雖然在實(shí)現(xiàn)固定阻抗電壓可變衰減器(VVA, Voltage Variable Attenuator)時(shí)至少有數(shù)種方法，但只有PI(π)和T拓樸結(jié)構(gòu)可以真正得到10到500MHz范圍內(nèi)的有效實(shí)際應(yīng)用[注1]，除此之外，由于不受限于會(huì)受到頻率影響的元器件，如傳輸線、正交混和電路或循環(huán)器，PI和T配置基本特性為寬帶形式，因而它們的實(shí)際實(shí)施可以連續(xù)涵蓋數(shù)MHz到GHz范圍，特別的是，PI型VVA由于低成本、緊湊性和廣帶寬，因此非常受到衛(wèi)星電視(SATV, Satellite Television)和有線電視(CATV, Cable television)系統(tǒng)的歡迎。

相似于其他無(wú)線器件，PIN二極管PI衰減器模塊也受到了強(qiáng)大的微型化壓力，促使新一代的實(shí)施必須小于前一代。圖1畫(huà)出了數(shù)個(gè)世代此類型VVA的占用空間，以及每年大約以20mm2縮小的趨勢(shì)線估計(jì)，在可能是第一個(gè)對(duì)于這類衰減器微型化的嘗試，是把3個(gè)PIN二極管集成到DIN 50B4囊狀封裝而創(chuàng)建的Intermetall TDA 1053[注2及3]，不過(guò)，60年代的3個(gè)二極管拓樸[注4]并未被包含在圖1中，原因是它大多已經(jīng)被1991年由Waugh所提出的4個(gè)二極管版本[注5]取代。Waugh的設(shè)計(jì)由于可以消除3個(gè)二極管拓樸固有的非對(duì)稱偏置問(wèn)題，因此迅速成為產(chǎn)業(yè)事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)椴捎昧送耆砻尜N裝結(jié)構(gòu)，它同時(shí)也代表了VVA微型化進(jìn)程中的一個(gè)里程碑。此后的微型化企圖有使用2個(gè)SOT-323封裝實(shí)現(xiàn)二極管[注6]，集成二極管和其他無(wú)源器件到單一芯片[注7]，或?qū)⑺?個(gè)二極管集成到單一SOT-89封裝[注8]等作法，單石化的尺寸縮減基本上無(wú)法達(dá)成，原因是必須使用nF級(jí)電容器來(lái)使衰減器能夠達(dá)成CATV上行路徑的5MHz較低頻率限制。

這個(gè)設(shè)計(jì)的重要性在于2008年設(shè)計(jì)當(dāng)時(shí)為同級(jí)產(chǎn)品的最小尺寸，模塊的占用面積為14mm2，大約只有第一代4個(gè)二極管實(shí)施方式的4%。

圖1：PIN二極管PI可變衰減器的尺寸趨勢(shì)

設(shè)計(jì)
圖2為基本PI固定衰減器以及它的設(shè)計(jì)方程，分流電阻R1和串接電阻R3主要用于設(shè)定目標(biāo)衰減值A(chǔ)=20log(K)，并同時(shí)提供匹配系統(tǒng)阻抗特性的輸入和輸出阻抗。在遠(yuǎn)高于截止頻率Fc的頻率工作時(shí)，PIN二極管可以作為電流控制可變電阻，因而這些二極管可以用來(lái)取代電路中的固定電阻以建立可變衰減器。雖然FET場(chǎng)效應(yīng)晶體管也可以扮演同樣的角色，但它的線性度要比PIN二極管差上許多[注9]，并且需要負(fù)的控制電壓。

圖2：基本PI衰減器電路和設(shè)計(jì)方程
其中K為輸入到輸出電壓比，Zo為源端和負(fù)載端阻抗。

PIN二極管因采用的制造方式，例如外延或晶塊，以及它們的I層厚度(W)而不同，晶塊和厚I層帶來(lái)較長(zhǎng)的載子壽命(τ)，為衰減器低失真的重要條件，在缺點(diǎn)方面，具有較長(zhǎng)τ值的PIN二極管需要較大的偏置電流來(lái)控制它的阻值，為了描述τ值和線性度之間的關(guān)系，圖3畫(huà)出了兩個(gè)不同τ值下PIN二極管的二階(IP2)和三階截點(diǎn)(IP3)，由于目標(biāo)應(yīng)用CATV/SATV系統(tǒng)的嚴(yán)格線性要求，較長(zhǎng)壽命的二極管(τ=1500ns)被選用來(lái)實(shí)現(xiàn)VVA，原因是CATV/SATV系統(tǒng)必須同時(shí)承載大量頻道而不會(huì)相互干擾。

