基于運算放大器的PIN驅(qū)動器電路

　　將開關(guān)驅(qū)動器控制電路與PIN二極管相連，以便通過施加正向或反向偏置來開關(guān)二極管，是一項具有挑戰(zhàn)性的工作。偏置電路通常使用一個低通濾波器，它位于RF電路與開關(guān)驅(qū)動器之間。圖5顯示了一個單刀雙擲(SPDT) RF開關(guān)及其偏置電路。當設(shè)置妥當時，濾波器L1/C2和L3/C4允許將控制信號施加于PIN二極管D1–D4，控制信號與RF信號（從RF IN切換至PORT 1或PORT 2）的相互影響極少。這些元件允許頻率相對較低的控制信號通過PIN二極管，但會阻止高頻信號逃離RF信號路徑。不正常的RF能量損耗意味著開關(guān)的插入損耗過高。電容C1、C3和C5阻止施加于二極管的直流偏置侵入RF信號路徑中的電路。直流接地回路中的電感L2允許直流和低頻開關(guān)驅(qū)動器信號輕松通過，但對于RF和微波頻率則會呈現(xiàn)高阻抗，從而降低RF信號損耗。

圖5. 典型單刀雙擲(SPDT) RF開關(guān)電路

　　偏置電路、RF電路和開關(guān)驅(qū)動器電路全都會發(fā)生交互，影響彼此的性能，因此像所有設(shè)計一樣，權(quán)衡考慮各種因素十分重要。例如，較大的C2和C4 (>20 pF)對RF性能有利，但對驅(qū)動器則是麻煩，因為大電容會導(dǎo)致上升沿和下降沿較慢?？焖匍_關(guān)對大多數(shù)應(yīng)用都有利；因此，為了實現(xiàn)最佳驅(qū)動器性能，電容必須極小，但為了滿足RF電路要求，電容又必須足夠大。

　　傳統(tǒng)PIN二極管驅(qū)動器

　　PIN二極管驅(qū)動器有各種形狀和尺寸。圖6給出了一個可提供高開關(guān)速度的典型分立開關(guān)驅(qū)動器的原理圖。這種驅(qū)動器既可以采用“片線”（混合）結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，也可以采用“表貼”(SMT)器件來實現(xiàn)；前者非常昂貴，后者雖不昂貴，但需要的印刷電路板(PCB)面積多于混合結(jié)構(gòu)。

圖6. 分立開關(guān)驅(qū)動器電路

　　還有專用開關(guān)驅(qū)動器集成電路(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)動器架構(gòu)應(yīng)當考慮，即采用運算放大器。運算放大器開關(guān)驅(qū)動器的明顯優(yōu)勢在于其自身的靈活性，可以輕松地對其進行配置，以適應(yīng)不同的應(yīng)用、電源電壓和條件，為設(shè)計人員提供豐富的設(shè)計選項。

　　運算放大器PIN二極管驅(qū)動器

　　運算放大器電路是一種很有吸引力的PIN二極管驅(qū)動備選方案。除靈活性外，這種電路常常還能以接近或超過1000 V/μs的躍遷速度工作。下面將介紹三種不同的RF PIN二極管放大器驅(qū)動電路。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)動硅或砷化鎵(GaAs) PIN二極管，但各有各的特點。

　　AD8037 — 箝位放大器

　　該電路能以最高10 MHz的頻率工作，具有出色的開關(guān)性能，總傳播延遲為15 ns。通過改變增益或箝位電壓，可以調(diào)整輸出電壓和電流，以適應(yīng)不同的應(yīng)用。

　　箝位放大器AD8037原本設(shè)計用于驅(qū)動ADC，可提供箝位輸出以保護ADC輸入不發(fā)生過驅(qū)。圖7所示配置用一對AD8037（U2和U3）驅(qū)動PIN二極管。

圖7. AD8037 PIN二極管驅(qū)動器電路

　　本例中，U2和U3采用同相配置，增益為4。利用AD8037的獨特輸入箝位特性，可以實現(xiàn)極其干凈和精確的箝位。它可以線性放大輸入信號，最高可達增益乘以正負箝位電壓（VCH和VCL）。當增益為4且箝位電壓為±0.75 V時，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±0.75 V，則輸出電壓箝位在最大值±3 V。這一箝位特性使得過驅(qū)恢復(fù)非常快（典型值小于2 ns）。箝位電壓（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)實現(xiàn)，它提供U2和U3所用的驅(qū)動信號，兩路互補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±1.2 V，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)，以確保輸出會進入箝位狀態(tài)(4 × 0.75 V)。因此，硅PIN二極管驅(qū)動器的輸出電平設(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)計人員能夠十分靈活地驅(qū)動各種類型的RF負載。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AD81374通常用于驅(qū)動ADC，但也可以用作低成本、低功耗PIN二極管驅(qū)動器。其典型開關(guān)時間為7 ns至11 ns，其中包括驅(qū)動器和RF負載的傳播延遲。它提供互補輸出，功能多樣，可以替代昂貴的傳統(tǒng)驅(qū)動器。

　　圖8所示電路將單端TTL輸入（0 V至3.5 V）轉(zhuǎn)換為互補±3.5V信號，同時可使傳播延遲最小。TTL信號放大4倍，在AD8137輸出端產(chǎn)生所需的±3.5V擺幅。TTL信號的中點（或共模電壓）為1.75 V；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。最好從一個低源阻抗驅(qū)動此點；任何串聯(lián)阻抗都會增加到R1上，從而影響放大器增益。

圖8. PIN二極管驅(qū)動器原理圖

　　輸出電壓增益可由公式4計算：