運(yùn)算放大器：驅(qū)動(dòng)PIN二極管替代方案

圖6 分立開關(guān)驅(qū)動(dòng)器電路

還有專用開關(guān)驅(qū)動(dòng)器集成電路(IC)。這些IC十分緊湊，提供TTL接口，并具有良好的性能，但靈活性有限，而且往往很昂貴。

還有一種開關(guān)驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)應(yīng)當(dāng)考慮，即采用運(yùn)算放大器。運(yùn)算放大器開關(guān)驅(qū)動(dòng)器的明顯優(yōu)勢(shì)在于其自身的靈活性，可以輕松地對(duì)其進(jìn)行配置，以適應(yīng)不同的應(yīng)用、電源電壓和條件，為設(shè)計(jì)人員提供豐富的設(shè)計(jì)選項(xiàng)。

運(yùn)算放大器PIN二極管驅(qū)動(dòng)器
運(yùn)算放大器電路是一種很有吸引力的PIN二極管驅(qū)動(dòng)備選方案。除靈活性外，這種電路常常還能以接近或超過1000V/μs的躍遷速度工作。下面將介紹3種不同的RF PIN二極管放大器驅(qū)動(dòng)電路。所選放大器雖然在根本特征上各不相同，但都能執(zhí)行類似的功能。這些放大器電路可以驅(qū)動(dòng)硅或砷化鎵(GaAs)PIN二極管，但各有各的特點(diǎn)。

AD8037—鉗位放大器
該電路能以最高10MHz的頻率工作，具有出色的開關(guān)性能，總傳播延遲為15ns。通過改變?cè)鲆婊蜚Q位電壓，可以調(diào)整輸出電壓和電流，以適應(yīng)不同的應(yīng)用。鉗位放大器AD8037原本設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)ADC，可提供鉗位輸出以保護(hù)ADC輸入不發(fā)生過驅(qū)。圖7所示配置用一對(duì)AD8037（U2和U3）驅(qū)動(dòng)PIN二極管。

圖7 AD8037 PIN二極管驅(qū)動(dòng)器電路

本例中，U2和U3采用同相配置，增益為4。利用AD8037的獨(dú)特輸入鉗位特性，可以實(shí)現(xiàn)極其干凈和精確的鉗位。它可以線性放大輸入信號(hào)，最高可達(dá)增益乘以正負(fù)鉗位電壓（VCH和VCL）。當(dāng)增益為4且鉗位電壓為±0.75V時(shí)，如果輸入電壓小于±0.75 V，則輸出電壓等于輸入電壓的4倍；如果輸入電壓大于±0.75V，則輸出電壓鉗位在最大值±3V。這一鉗位特性使得過驅(qū)恢復(fù)非常快（典型值小于2ns）。鉗位電壓（VCH和VCL）由分壓器R2、R3、R7和R8確定。

數(shù)字接口由74F86 XOR邏輯門(U1)實(shí)現(xiàn)，它提供U2和U3所用的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，兩路互補(bǔ)輸出之間的傳播延遲偏斜極小。電阻網(wǎng)絡(luò)R4、R5、R6和R9將TTL輸出電平轉(zhuǎn)換為大約±1.2V，然后通過R10和R12饋送給U2和U3。

U2和U3的±1.2-V輸入提供60%過驅(qū)，以確保輸出會(huì)進(jìn)入鉗位狀態(tài)(4×0.75V)。因此，硅PIN二極管驅(qū)動(dòng)器的輸出電平設(shè)為±3V。電阻R16和R17限制穩(wěn)態(tài)電流。電容C12和C13設(shè)置PIN二極管的尖峰電流。

AD8137—差分放大器
差分放大器（本例所用的AD8137）可以低成本提供出色的高速開關(guān)性能，并使設(shè)計(jì)人員能夠十分靈活地驅(qū)動(dòng)各種類型的RF負(fù)載。有各種各樣的差分放大器可供使用，包括速度更快、性能更高的一些器件。

