Substrat IC - Rancangan dengan diod: melindungi komponen sensitif

Dalam penerima radar atau radio, penyembah bunyi rendah sensitif (LNAs) pasti akan rosak bila dijalankan isyarat input besar. Jadi, apa penyelesaiannya?

Kita boleh guna sirkuit peranti perlindungan penerima (RPL) untuk melindungi komponen sensitif. "Hati" litar RPL biasanya terdiri dari dioda PIN, yang boleh melindungi komponen dari isyarat input besar tanpa mempengaruhi operasi isyarat kecil.

Operasi sirkuit RPL tidak memerlukan isyarat kawalan luaran. Jenis sirkuit ini mengandungi sekurang-kurangnya satu diod PIN yang disambung secara paralel dengan laluan isyarat, dan satu atau lebih komponen pasif, seperti induktor penyekik RF dan kondensator izolasi DC. Berikut adalah sirkuit RPL sederhana (tetapi mungkin lengkap).

Apabila tiada isyarat input RF atau hanya isyarat RF kecil, karakteristik impedance dioda PIN pembatasan akan mencapai nilai maksimum, biasanya beberapa ratus ohms atau lebih. Oleh itu, dioda menghasilkan ketidaksepadan impedance yang sangat kecil, dan sebaliknya, boleh membawa kerugian penyisihan rendah.

Apabila isyarat input besar muncul, tekanan RF paksa pembawa muatan (lubang dalam lapisan P dan elektron dalam lapisan N) ke dalam lapisan I diod PIN. Selepas memasuki lapisan I, pembawa bebas akan mengurangi perlawanan RF. Dari perspektif port RF sirkuit RPL, ini mencipta ketidaksepadan impedance.

Tidak sepadan ini akan menyebabkan tenaga dari isyarat input diselarang ke sumber isyarat yang sepadan. Isyarat yang terrefleks bekerja sama dengan isyarat insiden untuk menghasilkan gelombang berdiri dengan tegangan yang paling kecil dalam dioda PIN, kerana isyarat terrefleks sementara menghasilkan impedance yang paling rendah pada garis transmisi. Setiap tekanan minimum pada garis pemindahan mempunyai arus maksimum yang sepadan. Semasa maksimum yang mengalir melalui diod PIN mengakibatkan peningkatan jumlah pembawa bebas dalam lapisan diod I, yang mengakibatkan perlawanan siri yang lebih rendah, ketidaksepadan impedance yang lebih besar, dan voltaj minimum "lebih kecil". Pada akhirnya, resistensi dioda akan mencapai nilai minimum-nilai ini bergantung pada desain dioda PIN dan amplitud isyarat RF. Apabila amplitud isyarat RF meningkat, dioda dipaksa mencapai keadaan lengkap konduktif, dengan itu mengurangi perlawanan dioda sehingga dioda ketat dan menghasilkan perlawanan yang paling kecil yang mungkin. Lengkung perbandingan kuasa output dan kuasa input diperoleh, seperti yang dipaparkan di bawah.

Apabila isyarat RF besar tidak lagi muncul, jika jumlah pembawa bebas dalam lapisan I adalah besar, resistensi dioda akan kekal pada tahap rendah (kehilangan penyisipan masih besar pada masa ini). Selepas isyarat RF besar diganggu, dua mekanisme boleh digunakan untuk mengurangi jumlah pembawa bebas: (1) Memuatkan kondukti diluar lapisan I (2) Memuatkan rekombinan dalam lapisan I.

Ukuran kondukti muatan terutamanya ditentukan oleh perlawanan DC dalam laluan semasa diluar dioda.

Kadar rekombinan muatan ditentukan oleh banyak faktor, termasuk densiti pembawa bebas muatan dalam lapisan I, konsentrasi atom doped dalam lapisan I, dan titik perangkap muatan lain, dan sebagainya. Mengingat parameter yang diperlukan dioda, semakin besar isyarat RF yang dioda PIN boleh mengendalikan dengan selamat, semakin lama ia mengambil untuk pulih kepada kehilangan penyisipan rendah.

