前言
限幅器,顾名思义,就是起限幅的作用。一般用在接收机的前端,保护接收机。这样,即使接收端有大功率信号,也不会造成接收机的损坏。
但是,要注意的是,限幅器是通过反射功率来达到限幅的作用,所以使用过程中,要保证被反射的功率不会对损坏源端。
作为一个合格的限幅器,它需要满足下面特性:
(1)小信号输入时,插损小
(2)大信号输入时,插损大
(3)限幅速度快,需达到ns级
(4)大信号消失后,快速恢复到低插损
分类
限幅器有集成芯片,也可以用分立PIN管搭建。
》集成芯片
优点:
(1)使用起来简单,只要会用就行,不需知道其的具体实现方式
(2)指标性能在器件手册上已标明,性能有保证
缺点:
(1)贵
(2)体积相对较大,有的还需供电
比如说,Peregrine半导体的PE45140,响应和恢复时间为1ns等
优点:
(1) 尺寸小,无源器件
(2) 便宜
缺点:
(1) 非傻瓜式设计,需了解其实现原理
(2) 设计完成后,需仔细测试,验证其性能
PIN管限幅器
》PIN管限幅器基本电路
(2)电感提供直流回路
(3)放大器的馈电电感选择原则一致,使其并联于通路时,不会影响带内性能
当PIN二极管开始限幅时,等价于传输线上有一电阻并联到地,这时输入至限幅器的功率一部分被反射回源,一部分通过被输出负载吸收,一部分被PIN管吸收。其中,被PIN管吸收的功率即是PIN管耗散的功率:
其中,Rs为限幅状态下,PIN管的阻值。
》PIN管架构
(1) 包括三层,分别为P层,I层(本征层)和N层。
(2) P层,较薄,电阻较小,mohm级;N层,较厚,电阻较大,ohm级;I层,在P层和N层的中间,电阻与偏置电流成反比,电流越大,电阻越小;
》PIN管工作原理
PIN管偏置为0V,小信号输入时,PIN管相当于小容值电容。
在射频大信号的正半周期内,微波大电流使载流子从P结和N结注入;但在负半周期内,并不是所有的载流子都退回,而是有一部分进入I区。经过几个周期后,在I区形成稳态分部,PIN管和电感之间形成直流回路,在ns级时间内,PIN管形成自偏置,阻抗降低到一个极低值。这时,PIN管对输入大信号而言,为短路状态,将大功率信号反射回源端。
当大信号消失后,PIN管本征层的载流子在ns级时间内复合,自偏置电流消失,PIN管电阻变大,允许小信号通过。
PIN限幅管一般指标
》Rs(PIN限幅管阻值)
PIN管在有正向偏置电流时的电阻值,影响隔离度以及耗散在PIN管的功率
》门限电平
(1) 插损比小信号输入时大1dB时,所对应的输入信号功率。
(2) 门限电平的大小,与PIN管本征层的厚度成正比。厚度越厚,门限电平越大。
(3) 本征层厚度为1um,对应门限电平为7~10dBm(50ohm系统);本征厚度为7~10um,对应门限电平为20~23dBm(50ohm系统)。
》少数载流子寿命(minority carrier time)
(1) 与PIN管本征层的特性有关
(2) 少子寿命短,对应限幅器恢复时间短
少数载流子寿命简称为少子寿命。在一定温度下,处于热平衡的半导体中,电子和空穴数目是一定的,这些载流子叫平衡载流子,用电能、光能或其他方法,使半导体产生除原平衡载流子之外,还产生了多余的载流子,即少子,这种现象叫注入。这些少子从注入到复合而消失经历的时间称为少子寿命。
》结电容
PIN管的结电容影响小信号输入时,限幅器的插损。
》反向击穿电压
(1) 对于射频二极管,反向击穿电压定义为,反向电流为10uA时,加在管子上的电压。
(2) 最低额定击穿电压(minimumrated breakdown voltage)一般是指能加于二极管的最大反向电压
参考文献:
[1] Avago Application Note 1050:Low CostSurface Mount Power Limiters
[2] Avago HSMP-382x,482x_Surface MountRF PIN Switch and Limiter Diodes
[3]Skyworks Application note: PINLimiter Diodes in Receiver Protectors
[4] MicroSemi PIN Diode Fundamentals
[5] Skyworks Application note:PINlimiter Diodes in Receiver Protectors
[6] L3 Narda-MITEQ PIN Diode ControlProducts