如何降低肖特基PIN限幅器損耗

介紹

無(wú)線通信接收器前端可能會(huì)因同步或異步信號(hào)傳輸形成過(guò)載[1],在時(shí)域雙工系統(tǒng)中，交換器或循環(huán)器連接端口間的非完美隔離會(huì)造成前者，后者則由兩個(gè)未相關(guān)系統(tǒng)天線間造成的非故意耦合產(chǎn)生，在核磁共振(NMR, Nuclear Magnetic Resonance)接收器中，另一個(gè)造成過(guò)載的原因?yàn)榘l(fā)出刺激脈沖后探針線圈上儲(chǔ)存能量所帶來(lái)的振鈴信號(hào)[2],縮小低噪聲放大器(LNA, Low Noise Amplifier)器件尺寸的作法雖然可以改善射頻性能，但卻會(huì)犧牲過(guò)載的承受能力，例如采用0.25μm pHEMT技術(shù)400μm和800μm低噪聲放大器的最高輸入功率PiMAX分別為7dBm[3]和10dBm[4],過(guò)載會(huì)影響到硬件和承載的信息，太大的過(guò)度驅(qū)動(dòng)會(huì)因跨接導(dǎo)線/金屬化保險(xiǎn)絲失效或晶體管結(jié)熔化造成器件故障，因過(guò)度驅(qū)動(dòng)所造成的柵極電流快速增加[5]也會(huì)因金屬變化而縮短器件壽命[6],除此之外，長(zhǎng)時(shí)間暴露在微小過(guò)載情況下也會(huì)造成器件輸出功率[7]或第三階輸出截點(diǎn)[8]的劣化，NMR核磁共振接收器則會(huì)因前端接收器逐漸由飽和恢復(fù)的停滯時(shí)間(dead-time)而漏失關(guān)鍵信息。

限幅器通過(guò)允許低于特定水平的射頻信號(hào)通過(guò)，并大幅度衰減超過(guò)閥值的較大信號(hào)來(lái)避免過(guò)載，最簡(jiǎn)單的限幅器電路包含一個(gè)PIN二級(jí)管以及作為直流返回路徑的并聯(lián)電感，也就是所謂的自偏壓限幅器[9-10],但這個(gè)作法的閥值比許多低噪聲放大器的過(guò)載限制更高，在基本PIN限幅二級(jí)管上并聯(lián)肖特基二級(jí)管，也就是肖特基強(qiáng)化PIN限幅器可以降低限制閥值約10dB[11],主要原因是肖特基二級(jí)管較低的導(dǎo)通電壓。

由于限幅器必須安排在接收器增益電路的前端才有效，因此它的小信號(hào)插入損耗會(huì)對(duì)整體噪聲系數(shù)造成相同dB單位的增加，插入損耗主要來(lái)自于二級(jí)管寄生電容對(duì)傳輸線造成的負(fù)載，在過(guò)去，微波限幅器使用裸二級(jí)管芯片制造，但現(xiàn)代大量生產(chǎn)的限幅器二級(jí)管則使用會(huì)大幅度增加電容的塑料封裝，另外，肖特基強(qiáng)化PIN限幅器中的額外二級(jí)管也會(huì)帶來(lái)比僅PIN二級(jí)管限幅器更大的損耗。

