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        [导读]在雷达或无线电接收器中£¬敏感型低噪声放大器 (LNA) 在承受较大的输入信号时必定会发生损坏¡£那么£¬有什么解决方案?

        在雷达或无线电接收器中£¬敏感型低噪声放大器 (LNA) 在承受较大的输入信号时必定会发生损坏¡£那么£¬有什么解决方案?

        本文引用地址: http://www.99155459.com/app/analog/201903/881171.htm

        我们可以利用接收器保护装置限幅器 (RPL) 电路来保护敏感元件¡£RPL电路的“心脏”通常由PIN二极管组成£¬能够保护元件免受大输入信号的影响£¬同时不会对小信号操作造成不利影响¡£

        RPL电路的运行无需外部控制信号¡£?#27515;?#30005;路包含至少一个与信号路径并联的PIN二极管£¬以及一个或多个无源元件£¬例如RF扼流圈电感和直流隔离电容¡£以下是一个简单的(但可能是完整的)RPL电路¡£

         

        1.png

         

        当没有RF输入信号或仅存在有RF小信号?#20445;?#38480;幅器PIN二极管的阻抗特性会达到最大值£¬通常为几百欧姆或以上¡£因此£¬二极管产生非常小的阻抗失配£¬相应地£¬可带来低插入损耗¡£

        当出现大输入信号?#20445;¬RF电压迫使电荷载流子(P层的空穴和N层的电子)进入PIN二极管的I层¡£进入I层后£¬?#26434;?#30005;荷载流子会降低其RF电阻£¬从RPL电路的RF端口?#23884;?#26469;看£¬这产生了阻抗失配¡£

        这?#36136;?#37197;会导致来自输入信号的能量被?#29943;?#33267;?#26434;?#30340;信号源¡£?#29943;?#20449;号与入射信号配合£¬在PIN二极管产生一个电压最小的驻波£¬因为?#29943;?#20449;号在传输线上暂时呈现最低阻抗¡£传输线上的每个最小电压都有一个?#26434;?#30340;最大电流¡£最大电流流经PIN二极管£¬导致二极管I层中的?#26434;?#30005;荷载流子量增加£¬从而产生更低串联电阻¡¢更大阻抗失配以及“更小”的最小电压¡£最后£¬二极管的电阻将达到最小值——该?#31561;?#20915;于PIN二极管的设计和RF信号的幅值¡£RF信号幅值增大?#20445;?#36843;使二极管达到充分导通状态£¬从而进一步降低二极管的电阻£¬直到二极管饱和并产生尽可能的最小电阻¡£由此得到输出功?#35270;?#36755;入功率的对比曲线£¬如下所示¡£

         

        2.jpg

         

        当RF大信号不再出现£¬如果I层中的?#26434;?#30005;荷载流子量较大£¬二极管的电阻则会保持在较低水平(此时插入损耗仍然较大)¡£在RF大信号中断后£¬可以通过两种机?#35780;?#20943;少?#26434;?#30005;荷载流子量£º (1) 在I层外进行电荷传导 (2) 在I层内进行电荷重组¡£

        电荷传导的幅值主要由二极管外部电流通路中的直流电阻决定¡£

        电荷重组的速率则由多个因素决定£¬包括I层中?#26434;?#30005;荷载流子的密度¡¢I层中掺杂原子的浓度和其他电荷俘获点£¬等等¡£考虑到二极管的必要参数£¬PIN二极管可安全处理的RF信号越大£¬其?#25351;?#21040;低插入损耗所需的时间就越长¡£

        因此£¬PIN二极管I层的特性决定了RPL电路的?#38405;Ü¡£I层的厚度(有时称为宽度)则决定了二极管达到极限时的输入功率£ºI层越厚£¬输入参照1dB?#39038;?#32423;别(也称为阈?#23548;?#21035;)就越高¡£I层的厚度¡¢二极管结的面积和二极管的制造材料决定了二极管的电阻¡¢电容以及热阻¡£

        只需一个PIN二极管¡¢一个RF扼流圈电感器和一对直流隔离电容£¬即可实现最简单的PIN RPL电路¡£RF扼流圈电感器对RPL电路的?#38405;?#33267;关重要£¬其主要功能是使PIN二极管的直流电流通路变得完整¡£当大信号迫使电荷载流子进入二极管的I层?#20445;?#20250;在二极管中产生直流电流¡£如果没有为直流电流提供完整路径£¬则不能降低二极管的电阻£¬二极管也不会达到极限¡£直流电流将沿着整流电流的?#36739;?#27969;动£¬但这不是由整流产生的¡£

        在RPL电路中安装扼流圈电感是一件极具挑战性的事£¬因为电感是RPL电路中最不理想的元件¡£基于电感值?#22270;?#29983;绕组间电容的原因£¬所有电感都具有串联和并联谐振¡£因此必须十?#20013;¡Ð模?#30830;保在工作频带内不发生串联谐振¡£?#36865;â£?#24517;须尽量?#35759;?#27969;圈的直流电阻降到最低£¬以缩短RPL电路的?#25351;?#26102;间¡£

        注£º直流隔离电容是可选的¡£只有当输入或输出传输线上出现可能使PIN二极管偏置的直流电压或电流?#20445;?#25165;需要使用直流隔离电容¡£

        ?#36947;?/p>

        假设低噪声放大器 (LNA) 可以承受的最大输入功率为15dBm£¬则要求RPL电路中PIN二极管的I层厚度约为2微米¡£设计人员可根据RF信号频率和小信号插入损耗的可接受最大?#36947;?#30830;定PIN二极管的可接受电容¡£如果设计师假设RPL电路在X波段工作£¬并且可接受的最大插入损耗为0.5dB£¬则可以计算出二极管的最大电容¡£

        可根据以下公式得出并联电容的插入损耗 (IL)(以分贝为单位)£º

         

        3.jpg

        我们可根据公式求解C值£º

        4.jpg

        当f = 12GHz¡¢IL = 0.5dB且Z0 = 50Ω?#20445;¬C = 0.185pF¡£

        得出的电容值与I层厚度共同决定了二极管结的面积¡£

        如果I层较薄并?#21307;?#38754;积较小£¬二极管就会具有相对较高的热阻£¬这样一来£¬只好迫使结温超过其最大额定值175°C£¬才能耗散更多能量¡£通常来说£¬电容为0.185pF的2微米二极管可以安全处理约为30-33dBm的大CW输入信号¡£由于电流流经二极管电阻时会产生焦耳热£¬大信号可能会损坏或即时烧毁二极管¡£

        PIN二极管RPL电路能够为雷达或无线电接收器中的LNA等敏感元件提供可靠的保护£¬保护其不受较大入射信号的影响¡£当RPL应用需要极低的稳态泄漏输出功率和较高的输入功率处理能力?#20445;?#21487;以在RPL电路的输入侧增加额外的二极管级和其他电路增强元件¡£

        如果你正在为RPL应用选择最合适的二极管和电路拓扑£¬MACOM应用工程团队在这里随时为你提供帮助和意见¡£

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