2.4 Выбор устройств коммутации

В устройствах, работающих в диапазоне СВЧ, применяются коммутаторы, реализованные на p-i-n диодах (Рисунок 2.10).

Рисунок 2.10 - Схема электрическая принципиальная коммутатора 1-2

Структура типичного pin-диода (Рисунок 2.11 а) характеризуется тем, что между двумя сильно легированными областями очень низкого сопротивления n+ и p+ находится активная базовая i-область с высоким удельным сопротивлением (типичной , а в ряде приборов вплоть до ) и относительно большим временем жизни (электронов и дырок) заряда . Толщина базы лежит в пределах , диаметр мезаструктур .

Специфические особенности pin-структуры, существенные для работы диодов, заключаются в следующем:

При работе в прямом направлении на достаточно высоких частотах f, определяемых соотношением

.(2.11)

Диффузионная емкость p±i- и n±i-переходов полностью их шунтирует, таким образом эквивалентная схема сводится к рисунку 2.12 б, где R1(rпр) - сопротивление базы, модулированное прямым током. Соотношение (2.11) может выполняться уже при частоте f: 10-20 МГц и заведомо справедливо на СВЧ.

При обратном смещении эквивалентная схема pin-диода представляется в виде рисунка 2.12 в, где R1(rобр) - сопротивление i-базы в немодулированном состоянии, равное

.(2.12)

Реально rобр =0,1-10 кОм.

При прямом смещении вследствие двойной инжекции дырок из p+-области и электронов из n+-области, вся база «заливается» носителями и в эквивалентной схеме (Рисунок 2.12 б) выполняется

.(2.13)

Значения rпр в номинальном режиме близки к величине ~ 1 Ом; при изменении прямого тока величина rпр может изменяться в широких пределах по закону, близкому к

.(2.14)

Пробой pin-структуры при отсутствии поверхностных утечек определяется соотношением

.(2.15)

где Eкр - критическое поле, обычно принимается Eкр=2х105 В/см. Таким образом,

.(2.15а)

При протекании прямого тока величина накопленного заряда в базе определяется соотношением

.(2.16)

поэтому величина определяется расчетно по паспортному значению Qнк.

При резком переключении с прямого направления на обратное вначале протекает фаза рассасывания накопленного заряда, длительность которой равна

.(2.17)

где Iрас - обратной ток рассасывания; длительность второй фазы - восстановления обратного сопротивления - определяется дрейфовым процессом под действием поля в базе по порядку величина близка к

.(2.18)

Таким образом, при работе в диапазоне СВЧ и отчасти ВЧ pin-диод (без учета паразитных параметров C и L) представляет собой линейный резистор, сопротивление которого при прямом смещении rпр значительно меньше, чем при обратном rобр, при этом rпр зависит от прямого тока.

Такая схема обладает недостатками:

дискретные элементы (катушки и конденсаторы) уменьшают надежность устройства;

p-i-n-диоды обладают паразитными емкостью и индуктивностью (Рисунок 2.10 в), которые влияют на характеристику устройства;

необходимость применения балочных выводов в качестве теплоотводов, что в значительной степени снижает прочность устройства.

Оптимальной схемой устройства коммутации для разработанного УЧС является схема на полевых транзисторах (Рисунок 2.12).

Преимущества коммутаторов, выполненных на полевых транзисторах, заключаются в отсутствии дискретных элементов в схеме и в том, что управление происходит с помощью напряжения.

Рисунок 2.12 - Схема электрическая принципиальная коммутатора 1-2

При рассмотрении всех доступных типов коммутаторов выбор пал на интегральную схему коммутатор HMC641. Параметры HMC641 следующие:

рабочий диапазон частот: DC - 18 ГГц;

изоляция: 42 дБ на 12 ГГц;

вносимые потери: 2.1 дБ на 12 ГГц;

габариты: 1.92х1.60х0.10 мм.

Судя по параметрам, представленным производителем, HMC641 предлагает идеальный вариант коммутатора: 1) малые размеры, что при СВЧ диапазоне очень важно 2) малые потери 3) широкий диапазон частот.

На рисунке 2.13 показана модель устройства с коммутаторами.

Рисунок 2.13 - Модель разрабатываемого устройства с коммутаторами