限幅器,顧名思義,就是起限幅的作用。一般用在接收機(jī)的前端,保護(hù)接收機(jī)。這樣,即使接收端有大功率信號(hào),也不會(huì)造成接收機(jī)的損壞。
但是,要注意的是,限幅器是通過(guò)反射功率來(lái)達(dá)到限幅的作用,所以使用過(guò)程中,要保證被反射的功率不會(huì)對(duì)損壞源端。
作為一個(gè)合格的限幅器,它需要滿(mǎn)足下面特性:
(1)小信號(hào)輸入時(shí),插損小
(2)大信號(hào)輸入時(shí),插損大
(3)限幅速度快,需達(dá)到ns級(jí)
(4)大信號(hào)消失后,快速恢復(fù)到低插損
分類(lèi)
限幅器有集成芯片,也可以用分立PIN管搭建。
》集成芯片
優(yōu)點(diǎn):
(1)使用起來(lái)簡(jiǎn)單,只要會(huì)用就行,不需知道其的具體實(shí)現(xiàn)方式
(2)指標(biāo)性能在器件手冊(cè)上已標(biāo)明,性能有保證
缺點(diǎn):
(1)貴
(2)體積相對(duì)較大,有的還需供電
比如說(shuō),Peregrine半導(dǎo)體的PE45140,響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間為1ns等
優(yōu)點(diǎn):
(1) 尺寸小,無(wú)源器件
(2) 便宜
缺點(diǎn):
(1) 非傻瓜式設(shè)計(jì),需了解其實(shí)現(xiàn)原理
(2) 設(shè)計(jì)完成后,需仔細(xì)測(cè)試,驗(yàn)證其性能
PIN管限幅器
》PIN管限幅器基本電路
(2)電感提供直流回路
(3)放大器的饋電電感選擇原則一致,使其并聯(lián)于通路時(shí),不會(huì)影響帶內(nèi)性能
當(dāng)PIN二極管開(kāi)始限幅時(shí),等價(jià)于傳輸線(xiàn)上有一電阻并聯(lián)到地,這時(shí)輸入至限幅器的功率一部分被反射回源,一部分通過(guò)被輸出負(fù)載吸收,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為限幅狀態(tài)下,PIN管的阻值。
》PIN管架構(gòu)
(1) 包括三層,分別為P層,I層(本征層)和N層。
(2) P層,較薄,電阻較小,mohm級(jí);N層,較厚,電阻較大,ohm級(jí);I層,在P層和N層的中間,電阻與偏置電流成反比,電流越大,電阻越小;
》PIN管工作原理
PIN管偏置為0V,小信號(hào)輸入時(shí),PIN管相當(dāng)于小容值電容。
在射頻大信號(hào)的正半周期內(nèi),微波大電流使載流子從P結(jié)和N結(jié)注入;但在負(fù)半周期內(nèi),并不是所有的載流子都退回,而是有一部分進(jìn)入I區(qū)。經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期后,在I區(qū)形成穩(wěn)態(tài)分部,PIN管和電感之間形成直流回路,在ns級(jí)時(shí)間內(nèi),PIN管形成自偏置,阻抗降低到一個(gè)極低值。這時(shí),PIN管對(duì)輸入大信號(hào)而言,為短路狀態(tài),將大功率信號(hào)反射回源端。
當(dāng)大信號(hào)消失后,PIN管本征層的載流子在ns級(jí)時(shí)間內(nèi)復(fù)合,自偏置電流消失,PIN管電阻變大,允許小信號(hào)通過(guò)。
PIN限幅管一般指標(biāo)
》Rs(PIN限幅管阻值)
PIN管在有正向偏置電流時(shí)的電阻值,影響隔離度以及耗散在PIN管的功率
》門(mén)限電平
(1) 插損比小信號(hào)輸入時(shí)大1dB時(shí),所對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)功率。
(2) 門(mén)限電平的大小,與PIN管本征層的厚度成正比。厚度越厚,門(mén)限電平越大。
(3) 本征層厚度為1um,對(duì)應(yīng)門(mén)限電平為7~10dBm(50ohm系統(tǒng));本征厚度為7~10um,對(duì)應(yīng)門(mén)限電平為20~23dBm(50ohm系統(tǒng))。
》少數(shù)載流子壽命(minority carrier time)
(1) 與PIN管本征層的特性有關(guān)
(2) 少子壽命短,對(duì)應(yīng)限幅器恢復(fù)時(shí)間短
少數(shù)載流子壽命簡(jiǎn)稱(chēng)為少子壽命。在一定溫度下,處于熱平衡的半導(dǎo)體中,電子和空穴數(shù)目是一定的,這些載流子叫平衡載流子,用電能、光能或其他方法,使半導(dǎo)體產(chǎn)生除原平衡載流子之外,還產(chǎn)生了多余的載流子,即少子,這種現(xiàn)象叫注入。這些少子從注入到復(fù)合而消失經(jīng)歷的時(shí)間稱(chēng)為少子壽命。
》結(jié)電容
PIN管的結(jié)電容影響小信號(hào)輸入時(shí),限幅器的插損。
》反向擊穿電壓
(1) 對(duì)于射頻二極管,反向擊穿電壓定義為,反向電流為10uA時(shí),加在管子上的電壓。
(2) 最低額定擊穿電壓(minimumrated breakdown voltage)一般是指能加于二極管的最大反向電壓
參考文獻(xiàn):
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[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