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用PIN二极管设计:分立式、HMIC还是AlGaAs?乍一看,实现固态RF或微波开关似乎并不是一项艰巨的任务:确定并评估适当的集成电路(IC)开关,如果不存在,则选择将PIN二极管包含在分立式的自定义设计中。由于毫米波RF开关的工作频率较高,因此它似乎更具挑战性。


当研究可用于此任务的设计时,器件的多样性可能占压倒性优势。硅分立式PIN二极管?硅混合微波集成电路(HMICTM) PIN二极管集成电路?砷化镓(GaAs)分立式PIN二极管?砷化铝镓(AlGaAs) IC?对于复合物质,有几种可行的电路拓扑,例如仅串联二极管、串并联二极管和仅并联二极管等。设计人员如何确定如何进行?

并联PIN二极管SPDT.jpg

并联PIN二极管SPDT

高隔离通用PIN SPDT.jpg

高隔离通用PIN SPDT


分立设计与集成电路


将集成电路开关实现到系统中通常比设计分立开关电路更容易。IC开关设计人员是选择最佳二极管特性和开关拓扑以满足开关所需性能规范的专家。IC开关用户只需选择最佳IC,然后设计适当的控制信号偏置解耦网络。包括MACOM IC开关在内的一些产品甚至包括偏置去耦网络。

分立式二极管开关设计可针对可能不存在IC开关的特殊性能要求进行优化,例如插入损耗、隔离、功率处理和开关时间。


HMICTM开关工艺


HMIC技术将玻璃和硅加入到单一的整体结构中,使用自动批处理制造和测试技术生产二极管结构、电阻和电抗集总元件,这些元件针对高性能微波集成电路生产为小尺寸、低损耗元件。这项工艺适用于晶圆级制造,既能有效突破尺寸、成本和性能限制,还可以显著提高传统二极管、有源、无源、混合及芯片细线微波电路的可重复性。

由于HMIC晶片工艺的特性,HMIC开关设计中的所有PIN二极管必须具有相同的I层厚度。HMIC开关只能包括硅PIN二极管,其工作频率上限约为30 GHz。


AlGaAs开关工艺


AlGaAs技术具有包括毫米波段的超宽带宽能力、低插入损耗、低偏置电流消耗、紧凑的芯片尺寸、BCB划痕保护以及集成偏置网络的可用性的特性。

在AlGaAs PIN二极管技术中,二极管的阳极层掺杂有浓度经过精心控制的铝。这可以在P层和I层的交界处产生更大的带隙,最终可以形成串联电阻比其他相同GaAs PIN二极管结构更低的PIN二极管(可参见:用二极管设计:为什么选择AlGaAs?预期的结果是在毫米波频率达到和高于100 GHz时改善性能)。


合理的决策


设计人员为实现PIN二极管开关功能而选择遵循的方法受许多因素的影响:工作频率和带宽、功率处理要求、开关时间要求、最大可接受插入损耗、最小所需隔离以及电路设计人员对开关设计的知识和经验水平,其中最后一项尤为重要。


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