Sterowanie diodami PIN

Rys. 1. Przełącznik STDT sygnałów w.cz. zbudowany na diodach PIN

Każda dioda PIN pracująca jako przełącznik musi współpracować z dodatkowym sterownikiem, który dostarcza prądu polaryzacji zapewniającego jej przewodzenie lub napięcia o wstecznej polaryzacji utrzymującego diodę w stanie wyłączenia. Często funkcja ta jest realizowana za pomocą specjalizowanego układu scalonego lub sterownika bazującego na elementach dyskretnych.

Alternatywnym rozwiązaniem jest wykorzystanie do sterowania szybkiego wzmacniacza operacyjnego, co zostanie omówione w niniejszym artykule. Diody PIN w układach elektronicznych pełnią funkcję regulowanego rezystora. W zależności od prądu polaryzacji ich oporność zmienia się od ułamka oma (przy silnej polaryzacji w kierunku przewodzenia) do ponad 10kΩ (przy podaniu ujemnego napięcia blokującego). Odpowiednio duża wartość napięcia wyłączającego zapewnia też minimalizację pojemności własnej diody.

Szybkie przełączanie diody pomiędzy stanem przewodzenia a odcięcia wymaga odpowiedniego sterownika, zdolnego do sprawnego wstrzykiwania lub odbierania ładunków ze złącza. Im szybsze wymagane jest przełączenie diody, tym większy jest wymagany prąd polaryzacji dostarczany przez driver. Szczytowa wartość prądu płynącego przez diodę PIN przekracza wartość definiowaną w stanie ustalonym o mniej więcej τ/t, gdzie τ to czas rekombinacji nośników w złączu diody a „t” to wymagany czas przełączenia. Z kolei wydajność drivera niezbędna do wyłączenia diody określana jest przez pojemność diody i szybkość zmian napięcia na jej zaciskach.

Układ przełącznika PIN

Rys. 2. Typowy driver zbudowany na elementach dyskretnych

Na rysunku 1 pokazano typowy układ aplikacyjny przełącznika SPDT na diodach PIN w układzie w.cz. Zawiera on cztery diody PIN oraz filtr dolnoprzepustowy L1/ C2 i L3/C4, poprzez który podawany jest sygnał sterujący w taki sposób, aby zapewnić jak najmniejsze oddziaływanie sterowania z transmitowanym sygnałem wysokiej częstotliwości.

Pojemności C1, C3 i C5 blokują składową stałą, natomiast cewka L2 zamyka drogę sygnału dla prądu stałego i napięć o niskiej częstotliwości. Filtr jest nieodłączną częścią układu przełącznika, niemniej warto zauważyć, że jego elementy składowe obciążają dodatkowo driver i powodują, że wymagana wydajność prądowa jest jeszcze większa, niż wynika to z właściwości samych diod. Elementy reaktancyjne filtru osłabiają ponadto stromość zboczy sygnałów sterujących.

Driver

Na rysunku 2 przedstawiono schemat typowego drivera zbudowanego z podzespołów dyskretnych. Podobną funkcję realizują specjalizowane układy scalone dostępne na rynku. Niemniej ich funkcjonalność ogranicza się do sterowania sygnałem TTL, a ceny nie należą do najniższych. Istnieje możliwość realizacji drivera z wykorzystaniem wzmacniacza operacyjnego.

Rozwiązanie to charakteryzuje się dużą elastycznością i szybkością, gdyż szybkość zmian sygnału wyjściowego dla wielu nadających się do tego zastosowania układów ma na poziomie 1000V/μs. Poniżej pokazane zostaną trzy przykładowe rozwiązania drivera bazujące na wzmacniaczach operacyjnych firmy Analog Devices sterujące diodą PIN GaAs.

AD8037 – wzmacniacz z obcinaniem

Rys. 3. Układ sterujący z wykorzystaniem wzmacniacza AD8037

Układ bazujący na AD8037 może pracować z częstotliwością do 10MHz, zapewniając czas przełączenia 15ns. Pierwotnie wzmacniacz został przygotowany do współpracy z przetwornikami A/C, a jego wyjście zawiera układ ograniczania wartości napięcia zapobiegający przesterowaniu wejścia przetwornika. Na rysunku 3 widać przykładowe rozwiązanie z dwoma takimi wzmacniaczami pracującymi w układzie nieodwracającym ze wzmocnieniem równym 4.

