Substrato IC - Progettazione con diodi: proteggere i componenti sensibili

Nei ricevitori radar o radio, gli amplificatori sensibili a basso rumore (LNA) sono destinati a subire danni se sottoposti a segnali di ingresso di grandi dimensioni. Allora, qual è la soluzione?

Possiamo utilizzare circuiti limitatori del dispositivo di protezione del ricevitore (RPL) per proteggere i componenti sensibili. Il "cuore" del circuito RPL è solitamente composto da diodi PIN, che possono proteggere i componenti dai grandi segnali di ingresso senza influenzare negativamente il funzionamento del piccolo segnale.

Il funzionamento del circuito RPL non richiede segnali di controllo esterni. Questo tipo di circuito comprende almeno un diodo PIN collegato in parallelo al percorso del segnale e uno o più componenti passivi, come gli induttori di strozzatura RF e i condensatori di isolamento CC. Il seguente è un semplice (ma possibilmente completo) circuito RPL.

Quando non c'è segnale di ingresso RF o solo un piccolo segnale RF, la caratteristica di impedenza del diodo PIN limitatore raggiungerà il valore massimo, di solito diverse centinaia di ohm o più. Pertanto, il diodo produce un disallineamento di impedenza molto piccolo e, di conseguenza, può portare bassa perdita di inserzione.

Quando appare un segnale di ingresso grande, la tensione RF costringe i vettori di carica (fori nello strato P e elettroni nello strato N) nello strato I del diodo PIN. Dopo essere entrati nello strato I, i vettori gratuiti ridurranno la sua resistenza RF. Dal punto di vista della porta RF del circuito RPL, questo crea un disallineamento di impedenza.

Questo disallineamento farà sì che l'energia del segnale in ingresso venga riflessa alla sorgente di segnale corrispondente. Il segnale riflesso collabora con il segnale incidente per produrre un'onda standing con la tensione più piccola nel diodo PIN, perché il segnale riflesso presenta temporaneamente l'impedenza più bassa sulla linea di trasmissione. Ogni tensione minima sulla linea di trasmissione ha una corrente massima corrispondente. La corrente massima che scorre attraverso il diodo PIN si traduce in un aumento della quantità di portatori di carica libera nello strato del diodo I, con conseguente minore resistenza di serie, maggiore disallineamento di impedenza e una tensione minima "più piccola". Alla fine, la resistenza del diodo raggiungerà il suo valore minimo: questo valore dipende dal design del diodo PIN e dall'ampiezza del segnale RF. Quando l'ampiezza del segnale RF aumenta, il diodo è costretto a raggiungere uno stato completamente conduttivo, riducendo così ulteriormente la resistenza del diodo fino a quando il diodo satura e produce la più piccola resistenza possibile. Si ottiene così la curva di confronto tra potenza in uscita e potenza in ingresso, come mostrato di seguito.

Quando il grande segnale RF non appare più, se la quantità di vettori di carica libera nello strato I è grande, la resistenza del diodo rimarrà a un livello basso (la perdita di inserzione è ancora grande in questo momento). Dopo che un grande segnale RF è interrotto, due meccanismi possono essere utilizzati per ridurre la quantità di vettori di carica libera: (1) Conduzione di carica al di fuori dello strato I (2) Ricombinazione di carica all'interno dello strato I.

L'ampiezza della conduzione di carica è determinata principalmente dalla resistenza DC nel percorso corrente al di fuori del diodo.

Il tasso di ricombinazione della carica è determinato da molti fattori, tra cui la densità dei vettori di carica libera nello strato I, la concentrazione di atomi dopati nello strato I e altri punti di cattura della carica, e così via. Considerando i parametri necessari del diodo, maggiore è il segnale RF che un diodo PIN può gestire in modo sicuro, più tempo ci vuole per recuperare a bassa perdita di inserzione.

