calculée.

La perte d'insertion (il) d'un condensateur parallèle (en décibels) peut être obtenue selon la formule suivante:

Nous pouvons résoudre la valeur de C selon la formule suivante:

C = 0185 PF lorsque f = 12 GHz, il = 0,5 DB et Z0 = 50.

La valeur de la capacité obtenue avec l'épaisseur de la couche I détermine l'aire de la jonction de Diode.

Si la couche I est mince et que la zone de jonction est petite, la diode aura une résistance thermique relativement élevée. Pour consommer plus d'énergie, il est donc nécessaire de forcer la température de jonction au - delà de sa valeur nominale maximale de 175°C. D'une manière générale, une diode de 2 microns d'une capacité de 0185 PF peut traiter en toute sécurité de gros signaux d'entrée CW de l'ordre de 30 - 33 DBM. Étant donné que la chaleur Joule se produit lorsque le courant circule à travers la résistance de la diode, un signal important peut immédiatement endommager ou brûler la Diode.

Les circuits RPL à diodes pin peuvent fournir une protection fiable aux composants sensibles tels que les LNA dans les radars ou les récepteurs radio et les protéger contre les signaux incidents plus importants. Des étages de diodes supplémentaires et d'autres composants d'amélioration de circuit peuvent être ajoutés à l'entrée du circuit RPL lorsque les applications RPL nécessitent une puissance de sortie de fuite stable extrêmement faible et une puissance de traitement d'entrée plus élevée.

Si vous choisissez la topologie de Diode et de circuit la plus appropriée pour votre application RPL, l'équipe d'ingénierie d'application Macom est à votre disposition pour vous aider et vous conseiller.