圖1:肖特基強(qiáng)化PIN限幅器的常見(jiàn)電路安排和它的小信號(hào)等效電路。

去除限幅器二級(jí)管電容問(wèn)題的急迫性可以由許多被提出的解決方案中看出，二級(jí)管堆?？梢越档碗娙?，但卻帶來(lái)了較高的導(dǎo)通閥值[12],盡管使用平頂結(jié)構(gòu)來(lái)移除部分PIN結(jié)區(qū)可以降低寄生電容，但卻大幅度增加了二級(jí)管的轉(zhuǎn)換熱阻[13],另一方面，肖特基二級(jí)管可以通過(guò)高阻抗1/4波長(zhǎng)傳輸線[14]或指向性耦合器[15-16]來(lái)由射頻路徑隔離，不過(guò)這些無(wú)源器件會(huì)增加成本和體積。電容性負(fù)載可以通過(guò)連接二級(jí)管到較低阻抗(12.5Ω)的節(jié)點(diǎn)降低，但卻需要降壓和升壓變壓器[17].為了降低這類限幅器的高頻損耗而不需要付出前述方案的代價(jià)，我們研究了結(jié)合二級(jí)管寄生電容到低通梯型濾波器的創(chuàng)新配置，盡管使用二級(jí)管的寄生特性來(lái)降低損耗已經(jīng)在自偏壓PIN限幅器中提到[18-19],但從未出現(xiàn)在肖特基強(qiáng)化PIN限幅器上，本篇文章將介紹肖特基強(qiáng)化PIN限幅器的低損耗配置，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)確認(rèn)它的更好性能。

材料和方法

為了快速制造新的配置，我們使用了原有二級(jí)管產(chǎn)品線的低成本SOT-323封裝器件，PIN二級(jí)管擁有1.5μm的I層厚度，約1pF的零偏置電容以及適合新配置的雙陽(yáng)極封裝形式[20],請(qǐng)參考圖2.這個(gè)肖特基二級(jí)管擁有1mA時(shí)250mV的載子幅度，以及約0.8pF的零偏置電容[21],二級(jí)管跨接導(dǎo)線和引腳的寄生電感分別為0.7nH和0.4nH,限幅器使用包含50Ω共平面波導(dǎo)接地(CPWG)傳輸線，中間具有間隙的30mil厚FR4 印刷電路板實(shí)現(xiàn)，如圖3.PIN二級(jí)管采陽(yáng)極引腳跨越間隙的方式安裝，肖特基二級(jí)管則如同常見(jiàn)限幅器一般連接到傳輸線的輸出端，雙陽(yáng)極PIN二級(jí)管、肖特基二級(jí)管以及帶間隙線的組合帶來(lái)一個(gè)近似于低通梯型濾波器的小信號(hào)等效電路。

為了進(jìn)行性能比較，我們?cè)谙嗤娐钒迳习才乓粋€(gè)組合到連續(xù)傳輸線的傳統(tǒng)PIN肖特基限幅器，兩個(gè)限幅器采用完全相同的二級(jí)管器件，基于兩個(gè)二級(jí)管在傳統(tǒng)限幅器配置中采并聯(lián)形式，因此它的小信號(hào)等效電路可由一個(gè)1.8pF的電容代表。

圖2:PIN二級(jí)管內(nèi)部圖，其中芯片上的陽(yáng)極接點(diǎn)通過(guò)跨接導(dǎo)線連接到兩個(gè)引腳。

圖3:上方為包含評(píng)估和參考限幅器的印刷電路板照片，左下為評(píng)估限幅器的細(xì)部電路圖，右下則為評(píng)估限幅器的簡(jiǎn)化等效電路。

結(jié)果和討論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了新的配置可以改善插入損耗和帶寬，由于寄生電容在頻率低于300MHz時(shí)幾乎不會(huì)造成影響，因此兩個(gè)配置在此擁有相近的插入損耗，不過(guò)當(dāng)頻率超過(guò)300MHz時(shí)，損耗差異就會(huì)大幅度擴(kuò)增，請(qǐng)參考圖4.在常見(jiàn)的2.1GHz 3G頻段中，可以達(dá)到令人滿意的0.8dB損耗差異，如此的改善也可以量化為帶寬的提升，以1dB損耗點(diǎn)比較，新配置可以將最高頻率限制由原本的1.3GHz提高到2.4GHz.

