PIN并联开关性能及应用分析

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PIN并联开关性能及应用分析 [复制链接]

 图 1

图 1显示了使用 MA4P709 系列二极管的 ELL 型开关的性能。这些二极管的额定值为 3.3 pF，最大电容和 0.25 Ω，RS 最大值为 100 mA。相比之下，使用相同二极管开关连接的简单串联将具有与 100 MHz 轮廓相似的插入损耗，并且隔离度在 100 MHz 时最大为 15 dB，以每倍频程 6 dB 的速率下降。

调谐开关可以通过将两个串联二极管或两个并联二极管间隔一个波长来构建，如图 15所示。调谐开关中的隔离值是单个二极管开关中可获得的隔离值的两倍。调谐串联开关的插入损耗高于简单串联开关的插入损耗，可以使用二极管电阻之和作为等式 1 中的 RS 值来计算。在调谐并联开关中，插入损耗甚至可能低于由于间隔二极管电容的谐振效应，一个简单的并联开关。

四分之一波间距不必局限于波长足够短以安装离散长度线路的频率。有一个模拟四分之一波段的等效集总电路，可用于射频频段。如图 16 所示。这些调谐电路技术在带宽约为中心频率 10% 的应用中有效

发送接收开关

收发器应用中使用了一类开关，其功能是在发射状态下将天线连接到发射器（激励器），并在接收器状态下连接到接收器。当 PIN 二极管用作这些开关中的元件时，与机电设计相比，它们具有高可靠性、更好的机械坚固性和更快的开关速度。

电子开关的基本电路包括一个与发射器串联的 PIN 二极管，以及一个连接四分之一波长（λ / 4 部分（图 2）的分流二极管，当然，对于在长波长下运行的收发器来说是更可取的。

 图 2

四分之一波线等效

当切换到发射状态时，每个二极管变为正向偏置。串联二极管对朝向天线的信号表现为低阻抗，并联二极管有效地使接收器的天线端子短路以防止过载。发射器插入损耗和接收器隔离取决于二极管电阻。如果 RS 为 1 Ω，大于 30 dB 隔离且小于 0.2 dB 插入，则可以预期会出现损耗。这种性能可以在 10% 的带宽上实现。

在接收条件下，二极管处于零偏压或反向偏压并且基本上呈现低电容 CT，这在天线和接收器之间创建了一条直接的低插入损耗路径。关闭发射器通过高阻抗串联二极管与该路径隔离。

该开关可以处理的功率 PA 取决于 PIN 二极管的额定功率 PD 和二极管电阻。对于 σ 的天线最大 SWR，显示此关系的方程式如下：

 在 50 欧姆系统中，必须考虑天线完全不匹配的情况，此等式简化为：

 通过使用这些方程式，可以表明使用 MA4P709（或等效）绝缘螺柱和 MA4P709-150 螺柱安装二极管偏置在 1 安培，其中 RS 值 < .2 Ω，并且安装在 50°C 的散热器中，其中MA4P709-985 的额定功率为 20 瓦，即使对于完全不匹配的天线，也可以安全地控制 2.5 千瓦的功率水平。对于完美匹配的天线，可以控制 10 kW。

MA47266 是一款轴向引线 PIN 二极管，在 50°C 触点的总长度为 1/2”（12.7 毫米）时额定功耗为 1.5 W。该二极管的电阻在 50 mA 时为 0.5 Ω（最大值）。然后可以计算出使用 2 个 MA47266 的四分之一波开关可以处理 40 瓦的功率，而天线完全不匹配。

应该指出的是，四分之一波天线开关的分流二极管消耗的功率与串联二极管差不多。这在图 3 中可能并不明显；然而，可以看出串联和并联二极管中的射频电流实际上是相同的。使用 PIN 二极管的宽带天线开关可以使用图 4 中所示的串联二极管电路进行设计。此开关的频率限制主要来自 D2 的电容。

在这种情况下，正向偏置在发送期间应用于 D1，或在接收期间应用于 D2。在高功率应用（<50 W）中，通常需要在传输期间在 D2 上施加反向电压。这可以通过偏置 2 的负极性电源或通过使 D1 的正向偏置电流流过电阻器 R 以施加所需的负电压来实现。

 图 3:四分之一波天线开关

 图 4:宽带天线开关

主要讨论了并联开关的性能和应用。通过使用MA4P709系列二极管，可以构建具有良好性能的ELL型开关。与简单的串联开关相比，使用并联开关可以实现类似于100 MHz轮廓的插入损耗，并且隔离度下降速率为每倍频程6 dB。调谐开关是通过构建两个串联或并联二极管间隔一个波长来实现的，其隔离度是单个二极管开关的两倍。

四分之一波间距可以用于模拟射频频段的调谐电路，对于中心频率为10%的带宽应用非常有效。发送接收开关是在收发器中使用的一种特殊开关，通过PIN二极管实现。与机械开关相比，PIN二极管开关具有更高的可靠性、更好的机械稳定性和更快的开关速度。

在发射状态下，PIN二极管开关将天线连接到发射器，而在接收状态下将天线连接到接收器。通过合理的正向偏置和反向偏置，可以实现低插入损耗和高隔离度。该开关的功率处理能力取决于PIN二极管的额定功率和电阻。作者还提供了相应的方程式来计算插入损耗和功率处理能力。

综上所述，本文对并联开关的性能和应用进行了详细讨论，并提供了一些设计和计算的参考方程式。这些信息对于射频领域的工程师和研究人员具有实际意义。

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1. 开关管的选择：PIN 并联开关一般使用 MOSFET 或 IGBT 等器件作为开关元件。选用适当容量和速度的开关管，可以提高系统的响应速度和稳定性。根据电路工作需求和允许的电压、电流范围来选择开关管。

2. 使用斜坡驱动：斜坡驱动是一种有效的方法，可降低并联管的共振干扰和功率损耗。采用分时变换逐步将交叉引脚的信号差异控制到较小，以避免由于输入引脚不同而产生的回流或高频噪声。

3. 电源设计：对于高功率应用，必须认真考虑电源设计以确保正确供电，有效地减小电源噪声。任何一个并联开关电路都应该采用适当的滤波元器件实现衰减输出开关杆上的爆击谐振现象，并减少过冲和喇叭现象的影响。

4. 散热设计：由于并联开关电路使用较大的功率器件，因此必须对系统进行良好的散热设计以避免过热和损坏。通过适当的附加散热器、温度传感器和风扇等附件，可以实现对开关管的及时监控和保护。

5. 并联开关的应用：PIN 并联开关广泛应用于继电器替代、动态无间歇工作变频器、整流器、LED 驱动器与逆变器、直流电励磁器、交流输出滤波等领域。在各种高精度的控制系统中，采用并联开关还可以提高反应速度和调节变化。