二极管介绍及其应用实例「二极管应用电路」

时间：2022-12-16 09:59:38来源：搜狐

今天带来二极管介绍及其应用实例「二极管应用电路」，关于二极管介绍及其应用实例「二极管应用电路」很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

限幅电路：

限幅电路是一种阻抗随输入射频信号变化的二端口网络，实际上可以看作是一种功率控制电路。限幅电路的主要功能是小功率信号可以通过，大功率信号进行衰减，保证输出的信号为有限的功率，从而完成对后级电路的保护。限幅二极管是限幅工作的核心器件，决定了限幅器的插入损耗、限幅电平、功率容量等各项性能指标。二极管实现的限幅方式有三种，1）整流限幅，2）电容随电压变化限幅，3）射频电导调制限幅。

整流限幅：整流限幅理解比较简单的，就是将两个二极管并联在传输线上，当电压大于V1和小于-V2时，二极管导管，此时信号直接被短路反射不经过负载，因此输出的波形被两个二极管给进行了削波。

电容随电压变化限幅：该限幅电路通常由变容二极管和并联谐振电路构建在传输线上，变容二极管的结电容由电压控制，射频信号入射时二极管快速响应发生特性变化，即二极管结电容随电压发生变化，当达到某一个电容值时和电路并联的电感L发生谐振，此时输入信号直接被短路反射，所以变容限幅电路在大信号时也发生整流现象，因而起到限幅作用。但是缺点是使用变容二极管的限幅电路承受的功率很小。如果进一步提高限幅电路的保护作用，可以在传输线上相距的四分之一波长电长度的两处使用两个并联的变容二极管。

RF电导调制效应限幅：

这个限幅原理是PIN二极管独有的。PIN对管限幅电路，当射频信号功率比较大时，二极管会出现电导调制现象，在信号波形的正半周，电子和空穴会向二极管P区和N区的边界注入，载流子累积，并且载流子浓度跟随两侧到I层中心的距离变大而降低。而在信号波形的负半周，I层载流子向P区和N区漂移，但是I区内部载流子浓度低于边界处浓度，所以一部分载流子通过扩散作用注入I区，如此一段时间后浓度达到稳定，产生限幅作用。

信号的幅值大小决定了I层电子空穴对的数目，进而也决定了I层的电导率，它们呈正比关系。PIN二极管可以认为是一个由射频信号影响的可变电抗元件。随着I层厚度这个幅值的变化速度决定了I层电导率，I层厚度越小，变化越快则灵敏度越高，响应越快速。所以根据这个原理，一般选择I层厚度小的 PIN二极管。这样就通过改变PIN二极管的阻抗使得电路失谐，从而完成反射入射功率达到限幅的目的。

具体的限幅电路的主要形式有以下几种：

级联限幅电路：多个二极管并联实现限幅电路

无源自激励限幅电路：电感提供直流电路回路路径

有源限幅：也可称为开关限幅，需额外添加外置偏压控制二极管的开启门限。

电桥限幅：利用电桥的特性，小信号时平衡端口二极管未打开时，此时平衡端口可看做开路状态，入射信号由输入端输入经平衡端口反射后再由隔离端口输出；大信号时，二极管打开，此时平衡端接匹配负载，隔离端口处于隔离状态，因此该电路起到限幅作用。基于电桥的限幅电路对大信号的压缩特性是优于前述几种限幅电路的。

限幅电路的主要指标有下面这些：

1、起限电平，指限幅器开始发挥限幅作用时的输入功率。

2、功率容量，指限幅器能承受输入功率的最大值。这个值和三个因素有关，即电路的限幅形式、限幅管的功率容量和信号类型。

3、限幅电平，指限幅器允许输出信号功率的最大值。

4、插入损耗，器件、电路和传输线引入时带来的能量损耗。限幅电路的插入损耗用小信号，即电路还没有开始限幅工作时，RF输入信号的衰减来表示。

5、隔离度(ISO)，入射信号功率大于起限电平，即电路开始限幅工作时，输出功率被限制在某一值，把此时输入功率和输出功率(限幅电平)比值的分贝数称为隔离度。

6、响应速度，从大于起限电平的输入信号功率出现，到限幅器开始发挥作用的这段时间。限幅器响应速度越快，尖峰泄漏能量越小，限幅效果越好，对敏感器件保护能力越强。

7、恢复时间，从大于起限电平的输入信号功率消失，到限幅器插入损耗减小至输入小功率信号时插损在3dB以内的时间，恢复时间越短，表示限幅器恢复能力越强。

模拟预失真：

预失真技术的原理是在功率放大器的前端设置预失真单元，该单元在射频信号输入时产生一个非线性的预失真信号，由于预失真单元与功率放大器的非线性特性相反，该信号能够与功率放大器自身产生的非线性信号互补，减小功率放大器射频输出信号中的非线性分量。模拟预失真技术即通过模拟电路来实现非线性的预失真信号。（数字预失真DPD，即通过数字电路来实现非线性的预失真信号）

从上图可以看出，前面的限幅电路实现的增益压缩特性与PA的增益压缩特性是类似的，同样的我们可以改变二极管的接入形式，实现小信号限幅，大信号导通，因此与功放自身的非线性信号实现互补，提高输出信号的线性度。

以电桥APD电路为例，二极管可以并联在平衡段，当小信号时二极管未开启，此时平衡端口接匹配负载，输入信号由负载吸收，大信号时二极管打开，此时平衡端口相当于短路接地，输入信号经平衡端口全反射后经隔离端口输出，这样便形成了非线性的预失真信号。同时调节平衡端口的接入相位线长度，可实现相位的压缩和扩张。

可重构匹配电路：

可重构匹配电路主要是用在射频功率放大器输出匹配设计上，通过匹配可重构实现不同的工作状态（如频带、功率等）。大部分都是基于开关的关断开启实现输出匹配结构的变换，而二极管本身可用作开关使用，特别是PIN二极管，响应速度快，寄生小更，结构也简单，成本低更适合研究可重构功率放大器的研究设计。

离散型可重构器件主要为MOS开关、MEMS开关和PIN开关三类。MOS开关的本质是通过MOS管来实现“开关”特性，其主要通过改变MOS管的栅极控制电压来实现“开”和“断”状态，导通状态下可以等效为一个RC网络。常用于设计驱动电路和电源设计。

现如今，射频芯片中CMOS开关的应用也越来越多，可以通过同时串联多个场效应管元件，在高压下可以跟GaAs开关一样的性能。现在还有一种基于SOI工艺的Ultra CMOS，这种技术可以实现很高的集成度，可以实现更大规模的FET制作，采用该技术的MOS开关，可以有效降低功率损耗。

MEMS开关主要通过力学运动来实现开关功能，具有高Q值、高可靠性、高隔离度等优异特性。其中，MEMS开关消除了半导体PN结中的非线性效应，较多应用于微波电路。但MEMS开关处理时间是微秒级，封装难度大，价格昂贵等，这些因素在一定程度上限制了MEMS开关的发展。

PIN二极管外部控制电压为正电压时，二极管导通，反之，二极管截止。所以只需要通过控制外部偏压，即可实现其开关功能。在GHz频率下PIN二极管中的本征层I层的电流主要通过外部偏置电压产生，非线性效应影响很小，基本表现为线性阻抗。PIN开关和MEMS开关相比，具有结构简单，只有正负两个引脚，在电路板上调试起来较为简单，并且价格也相对便宜等优点，很适合用于研究可重构功率放大器的设计。

几种基于PIN管实现的可重构电路如下：