圖4:傳統(tǒng)和新限幅器配置的小信號(hào)插入損耗相對(duì)頻率關(guān)系圖。

實(shí)際的結(jié)果會(huì)比這個(gè)測(cè)量值表現(xiàn)更佳，原因是測(cè)試安排可能會(huì)擴(kuò)大損耗，在實(shí)際應(yīng)用上，電路板的走線要短許多，并且限幅器的輸出也會(huì)直接連接到低噪聲放大器而不需經(jīng)過(guò)射頻連接器，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化去除測(cè)試安排的損耗后，限幅器的1dB帶寬可以大幅度提高到3GHz.

圖5:新限幅器配置進(jìn)行測(cè)試安排影響損耗補(bǔ)償前和補(bǔ)償后的小信號(hào)插入損耗。[!--empirenews.page--]

除了降低插入損耗外，新的配置也意外地改善了回波損耗(RL, Return Loss)，特別是在1.2GHz到3GHz頻帶范圍變化超過(guò)4dB時(shí)，非常明顯地，新配置的梯型濾波器等效電路會(huì)比原始的分流電容擁有更好的匹配，在回波損耗RL ≤ -10dB點(diǎn)，新配置可以大幅度提高最高頻率限制達(dá)近3倍，由傳統(tǒng)配置的1.1GHz提升到2.9GHz.

圖6:傳統(tǒng)和新配置限幅器回波損耗相對(duì)于頻率關(guān)系圖。

在900MHz時(shí)，兩個(gè)配置擁有相同的輸入限制閥值，大約為3dBm,如圖7.一個(gè)常被忽略的優(yōu)勢(shì)是，在30dBm輸入功率時(shí)新配置的輸出泄漏功率可以低約4dB,不過(guò)我們無(wú)法解釋這個(gè)改善的背后機(jī)制。

圖7:傳統(tǒng)和新配置限幅器于900MHz時(shí)輸出相對(duì)于輸入功率的關(guān)系。

為了確保梯型電路不會(huì)影響限幅器瞬態(tài)響應(yīng)的速度，兩個(gè)配置都以10ms的30dBm 900MHz載波爆發(fā)波進(jìn)行評(píng)估，突波泄漏時(shí)間在兩個(gè)配置大約相等，約為2.4μs,如圖8.在爆發(fā)波的終點(diǎn)也觀察到<30ns的相近恢復(fù)時(shí)間，不過(guò)新配置的突波和平緩泄漏振幅相對(duì)較低。

圖8:兩個(gè)限幅器配置的瞬態(tài)響應(yīng)比較。

結(jié)論

相較于原有配置，肖特基PIN限幅器的新電路配置可以同時(shí)改善插入損耗、匹配、帶寬以及泄漏功率，由于采用了二級(jí)管封裝寄生電容來(lái)形成低通梯型濾波器，因此配置的改變并沒(méi)有增加額外的器件，也沒(méi)有加大電路板的占用面積，相同的作法已經(jīng)成功應(yīng)用于降低僅PIN二級(jí)管限幅器的損耗上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示可以在肖特基強(qiáng)化PIN限幅器上取得相同的好處，我們預(yù)期新配置可以改善使用這類限幅器無(wú)線通信和NMR/MRI接收器的靈敏度，并且預(yù)測(cè)這個(gè)配置可以帶來(lái)更高頻率的運(yùn)作。

附錄：掃描式功率測(cè)量

在掃描式功率測(cè)量的上限范圍，飽和限幅器二級(jí)管會(huì)在傳輸線上趨近于短路，圖9中的測(cè)試安排使用隔離器和衰減器來(lái)消除造成圖7中下沉曲線的測(cè)量影響，在受測(cè)器件的輸出使用10dB衰減器取代隔離器是較好的選擇，原因是除了不會(huì)對(duì)受測(cè)器件的阻抗變化造成緩存外，還可避免功率傳感器燒毀。

圖9:用來(lái)測(cè)量限幅器輸入輸出功率相對(duì)關(guān)系的測(cè)試安排。