Oleh itu, ciri-ciri lapisan I dioda PIN menentukan prestasi sirkuit RPL. Ketempatan lapisan I (kadang-kadang dipanggil lebar) menentukan kuasa input apabila dioda mencapai had: semakin tebal lapisan I, semakin tinggi aras pemampatan rujukan input 1dB (juga dipanggil aras ambang). Ketebusan lapisan I, kawasan persatuan dioda dan bahan dioda menentukan resistensi, kapasitasi dan resistensi panas dioda.

Hanya dioda PIN, induktor tersedak RF dan sepasang kondensator izolasi DC diperlukan untuk menyedari sirkuit RPL PIN yang paling mudah. Induktor tersedak RF sangat penting untuk prestasi sirkuit RPL, dan fungsi utamanya ialah menyelesaikan laluan semasa DC dioda PIN. Apabila isyarat besar memaksa pembawa muatan ke dalam lapisan I dioda, arus langsung dijana dalam dioda. Jika laluan lengkap tidak disediakan untuk semasa DC, resistensi dioda tidak boleh dikurangi, dan dioda tidak akan mencapai had. Semasa langsung akan mengalir ke arah semasa yang diperbaiki, tetapi ini tidak disebabkan oleh pembetulan.

Memasang induktor tersedak dalam litar RPL adalah tugas yang sangat mencabar, kerana induktor adalah komponen yang paling tidak diinginkan dalam litar RPL. Berdasarkan nilai induktansi dan kapasitasi diantara pembuluhan parasit, semua induktansi mempunyai siri dan resonansi selari. Oleh itu, perlu dijaga-jaga untuk memastikan tiada resonansi siri berlaku dalam band frekuensi operasi. Selain itu, resistensi DC penyekitan mesti dikurangkan untuk pendek masa pemulihan litar RPL.

Perhatian: Kondensator izolasi DC adalah pilihan. Hanya apabila terdapat tekanan DC atau semasa yang mungkin bias dioda PIN pada garis penghantaran input atau output, kapasitor izolasi DC diperlukan.

Kejadian

Anggap kuasa input maksimum yang boleh ditahan penyampai bunyi rendah (LNA) ialah 15 dBm, tebal lapisan I dioda PIN dalam sirkuit RPL diperlukan sekitar 2 mikron. Penjana boleh menentukan kapasitas yang diterima dioda PIN berdasarkan frekuensi isyarat RF dan nilai maksimum yang diterima kehilangan penyisipan isyarat kecil. Jika desainer menganggap litar RPL berfungsi dalam band-X dan kehilangan penyisihan maksimum yang boleh diterima ialah 0.5dB, maka kapasitasi maksimum dioda boleh dihitung.

Kehilangan penyisipan (IL) (dalam desibel) kondensator shunt boleh dicapai mengikut formula berikut:

Kita boleh selesaikan nilai C mengikut formula:

Apabila f = 12GHz, IL = 0.5dB dan Z0 = 50Ω, C = 0.185pF.

Nilai kapasitasi yang diperoleh bersama dengan tebal lapisan I menentukan kawasan persatuan dioda.

Jika lapisan I lebih tipis dan kawasan persatuan kecil, dioda akan mempunyai perlawanan panas relatif tinggi. Sebagai hasilnya, suhu persimpangan perlu dipaksa untuk melebihi nilai maksimum 175°C untuk menghapuskan lebih banyak tenaga. Secara umum, diod 2 mikron dengan kapasitasi 0.185pF boleh mengendalikan isyarat input CW besar sekitar 30-33dBm dengan selamat. Sejak panas Joule dijana apabila arus semasa melalui perlawanan dioda, isyarat besar boleh rosak atau membakar dioda secara segera.

Sirkuit RPL dioda PIN boleh menyediakan perlindungan yang boleh dipercayai untuk komponen sensitif seperti LNA dalam radar atau penerima radio, dan melindunginya dari pengaruh isyarat insiden yang lebih besar. Apabila aplikasi RPL memerlukan kuasa keluaran kebocoran keadaan tetap yang sangat rendah dan kemampuan pengendalian kuasa input yang lebih tinggi, tahap dioda tambahan dan komponen lain peningkatan sirkuit boleh ditambah ke sisi input sirkuit RPL.

Jika anda memilih topologi dioda dan sirkuit yang paling sesuai untuk aplikasi RPL, pasukan teknik aplikasi MACOM di sini untuk memberikan bantuan dan nasihat pada bila-bila masa.