IC 기판 - 다이오드 설계: 민감한 부품 보호

레이더나 무선 수신기에서 민감한 저소음증폭기(LNA)는 큰 입력 신호를 받으면 손상될 수밖에 없다.그렇다면 솔루션은 무엇일까요?

수신기 보호 장치 제한기(RPL) 회로를 사용하여 민감한 부품을 보호할 수 있습니다.일반적으로 PIN 다이오드로 구성된 RPL 회로의 "심장"은 작은 신호 작동에 악영향을 주지 않고 큰 입력 신호로부터 컴포넌트를 보호합니다.

RPL 회로의 작동에는 외부 제어 신호가 필요하지 않습니다.이 유형의 회로에는 신호 경로와 병렬로 연결된 하나 이상의 PIN 다이오드와 RF 흐름 감지기 및 DC 격리 콘덴서와 같은 하나 이상의 소스 없는 부품이 포함됩니다.다음은 간단하지만 전체 RPL 회로입니다.

RF 입력 신호가 없거나 작은 RF 신호만 있을 때 제한기 PIN 다이오드의 임피던스 특성은 최대 값에 도달하며 일반적으로 수백 옴 이상입니다.따라서 다이오드는 매우 작은 임피던스 미스매치를 생성하기 때문에 낮은 삽입 손실을 가져올 수 있습니다.

큰 입력 신호가 나타나면 RF 전압은 PIN 다이오드의 I 층으로 전하 하중 유자 (P 층의 빈 구멍과 N 층의 전자) 를 강제로 진입시킵니다.I-레이어에 진입하면 자유 전하 하중은 RF 저항을 낮춥니다.이는 RPL 회로의 RF 포트 측면에서 임피던스 미스매치를 발생시킵니다.

이러한 미스매치는 입력 신호에서 오는 에너지가 해당 신호원으로 반사됩니다.반사 신호는 전송 라인에서 일시적으로 최소 임피던스를 나타내기 때문에 PIN 다이오드에서 최소 전압을 가진 주파수를 생성하기 위해 입사 신호와 협력합니다.전송선의 각 최소 전압에는 해당 최대 전류가 있습니다.PIN 다이오드를 흐르는 최대 전류는 다이오드 I층에서 자유전하 하중 유자의 수를 증가시켜 더 낮은 직렬 저항, 더 큰 임피던스 미스매치, 더 작은"최소 전압을 초래한다.결국 다이오드의 저항은 PIN 다이오드의 설계와 RF 신호의 폭에 따라 최소값에 도달합니다.RF 신호의 폭이 증가하면 다이오드는 완전히 전달 상태에 도달해야하므로 다이오드가 포화되고 가능한 한 작은 저항이 발생할 때까지 다이오드의 저항을 더 낮춥니다.이렇게 하면 다음과 같이 출력과 입력력의 비교 곡선을 얻을 수 있습니다.

큰 RF 신호가 더 이상 나타나지 않을 때 I층의 자유 전하 하중 유자의 양이 크면 다이오드의 저항은 낮은 레벨로 유지됩니다 (이때 삽입 손실은 여전히 큽니다).큰 RF 신호가 중단되면 두 가지 메커니즘을 사용하여 자유 전하 하중 유자의 양을 줄일 수 있습니다: (1) I 층 밖의 전하 전도 (2) I 층 내의 전하 복합.

전하 전도의 크기는 주로 다이오드 외부 전류 경로의 직류 저항에 의해 결정된다.

전하 복합속도는 I층에 있는 자유전하 하중류자의 밀도, I층에 섞인 원자의 농도, 기타 전하 포획점 등 여러 요인에 의해 결정된다. PIN 다이오드는 다이오드의 필수 매개변수를 고려할 때 안전하게 처리할 수 있는 RF 신호가 클수록 낮은 삽입 손실로 회복하는 데 걸리는 시간이 길어진다.

