Návrh napätím riadeného vf útlmového článku – 2. časť

V predchádzajúcej časti článku som opísal niektoré najčastejšie zapojenia pevných útlmových článkov, ako aj spôsob ich úpravy na získanie preladiteľných útlmových článkov využívaných napr. v obvodoch AGC alebo modulátoroch. V tejto časti uvediem príklad návrhu takéhoto napätím riadeného vf útlmového článku s využitím PIN diód.

PIN dióda a jej simulačný model

PIN dióda sa správa ako prúdom riadený odpor vo vysokofrekvenčnom pásme. Súčiastka ako taká sa vyrába z vrstvy čistého polovodičového materiálu (napr. Si) určitej hrúbky, do ktorej sa difúziou vytvára z jednej strany vysoko dotovaná vrstva P+ a z druhej strany vysoko dotovaná vrstva N+ (obrázok 1a).

Obr. 1 Štruktúra PIN diódy a jej typická voltampérová charakteristika

Keď PIN dióda pracuje v priepustnom smere, diery z P+ vrstvy a elektróny z N+ vrstvy sú injektované do vysoko-odporovej intrinzickej I vrstvy. Tu však nedochádza k ich okamžitej rekombinácii, ale nosiče náboja žijú určitý čas, ktorý sa nazýva stredná doba života a označuje sa zväčša písmenom τ. Toto má za následok zníženie efektívneho odporu I vrstvy (a tým aj celej súčiastky) pri vysokých frekvenciách.

Proces výroby PIN diódy sa upravuje podľa aplikácie, pre ktorú je určená. Okrem využitia vo vysokofrekvenčnýchútlmových článkoch sa vo veľkej miere používa na vysokofrekvenčné spínanie či vo fázových článkoch. Hlavným rozdielom medzi jednotlivými PIN diódami je pritom hrúbka intrinzickej vrstvy I.

Typická voltampérová charakteristika PIN diódy je znázornená na obrázku 1b. V útlmových článkoch sa využíva výhradne pravá polovica VA charakteristiky. Keď je totiž PIN dióda záverne polarizovaná, voľné nosiče nábojov sa nedostávajú do intrinzickej vrstvy a dióda sa správa ako vysoký odpor premostený parazitnou kapacitou.

Z hľadiska návrhu vysokofrekvenčného útlmového článku je pre nás najdôležitejšou vlastnosťou PIN diódy fakt, že pri vysokých frekvenciách sa správa takmer ako čistý odpor, ktorého hodnotu môžeme nastaviť zmenou jednosmerného prúdu v rozsahu od ~ 1 Ω do ~ 10 kΩ. Na ilustráciu tejto závislosti som si vybral diódu HSMP3814 od firmy AVEO – obrázok 2.

Obr. 2 Závislosť vysokofrekvenčného odporu od jednosmerného prúdu PIN diódy HSMP3814

To znamená, že použitím tejto diódy v topológii premosteného T- článku (popísanej v časti 1) vieme v 50 Ω sústave teoreticky dosiahnuť hodnoty útlmu od 1 dB (R_s1 = 6 Ω, R_p1 = 10 kΩ) až po 46 dB (R_s1 = 10 kΩ, R_p1 = 167 Ω). V praxi však treba v dôsledku parazitných javov rátať s menším intervalom (typicky 2 ÷ 30 dB).

Obr. 3 Zjednodušený model PIN diódy pracujúcej v priepustnom smere

Simulačný model PIN diódy

Na charakterizáciu PIN diódy je najlepšie použiť komplexný model dodávaný výrobcom konkrétnej súčiastky, ktorú sa chystáme v našom zapojení použiť. Ak ho nemáme k dispozícii, s akceptovaním menšej presnosti a určitých obmedzení si vystačíme aj so zjednodušeným simulačným modelom, ako je na obrázku 3. Tento model sa dá využiť na simuláciu vf odporu diódy v priepustnom smere, ale nie je ho možné použiť na určenie parametrov súvisiacich s nelinearitou diódy, ako napr. skreslenie.

Odporom R_vf tu charakterizujeme vysokofrekvenčné vlastnosti PIN diódy, pričom môžeme písať, že R_var = ~ K/I_dc^s,kde I_dc je jednosmerný prúd tečúci PIN diódou; K a s sú empiricky získané konštanty udávané výrobcom. Pre vyššie spomenutú PIN diódu HSMP3814 udáva výrobca závislosť R_var = 90/I_dc^0.987,I_dc (mA); hodnoty odporov R_min = 2,5 Ω a R_max = 12 kΩ. Indukčnosť prívodov je modelovaná cievkou L (2 nH) a C predstavuje parazitnú kapacitu diódy (0,25 pF).

