运算放大器：驱动PIN二极管替代方案

开关电路中，每个PIN二极管都有附随的PIN二极管驱动器或开关驱动器，用来提供受控正向偏置电流、反向偏置电压以及控制信号（通常是一个数字逻辑命令）与一个或多个PIN二极管之间的激活接口。根据应用需要，可以采用分立设计或专门IC实现这种驱动器功能。

另一方面，也可以使用随处可得的运算放大器以及钳位放大器、差分放大器等特殊放大器作为备选方案，代替分立PIN二极管驱动电路和昂贵的PIN二极管驱动器IC。此类运算放大器具有宽带宽、高压摆率和充裕的稳态电流，可驱动PIN二极管。本文讨论3种不同的PIN驱动器电路，它们采用运算放大器或特殊放大器：AD8037、AD8137和ADA4858-3。这些电路设计用于单刀双掷(SPDT) PIN二极管开关，但也可以对其进行修改，以适合其他电路配置。在详细说明这些电路之前，本文将先讨论PIN二极管的特性和使用。

PIN二极管
PIN二极管用作电流控制电阻，工作在RF和微波频率，正向偏置（“导通”）时其电阻只有几分之一欧姆，反向偏置（“截止”）时其电阻高达10kΩ以上。与典型的PN结二极管不同，PIN二极管的P区与N区之间多了一层高阻性本征半导体材料（用PIN中的“I”表示），如图1所示。

图1 PIN二极管

当PIN二极管正向偏置时，来自P材料的空穴和来自N材料的电子注入I区。电荷并不能立即完成重新合并；电荷重新合并所需的有限时间量称为“载流子生命周期”。这导致I区中存在净存储电荷，因而其电阻会降至某一个值，称为二极管的有效导通电阻RS（见图2a）。

图2 PIN二极管等效电路：a) 导通，IBIAS >> 0；b) 截止，VBIAS ≤ 0

当施加反向或零偏置电压时，二极管呈现为一个大电阻RP，它与电容CT并联（见图2b）。通过改变二极管几何结构，可以使PIN二极管具有不同的RS和CT组合，以满足各种电路应用和频率范围的需要。

驱动器提供的稳态偏置电流ISS和反向电压共同决定RS和CT的最终值。图3和图4显示了典型PIN二极管系列——M/A-COM MADP 042XX8-13060系列硅二极管的参数关系。二极管材料会影响其特性。例如，砷化镓(GaAs)二极管几乎不需要反向偏置就能实现低CT值，如图9所示。

图3 硅二极管导通电阻与正向电流的关系

图4 硅二极管电容与反向电压的关系

PIN二极管中存储的电荷可以利用公式1进行近似计算。
(1)
其中，QS为存储的电荷；τ为二极管载流子生命周期；ISS为稳态电流。
要导通或截止二极管，必须注入或移除所存储的电荷。驱动器的工作就是以极快的速度注入或移除所存储的电荷。如果开关时间小于二极管的载流子生命周期，则可以利用公式2近似计算实现快速开关所需的峰值电流(IP)。
(2)
其中：t为所需的开关时间；ISS 为驱动器所提供的稳态电流，用来设置PIN二极管导通电阻RS；τ为载流子生命周期。

驱动器注入或移除电流（或“尖峰电流”）i可以表示为公式3。
(3)
其中，C为驱动器输出电容（或“尖峰电容”）的值；V为输出电容上的电压；dv/dt为电容上的电压的时间变化率。

PIN二极管偏置接口
将开关驱动器控制电路与PIN二极管相连，以便通过施加正向或反向偏置来开关二极管，是一项具有挑战性的工作。偏置电路通常使用一个低通滤波器，位于RF电路与开关驱动器之间。图5显示了一个单刀双掷(SPDT)RF开关及其偏置电路。当设置妥当时，滤波器L1/C2和L3/C4允许将控制信号施加于PIN二极管D1–D4，控制信号与RF信号（从RF IN切换至PORT 1或PORT 2）的相互影响极少。这些元件允许频率相对较低的控制信号通过PIN二极管，但会阻止高频信号逃离RF信号路径。不正常的RF能量损耗意味着开关的插入损耗过高。电容C1、C3和C5阻止施加于二极管的直流偏置侵入RF信号路径中的电路。直流接地回路中的电感L2允许直流和低频开关驱动器信号轻松通过，但对于RF和微波频率则会呈现高阻抗，从而降低RF信号损耗。

图5 典型单刀双掷(SPDT)RF开关电路

偏置电路、RF电路和开关驱动器电路全都会发生交互影响彼此的性能，因此像所有设计一样，权衡考虑各种因素十分重要。例如，较大的C2和C4(>20pF)对RF性能有利，但对驱动器则是麻烦，因为大电容会导致上升沿和下降沿较慢。快速开关对大多数应用都有利；因此，为了实现最优驱动器性能，电容必须极小，但为了满足RF电路要求，电容又必须足够大。

传统PIN二极管驱动器
PIN二极管驱动器有各种形状和尺寸。图6给出了一个可提供高开关速度的典型分立开关驱动器的原理图。这种驱动器既可以采用“片线”（混合）结构来实现，也可以采用“表贴”(SMT)器件来实现；前者非常昂贵，后者虽不昂贵，但需要的印刷电路板(PCB)面积多于混合结构。