Wbudowany układ obcina napięcia na ustalonym poziomie (V_CH i V_CL). Przy wzmocnieniu 4 i obcinaniu na poziomie ±3V (co ustala się wartością rezystancji R2, R3, R7 i R8) zapewnia bardzo dużą szybkość narastania zboczy sygnału sterującego na poziomie 2ns. Kompletny układ sterownika uzupełnia stopień wejściowy na dwóch bramkach 74F86 XOR, co daje minimalne przesunięcie zboczy pomiędzy komplementarnym wyjściem drivera i zapewnia krótki czas propagacji sygnału.

Oporniki R4, R5, R6 i R9 odpowiadają za przesunięcie poziomu sygnału ze standardu TTL do ±1,2V podawanego przez R10 i R12 na układy U2 i U3. Wejściowe napięcie ±1,2V zapewnia 60-procentowe przesterowanie wzmacniaczy i pewne działania układu obcinającego na wyjściu na ±3V. Rezystory R16 i R17 określają wartość prądu płynącego przez diody w stanie ustalonym, pojemności C12 i C13 wyznaczają wartość szczytową prądu płynącego przez diody PIN.

AD8137 – wzmacniacz różnicowy

Rys. 4. Driver ze wzmacniaczem różnicowym AD8137

Wzmacniacz różnicowy, jak na przykład AD8137 pierwotnie przeznaczony do współpracy z przetwornikami A/C, zapewnia wyjątkową szybkość przełączania i charakteryzuje się niewielką ceną. Zapewnia on szybkość przełączania 7–11ns, włączając w to czas propagacji sygnału w driverze (rys. 4). Dokonuje on konwersji poziomów TTL (0-3,5V) na komplementarny sygnał ±3,5V poprzez 4-krotne wzmocnienie. Średnia wartość sygnału TTL to 1,75V i dlatego taki potencjał przyłożony został do R2 jako V_REF, co zapewnia brak napięcia offsetu na wyjściu układu i symetryczną pracę.

ADA4858-3 – potrójny wzmacniacz z pompą ładunkową

Wiele układów elektronicznych zasilanych jest tylko z pojedynczego źródła. Nierzadko jest to kłopotliwe, a niestety sterowanie diodami PIN zwykle wymaga zasilenia sterownika napięciem ujemnym. Niemniej warte rozważenia jest zastosowanie pomocniczego zasilacza wykorzystującego pompę ładunku.

Przykład pokazano na rysunku 5, gdzie użyty został potrójny szybki wzmacniacz ADA4858-3 z prądowym sprzężeniem zwrotnym. Jego cechą charakterystyczną jest wbudowana pompa ładunkowa dostarczająca ujemnego napięcia zasilającego pozwalającego na obniżenie napięcia na wyjściu do –1,8...–3V w zależności od napięcia zasilania i obciążenia.

Rys. 5. Układ zasilany pojedynczym napięciem bazuje na potrójnym wzmacniaczu operacyjnym z wbudowaną pompą ładunkową

Układ jest w stanie dostarczyć do obciążenia nawet 50mA, co zapewnia dużą szybkość działania. Prądowe sprzężenie zwrotne wymaga od projektanta zwrócenia uwagi na elementy zewnętrzne pętli tak, aby zapewniona została stabilność działania i odpowiednia odpowiedź częstotliwościowa transmitancji. Zaproponowana wartość dzielnika 210/294Ω jest dobrym kompromisem podanym w kartach katalogowych.

Podsumowanie

Trzy podane przykłady układu sterującego dla przełącznika sygnału w.cz na diodach PIN pokazują, że możliwe jest znalezienie funkcjonalnej alternatywy dla tradycyjnych driverów zapewniające lepsze parametry od fabrycznych specjalizowanych układów scalonych przy zachowaniu mniejszej ceny. Istotne jest również to, że wymienione układy pozwalają na dopasowanie parametrów do wymagań projektowanej aplikacji, w tym wzmocnienia i charakterystyki częstotliwościowej pętli sprzężenia zwrotnego, co zwykle jest niemożliwe w układach firmowych.

John Ardizzoni
Analog Devices

Artykuł został udostępniony przez Farnell we współpracy z Analog Devices.