따라서 PIN 다이오드의 I 레이어의 특성이 RPL 회로의 성능을 결정합니다.I 레이어의 두께 (때로는 폭이라고도 함) 는 다이오드가 한계에 도달했을 때의 입력 전력을 결정합니다. I 레이어가 두꺼울수록 입력 참조 1dB 압축 수준 (임계값 수평이라고도 함) 이 높습니다.I층의 두께, 다이오드 매듭의 면적과 다이오드의 재료는 다이오드의 저항, 용량과 열저항을 결정한다.

하나의 PIN 다이오드, 하나의 RF AC 센서 및 한 쌍의 DC 격리 콘덴서만으로 가장 간단한 PIN RPL 회로를 구현할 수 있습니다.무선 주파수 압류 전감은 PIN 다이오드의 직류 전류 통로를 완성하는 것이 주요 기능인 RPL 회로의 성능에 매우 중요하다.큰 신호가 전하 하중을 이극관의 I층에 들어가게 할 때 이극관에서 직류전기가 발생한다.직류 전류에 완전한 경로를 제공하지 않으면 다이오드의 저항은 낮출 수 없고 다이오드는 그 한계에 도달할 수 없다.직류 전류는 정류 전류의 방향을 따라 흐르지만 이것은 정류로 인한 것이 아니다.

RPL 회로에 감압을 설치하는 것은 RPL 회로에서 가장 불필요한 부품이기 때문에 매우 도전적인 작업입니다.기생권선 사이의 전감값과 용량을 바탕으로 모든 전감은 직렬과 병렬 공명을 가지고 있다.따라서 작업 대역에서 직렬 공명이 발생하지 않도록 주의해야 합니다.또한 롤링 코일의 직류 저항을 최소화하여 RPL 회로의 복구 시간을 단축해야합니다.

참고: DC 격리 콘덴서는 선택 사항입니다.직류 격리 콘덴서는 PIN 다이오드를 오프셋할 수 있는 직류 전압이나 전류가 입력 또는 출력 전송선에 존재할 경우에만 필요합니다.

예제

저소음증폭기(LNA)가 감당할 수 있는 최대 입력 전력이 15dBm라고 가정하면 RPL 회로의 PIN 다이오드의 I층 두께는 약 2㎛가 필요하다.설계자는 RF 신호 주파수와 작은 신호 삽입 손실의 수용 가능한 최대치를 기반으로 PIN 다이오드의 수용 가능한 용량을 결정할 수 있습니다.설계자가 RPL 회로가 X-밴드에서 작동하고 허용 가능한 최대 삽입 손실이 0.5dB라고 가정하면 다이오드의 최대 용량을 계산할 수 있습니다.

병렬 콘덴서의 삽입 손실(IL)은 다음 공식에 따라 얻을 수 있습니다.

우리는 다음 공식에 따라 C 값을 구할 수 있습니다.

f=12GHz, IL=0.5dB, Z0=50일 경우 C=0.185pF.

I층의 두께와 함께 얻은 커패시터 값은 다이오드 매듭의 면적을 결정한다.

I층이 얇고 결합 면적이 작으면 다이오드는 상대적으로 높은 열 저항을 갖게 됩니다.따라서 더 많은 에너지를 소비하기 위해서는 매듭 온도가 최대 정격 인 175 ° C를 초과해야합니다.일반적으로 용량이 0.185pF인 2마이크로미터 다이오드는 약 30-33dBm의 큰 CW 입력 신호를 안전하게 처리할 수 있다.전류가 다이오드 저항을 통과할 때 코크스열이 발생하기 때문에 큰 신호는 즉시 다이오드를 손상시키거나 태울 수 있다.

PIN 다이오드 RPL 회로는 레이더나 무선 수신기의 LNA와 같은 민감한 부품에 신뢰할 수 있는 보호를 제공하고 큰 입사 신호로부터 보호할 수 있다.RPL 응용 프로그램이 매우 낮은 안정적인 누출 출력과 더 높은 입력 출력 처리 능력을 필요로 할 때, RPL 회로의 입력 측면에 추가 다이오드 레벨과 기타 회로 강화 부품을 추가할 수 있다.

RPL 애플리케이션에 가장 적합한 다이오드 및 회로 토폴로지를 선택하는 경우 MACOM 애플리케이션 엔지니어링 팀이 언제든지 도움을 주고 권장합니다.