Keď hovoríme o vysokofrekvenčných vlastnostiach, máme tu na mysli správanie sa PIN diódy vo frekvenčnom pásme, ktoré je oveľa väčšie ako hraničná frekvencia f_c, t. j. f ≥ 10*f_c, přičom f_c = 1/(2 π τ), kde τ je stredná doba života nosičov náboja. Pre PIN diódu HSMP3814 je τ = 1,5 μs, z čoho vyplýva, že táto dióda má dobre definované vysokofrekvenčné vlastnosti pre frekvencie od 1 MHz.

Pre frekvencie menšie ako 0,1 * f_c je PIN dióda modelovaná ako obyčajná dióda D tvorená klasickým PN priechodom. Správanie sa PIN diódy vo frekvenčnom pásme 0,1 * f_c ÷ 10 * f_c by muselo byť opísané veľmi komplikovaným modelom pozostávajúcim z frekvenčne závislého odporu premosteného kombináciou značne frekvenčne aj prúdovo závislej indukčnosti a kapacity.

Simulačný program LTspice

Program LTSpice už bol v minulosti na stránkach tohto časopisu spomínaný, a to v súvislosti s návrhom spínaných zdrojov. Ide o analógový simulátor ponúkaný firmou Linear Technologies. Ako už jeho názov hovorí, pracuje so Spice modelmi elektronických súčiastok. Hoci bol primárne navrhnutý na simulácie spomínaných spínaných zdrojov, neznamená to, že si neporadí aj s odlišnými úlohami. Pre svoj článok som si ho vybral, lebo z môjho pohľadu ide o veľmi príjemný softvér s intuitívnym ovládaním, ktorý je navyše voľne stiahnuteľný (www.linear.com) a tak dostupný naozaj pre všetkých priaznivcov elektroniky.

V nasledujúcom príklade ukážem spôsob, ako tento užitočný nástroj využiť při simuláciách frekvenčných charakteristík vf obvodov, ktorých výsledkom budú S-parametre simulovaného obvodu.

Príklad návrhu

Predpokladajme, že naša aplikácia si vyžaduje napätím riadený širokopásmový vf útlmový článok preladiteľný v rozsahu 20 dB, ktorý pracuje vo frekvenčnom pásme od 1 MHz do 1 GHz so zvlnením +/− 0,5 dB. Zapojenie treba navrhnúť pre 50 Ω sústavu, pričom maximálne straty pri nulovej hodnote útlmu sú 4 dB.

Keď si tieto požiadavky „preložíme“ do matice S-parametrov, tak dostaneme hodnoty S₂₁ = S₁₂ = (−4 ÷ −24) dB a S₁₁ = S₂₂ ≤ −20 dB.

 

Toto zadanie by sme mohli riešiť použitím ľubovoľnej topológie opísanej v predchádzajúcej časti článku. Ja som sa však rozhodol pre π-článok, pri ktorom som navyše nahradil odpor R_s1 nie jednou, ale dvoma diódami – D₂ a D₃ (obrázok 4). Na účely takéhoto zapojenia je možné použiť už spomenutú súčiastku HSMP3814, ktorá v jednom puzdre obsahuje 2 PIN diódy spojené ich katódami. Výhodou π zapojenia je zisk väčšej izolácie pri vysokých frekvenciách. Izolácia pri vyšších frekvenciách je určená parazitnou kapacitou sériovej diódy. Zapojením dvoch diód do série teda zvýšime hornú hraničnú frekvenciu zapojenia pri danej hodnote útlmu. Druhá výhoda vyplýva z faktu, že diódy D₂ a D₃ sú vzhľadom na smer šírenia signálu voči sebe zapojené s fázovým posuvom 180°, čím sa v značnej miere rušia párne zložky vyšších harmonických produktov vznikajúce v dôsledku nelinearity prvkov. Treťou výhodou je to, že dostávame symetrické zapojenie, čo značne zjednodušuje návrh jednosmerného riadiaceho obvodu. Všetky tieto výhody získame za cenu zvýšenia strát o (0,5 ÷ 1) dB, čo je v našom prípade akceptovateľné.