高速差分放大器AD8137通常用于驅(qū)動(dòng)ADC，但也可以用作低成本、低功耗PIN二極管驅(qū)動(dòng)器。其典型開關(guān)時(shí)間為7～11ns，其中包括驅(qū)動(dòng)器和RF負(fù)載的傳播延遲。它提供互補(bǔ)輸出，功能多樣，可以替代昂貴的傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器。

圖8所示電路將單端TTL輸入（0～3.5V）轉(zhuǎn)換為互補(bǔ)±3.5V信號(hào)，同時(shí)可使傳播延遲最小。TTL信號(hào)放大4倍，在AD8137輸出端產(chǎn)生所需的±3.5V擺幅。TTL信號(hào)的中點(diǎn)（或共模電壓）為1.75V；必須將同樣的電壓施加于R2，作為參考電壓VREF，以免在放大器輸出端引入共模失調(diào)誤差。最好從一個(gè)低源阻抗驅(qū)動(dòng)此點(diǎn)；任何串聯(lián)阻抗都會(huì)增加到R1上，從而影響放大器增益。

圖8 PIN二極管驅(qū)動(dòng)器原理圖

輸出電壓增益可由公式4計(jì)算：
(4)
為正確端接脈沖發(fā)生器的輸入阻抗，使之為50Ω，需要確定差分放大器電路的輸入阻抗。這可以利用公式5計(jì)算，得出RT=51.55Ω，與之最接近的標(biāo)準(zhǔn)1%電阻值為51.1Ω。對(duì)于對(duì)稱的輸出擺幅，兩個(gè)輸入網(wǎng)絡(luò)的阻抗必須相同。這意味著，反相輸入阻抗必須將信號(hào)源的阻抗和端接電阻納入增益設(shè)置電阻R2。
(5)
圖8中，R2約比R1大20Ω，以補(bǔ)償源電阻RS與端接電阻RT的并聯(lián)組合所引入的額外電阻(25Ω)。將R4設(shè)為1.02kΩ（最接近1.025kΩ的標(biāo)準(zhǔn)電阻值），以確保兩個(gè)電阻比相等，避免引入共模誤差。

輸出電平轉(zhuǎn)換很容易利用AD8137的VOCM引腳來實(shí)現(xiàn)，該引腳設(shè)置直流輸出共模電平。本例中，VOCM引腳接地，以提供關(guān)于地的對(duì)稱輸出擺幅。

電阻R5和R6設(shè)置穩(wěn)態(tài)PIN二極管電流見公式6。
(6)
電容C5和C6設(shè)置尖峰電流，該電流有助于注入和移除PIN二極管中存儲(chǔ)的電荷?？梢愿鶕?jù)特定二極管負(fù)載要求，調(diào)整這些電容的值，實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化。尖峰電流可以由公式7計(jì)算。
(7)

ADA4858-3—內(nèi)置電荷泵的三通道運(yùn)算放大器
許多應(yīng)用只提供一個(gè)電源，這常常令電路設(shè)計(jì)人員感到為難，尤其是當(dāng)需要在PIN電路中提供低關(guān)斷電容時(shí)。這種情況下，硅或GaAs PIN二極管驅(qū)動(dòng)電路可以使用片上集成電荷泵的運(yùn)算放大器，而不需要外部負(fù)電源；其好處是可以顯著節(jié)省空間、功耗和預(yù)算。

高速電流反饋型三通道放大器ADA4858-3就是這樣一種器件，它具有出色的特性，片上集成電荷泵，輸出擺幅可以達(dá)到地電壓以下3～1.8V（具體取決于電源電壓和負(fù)載）。該器件魯棒性很好，可以真正為其他電路提供最高50mA的負(fù)電源電流。

ADA4858-3為單電源系統(tǒng)中的互補(bǔ)PIN二極管微波開關(guān)驅(qū)動(dòng)問題提供了一種獨(dú)特的解決方案。回顧圖4，從中可以看出：即使很少量的反向偏置也有助于降低二極管電容CT，具體取決于PIN二極管的類型。此類驅(qū)動(dòng)器對(duì)GaAs PIN二極管很有利，因?yàn)檫@種二極管通常不需要很大的負(fù)偏置就能使關(guān)斷電容(CT)保持較小的值（見圖9）。