Pertanto, le caratteristiche dello strato I del diodo PIN determinano le prestazioni del circuito RPL. Lo spessore dello strato I (talvolta chiamato larghezza) determina la potenza in ingresso quando il diodo raggiunge il suo limite: più spesso lo strato I, maggiore è il livello di compressione di riferimento di ingresso 1dB (detto anche livello soglia). Lo spessore dello strato I, l'area di giunzione del diodo e il materiale del diodo determinano la resistenza, la capacità e la resistenza termica del diodo.

Solo un diodo PIN, un induttore di strozzatura RF e una coppia di condensatori di isolamento DC sono necessari per realizzare il più semplice circuito PIN RPL. L'induttore di strozzatura RF è molto importante per le prestazioni del circuito RPL e la sua funzione principale è quella di completare il percorso di corrente CC del diodo PIN. Quando un segnale di grandi dimensioni carica vettori nello strato I del diodo, nel diodo viene generata una corrente continua. Se non è previsto un percorso completo per la corrente DC, la resistenza del diodo non può essere ridotta e il diodo non raggiungerà il suo limite. La corrente continua fluirà nella direzione della corrente rettificata, ma questo non è causato dalla rettifica.

L'installazione di induttori strozzatori nei circuiti RPL è un compito molto impegnativo, perché gli induttori sono i componenti più indesiderabili nei circuiti RPL. Sulla base del valore di induttanza e della capacità tra gli avvolgimenti parassitari, tutte le induttanze hanno risonanze serie e parallele. Pertanto, è necessario fare molta attenzione per garantire che non si verifichi alcuna risonanza di serie nella banda di frequenza operativa. Inoltre, la resistenza DC del choke deve essere minimizzata per accorciare il tempo di recupero del circuito RPL.

Nota: Il condensatore di isolamento DC è opzionale. Solo quando c'è una tensione o corrente CC che può distorcere il diodo PIN sulla linea di trasmissione in ingresso o in uscita, è necessario un condensatore di isolamento CC.

Istanza

Supponendo che la potenza massima di ingresso che l'amplificatore a basso rumore (LNA) può sopportare sia di 15 dBm, lo spessore dello strato I del diodo PIN nel circuito RPL deve essere di circa 2 micron. Il progettista può determinare la capacità accettabile del diodo PIN basato sulla frequenza del segnale RF e sul valore massimo accettabile della piccola perdita di inserimento del segnale. Se il progettista presume che il circuito RPL funzioni nella banda X e la perdita di inserimento massima accettabile è 0,5dB, allora la capacità massima del diodo può essere calcolata.

La perdita di inserimento (IL) (in decibel) del condensatore shunt può essere ottenuta secondo la seguente formula:

Possiamo risolvere il valore C secondo la formula:

Quando f = 12GHz, IL = 0,5dB e Z0 = 50Ω, C = 0,185pF.

Il valore di capacità ottenuto insieme allo spessore dello strato I determina l'area di giunzione del diodo.

Se lo strato I è più sottile e l'area di giunzione è piccola, il diodo avrà una resistenza termica relativamente elevata. Di conseguenza, la temperatura di giunzione deve essere costretta a superare la sua potenza massima di 175°C per dissipare più energia. In generale, un diodo a 2 micron con una capacità di 0.185pF può gestire in modo sicuro un grande segnale di ingresso CW di circa 30-33dBm. Poiché il calore Joule viene generato quando la corrente scorre attraverso la resistenza del diodo, un grande segnale può danneggiare o bruciare il diodo istantaneamente.

Il circuito RPL del diodo PIN può fornire una protezione affidabile per componenti sensibili come il LNA nel radar o nel ricevitore radio e proteggerlo dall'influenza di segnali incidenti più grandi. Quando le applicazioni RPL richiedono una potenza di uscita di perdita allo stato stazionario estremamente bassa e maggiori capacità di gestione della potenza in ingresso, ulteriori stadi del diodo e altri componenti di miglioramento del circuito possono essere aggiunti al lato in ingresso del circuito RPL.

Se state scegliendo la topologia dei diodi e dei circuiti più adatta per le applicazioni RPL, il team di ingegneria delle applicazioni MACOM è qui per fornirvi assistenza e consulenza in qualsiasi momento.