Obr. 4 Náhrada odporov PIN diódami v útlmovom π-článku

Po zvolení topológie musíme stanoviť hodnoty jednotlivých prvkov v danom zapojení. Pri návrhu jednosmerného obvodu najprv určíme hodnoty odporov R_s1, R_p1 a R_p2 odporového π-článku pre minimálny a maximálny požadovaný útlm, t. j. 4 dB a 24 dB. Na toto môžeme použiť vzťahy uvedené v časti 1 alebo hodnoty odčítame z grafu na obrázku 5. Následne si na základe týchto hodnôt vypočítame prúd, aký musí tiecť jednotlivými diódami, ktorými dané odpory nahrádzame. (Netreba zabudnúť, že R_D2 = R_D3 = R_s1/2). Tu si môžeme opäť vybrať, či použijeme vzťah daný výrobcom diódy, alebo graf na obrázku 2. Týmto spôsobom dostávame tabuľku 1.

Obr. 5 Závislosť hodnôt odporov čisto odporového π-článku od veľkosti požadovaného útlmu navrhovaného pre 50 Ω sústavu

Nakoniec hodnoty odporov R₁ ÷ R₆ (obrázok 6) určíme pomocou simulácie na základe dostupných js napätí V₂ a V₃. Hodnoty na schéme platia pre pevné napätie V₂ = 5 V a riadiace napätie V₃ = V_CTRL = 0 ÷ 15 V.

Obr. 6 Schéma zapojenia napätím riadeného útlmového π- článku

Aby výsledkom simulácie v programe LTSpice boli S-parametre, musíme do schémy vložiť nasledujúce direktívy.

Výraz .ac dec 101 0,1MEG 10000MEG prikazuje simulátoru, že má počítať AC analýzu vo frekvenčnom pásme od 100 kHz do 10 GHz. Výrazom .net I(R7) V1 žiadame simulátor o výpočet vstupnej a výstupnej impedancie, admitancie, Y-, Z-, H- a S- parametrov. Vstupný port je tu definovaný nezávislým zdrojom V1 a výstupný port odporom R7. Posledný riadok .step param VCTRL list 15 7 5.7 5 4 3 2.5 znamená, že chceme, aby program odsimuloval danú schému pre napätia 15; 7; 5,7; 5; 4; 3 a 2,5 V. Výsledky simulácií potom vidíme na obrázku 7.

Obr. 7 Simulované S-parametre pre rôzne hodnoty riadiaceho napätia

Keďže ide o symetrický obvod, výsledné hodnoty parametrov S₁₂ sú totožné s S₂₁ a parametre S₂₂ sú totožné s S₁₁. Keďže vo všetkých prípadoch ide o komplexné čísla, simulačný program vypočíta okrem absolútnych hodnôt vždy aj ich fázové zložky. Kvôli väčšej prehľadnosti sú na grafoch zobrazené iba absolútne hodnoty.

Nelineárne skreslenie

Pre úplnosť by bolo dobré sa na záver článku zmieniť o skreslení. PIN diódy určené na použitie v útlmových článkoch sa vďaka ich špeciálnej konštrukcii so širokou intrinzickou vrstvou vyznačujú veľmi dobrými vlastnosťami z hľadiska skreslenia. Aj z tohto dôvodu sa v týchto aplikáciách uprednostňujú pred tranzistormi. Treba však poznamenať, že veľkosť skreslenia sa bude meniť s hodnotou útlmu, keďže pri rôznych hodnotách útlmu pracujú diódy v rôznych pracovných bodoch. Rovnako je skreslenie aj frekvenčne závislé s tým, že pri signáloch s nižšími frekvenciami dostávame podstatne vyššie harmonické produkty ako vo vyšších frekvenčných pásmach.

Záver

Útlmové články s PIN diódami sú vo vysokých frekvenciách veľmi dobre simulovateľné a namerané výsledky sú vo väčšine prípadov v zhode so simuláciami. Pravdepodobne málokto bude vo veľkej miere využívať LTSpice (alebo iné podobné programy určené prevažne na simulácie v časovej oblasti) na vf simulácie, no ak má niekto k dispozícii iba takýto simulátor, je dobré vedieť, že existuje spôsob, akým je možné ho použiť aj na takéto úlohy.

 

Zoznam použitej literatúry:

[1] Vizmuller, P., RF Design Guide – Systems, Circuits, and Equations, Artech House, Inc., 1995.

[2] The PIN Diode Circuit Designers’ Handbook, Microsemi Corp.-Watertown,ver 2. 1998

[3] HSMP-381×, 481× Surface Mount RF PIN Low Distortion Attenuator Diodes Datasheet, Avago Technologies, 2009

[4] Walston, J., „Spice Circuit Yields Recipes for PIN Diodes“, Microwaves and RF, November 1992.

[5] Design With PIN Diodes AN 200312D, Skyworks Solutions, Inc., Oktober 2012

 

www.mil1.sk