Подложка ИС - конструкция диода: чувствительный элемент защиты

В радиолокационных или радиоприемных устройствах чувствительные малошумящие усилители (МШУ) могут быть повреждены при воздействии больших входных сигналов. Каково же решение?

Для защиты чувствительных компонентов мы можем использовать схемы ограничителей устройств защиты приемника (RPL).Сердцем" схемы RPL обычно служат PIN-диоды, которые способны защитить компоненты от больших входных сигналов, не оказывая негативного влияния на работу с малыми сигналами.

Работа RPL-схемы не требует внешних управляющих сигналов. Схема этого типа включает по крайней мере один PIN-диод, подключенный параллельно сигнальному тракту, и один или несколько пассивных компонентов, таких как дроссельные индуктивности ВЧ и разделительные конденсаторы постоянного тока. Ниже приведена простая (но, возможно, полная) схема RPL.

При отсутствии входного ВЧ-сигнала или при малом его уровне импедансная характеристика ограничительного PIN-диода достигает максимального значения, обычно несколько сотен Ом и более. Поэтому диод создает очень малое рассогласование импедансов и, соответственно, может обеспечить низкие вносимые потери.

При появлении большого входного сигнала ВЧ-напряжение заставляет носители заряда (дырки в P-слое и электроны в N-слое) попадать в I-слой PIN-диода. После попадания в I слой свободные носители заряда будут уменьшать его ВЧ-сопротивление. С точки зрения ВЧ-порта схемы RPL это создает рассогласование импедансов.

Это рассогласование приводит к отражению энергии входного сигнала на соответствующий источник сигнала. Отраженный сигнал взаимодействует с падающим сигналом, создавая стоячую волну с наименьшим напряжением на PIN-диоде, поскольку отраженный сигнал временно представляет собой наименьший импеданс на линии передачи. Каждому минимальному напряжению на линии передачи соответствует максимальный ток. Максимальный ток, протекающий через PIN-диод, приводит к увеличению количества свободных носителей заряда в I слое диода, что приводит к уменьшению последовательного сопротивления, увеличению рассогласования импедансов и "уменьшению" минимального напряжения. В конечном итоге сопротивление диода достигнет своего минимального значения, которое зависит от конструкции PIN-диода и амплитуды ВЧ-сигнала. При увеличении амплитуды ВЧ-сигнала диод вынужден переходить в полностью проводящее состояние, тем самым еще больше уменьшая сопротивление диода, пока диод не насытится и не создаст минимально возможное сопротивление. Таким образом, получается кривая сравнения выходной и входной мощности, как показано ниже.

После прекращения подачи большого ВЧ-сигнала, если количество свободных носителей заряда в слое I велико, сопротивление диода будет оставаться на низком уровне (вносимые потери в это время все еще велики). После прерывания большого ВЧ-сигнала для уменьшения количества свободных носителей заряда могут использоваться два механизма: (1) проведение заряда за пределы I слоя (2) рекомбинация заряда внутри I слоя.

Величина проводимости заряда в основном определяется сопротивлением постоянному току в токопроводе вне диода.

Скорость рекомбинации заряда определяется многими факторами, в том числе плотностью свободных носителей заряда в I слое, концентрацией легированных атомов в I слое, другими точками захвата заряда и т.д. С учетом необходимых параметров диода, чем больше ВЧ-сигнал, с которым может безопасно работать PIN-диод, тем больше времени ему требуется для восстановления низких вносимых потерь.

Поэтому характеристики I-слоя PIN-диода определяют производительность схемы RPL. Толщина I-слоя (иногда называемая шириной) определяет входную мощность, когда диод достигает своего предела: чем толще I-слой, тем выше входной опорный уровень сжатия 1 дБ (также называемый пороговым уровнем). Толщина I-слоя, площадь диодного перехода и материал диода определяют сопротивление, емкость и тепловое сопротивление диода.

Для реализации простейшей схемы PIN RPL необходимы только PIN-диод, дроссельный ВЧ-индуктор и пара разделительных конденсаторов постоянного тока. ВЧ дроссель очень важен для работы схемы RPL, его основная функция - завершение пути постоянного тока PIN-диода. Когда большой сигнал загоняет носители заряда в I слой диода, в нем возникает постоянный ток. Если не обеспечить полный путь для постоянного тока, то сопротивление диода не может быть уменьшено, и диод не достигнет своего предела. Постоянный ток будет протекать в направлении выпрямленного тока, но это не связано с выпрямлением.

Установка дроссельных индуктивностей в RPL-схемах - очень сложная задача, поскольку индуктивности являются наиболее нежелательными компонентами в RPL-схемах. Исходя из величины индуктивности и емкости между паразитными обмотками, все индуктивности имеют последовательный и параллельный резонансы. Поэтому необходимо тщательно следить за тем, чтобы в рабочей полосе частот не возникало последовательного резонанса. Кроме того, сопротивление дросселя по постоянному току должно быть минимальным, чтобы сократить время восстановления схемы RPL.

Примечание: Разделительный конденсатор постоянного тока является необязательным. Только при наличии постоянного напряжения или тока, которые могут смещать PIN-диод на входной или выходной линии передачи, требуется разделительный конденсатор постоянного тока.

Пример

Если предположить, что максимальная входная мощность, которую может выдержать малошумящий усилитель (МШУ), составляет 15 дБм, то толщина I слоя PIN-диода в схеме RPL должна составлять около 2 мкм. Разработчик может определить допустимую емкость PIN-диода, исходя из частоты ВЧ-сигнала и допустимого максимального значения вносимых потерь малого сигнала. Если разработчик предполагает, что схема RPL работает в X-диапазоне, а допустимое максимальное значение вносимых потерь составляет 0,5 дБ, то можно рассчитать максимальную емкость диода.

Вносимые потери (IL) (в децибелах) шунтирующего конденсатора можно получить по следующей формуле:

Значение C можно определить по формуле:

При f = 12 ГГц, IL = 0,5 дБ и Z0 = 50Ω, C = 0,185 пФ.

Полученное значение емкости вместе с толщиной I-слоя определяет площадь диодного перехода.

Если толщина I-слоя меньше, а площадь спая мала, то диод будет иметь относительно высокое тепловое сопротивление. В результате для рассеивания большей энергии приходится принудительно повышать температуру спая выше максимального номинала, равного 175°C. Вообще говоря, диод диаметром 2 мкм и емкостью 0,185 пФ может безопасно работать с большим входным сигналом КСВ порядка 30-33 дБм. Поскольку при протекании тока через сопротивление диода выделяется джоулево тепло, большой сигнал может мгновенно повредить или сжечь диод.

Схема РПЛ на PIN-диоде может обеспечить надежную защиту чувствительных компонентов, таких как МШУ в радиолокационном или радиоприемном устройстве, и защитить их от воздействия больших падающих сигналов. Если для применения RPL требуется чрезвычайно низкая выходная мощность утечки в установившемся режиме и более высокие возможности по обработке входной мощности, то на вход схемы РПЛ канал могут быть добавлены дополнительные диодные каскады и другие компоненты для улучшения схемы.

Если вы выбираете наиболее подходящий диод и топологию схемы для RPL-приложений, специалисты по разработке приложений MACOM готовы в любое время оказать вам помощь и дать совет.