基于运算放大器的PIN驱动器电路

PIN二极管在重掺杂的P区和N区之间夹有一层轻掺杂的本征区(I)，此类二极管广泛用于射频与微波领域。常见应用是要求高隔离度和低损耗的微波开关、移相器和衰减器。在测试设备、仪器仪表、通信设备、雷达和各种军事应用中，可以发现这类二极管的身影。

　　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箝位放大器、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。本文讨论三种不同的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，以适合其它电路配置。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10 kΩ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（图2a）。

　　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（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 MADP042XX8-130601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。

　　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)。

　　驱动器注入或移除电流（或“尖峰电流”）i可以表示为公式3。