圖3：500ns和1500ns二個(gè)不同載子壽命模擬的IP2和IP3相對(duì)PIN二極管電阻值，二級(jí)管采1GHz串接配置

若將固定衰減器中的串接電阻以兩個(gè)二極管取代，可以獲得左右半邊對(duì)稱的衰減器，請(qǐng)參考圖4。分割串接電阻允許偏置插入電阻R3連接到串接臂的中點(diǎn)，而非如3個(gè)二極管結(jié)構(gòu)中的一端，電路的對(duì)稱性可以保證相同的偏置電流流過(guò)分流二級(jí)管，通過(guò)成對(duì)的反向二極管反串接對(duì)實(shí)現(xiàn)串接臂也可以降低二階失真，原因是非線性度會(huì)有180度相位差，因此會(huì)自相抵消。

二極管的偏置電流和衰減由Vc控制，電阻R1和R2作為串接和分流二極管的偏置返回路徑，由于這二個(gè)電阻會(huì)對(duì)射頻路徑進(jìn)行分流，因此它們的電阻值必須高到足以屏蔽射頻，但又不能大到會(huì)有過(guò)大直流電壓出現(xiàn)其上。流過(guò)分流二極管的電流由固定電壓V+提供，并受R4-R5電阻限制，在這個(gè)設(shè)計(jì)中，采用1.5V的經(jīng)驗(yàn)值V+可以得到所有衰減值的最佳回返損耗。

4個(gè)二極管配置的VVA在原始設(shè)計(jì)上控制電壓可以由0V到15V變化，由于現(xiàn)代電子技術(shù)受到電源電壓的限制，因而超過(guò)5V的工作要求會(huì)限制了客戶的使用范圍。限制最高Vc在5V會(huì)有提高最低衰減由3dB到9.5dB的反作用，原因是降低了進(jìn)行串接二極管偏置的最大電流值。

為了在僅有1/3的控制電壓下得到相似于原始設(shè)計(jì)的最小衰減，這個(gè)設(shè)計(jì)使用較小的R1-R3，以允許較大電流流過(guò)串接二極管，R1和R2降低了約42%，由560Ω改為330Ω，R3則由330Ω變成22Ω，降低超過(guò)93%，不過(guò)這些電阻分流射頻路徑，使得它們的電阻值小于4.Zo，如75Ω系統(tǒng)R<300Ω，將會(huì)減低它們作為射頻扼流圈的有效性，通過(guò)R3的射頻損耗特別嚴(yán)重，原因是R3遠(yuǎn)小于4.Zo。為了補(bǔ)償R3減少的扼流能力，在R3上串接一個(gè)鐵氧體磁珠電感L1來(lái)提高有效阻抗[注10]，采用鐵氧體磁珠電感而非傳統(tǒng)電感的原因是前者在寬帶扼流上較為有效。

 
圖4：衰減器模塊電路圖

共有4個(gè)PIN二極管、6個(gè)電阻、5個(gè)電容器和1個(gè)鐵氧體磁珠電感被集成到單一3.8mm x 3.8mm大小的VVA模塊中，器件以板上多芯片MCOB形式組合到10mil厚的Roger RO4350電路板(Er =3.48, tanδ = 0.004 [注 1])上，通孔連接頂端電路走線和底端的直流和射頻器件接點(diǎn)，接著器件面被模塑形成1mm的封裝高度。

圖5：環(huán)氧化物模塑前模塊布局和器件的微縮影圖

結(jié)果和討論
模塊測(cè)試以CATV/SATV頻帶為主，主要是它們?yōu)槟繕?biāo)市場(chǎng)，圖5中的測(cè)試安排包含RO4350 PCB上50Ω的微條狀走線TL1/TL2，分別連接到受測(cè)器件輸入和輸出的TL1和TL2大約為10.6mm長(zhǎng)，尾端于電路板邊緣的微條狀走線接著通過(guò)邊緣安裝SMA插座J1和J2(Johnson公司142-710-851)轉(zhuǎn)換到同軸電纜。

 
圖6：測(cè)量安排和測(cè)試設(shè)置的簡(jiǎn)化框圖

頻率響應(yīng)和衰減范圍通過(guò)連接測(cè)試設(shè)置到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)量，Vc由0.5V到5V連續(xù)變化以產(chǎn)生相對(duì)于頻率的不同衰減值，如圖7，此圖知名于非常平坦的頻率響應(yīng)。Vc ≥ 1.2V時(shí)，0.1到6GHz的衰減變化低于3dB，如果評(píng)估頻率范圍限制在CATV/SATV應(yīng)用的50到2050MHz，那么振幅的變化低于1dB，不過(guò)平坦衰減特性無(wú)法在較低控制電壓，如Vc ≤1.0V得到維持，原因?yàn)榇佣O管會(huì)在這個(gè)低電壓關(guān)斷，射頻信號(hào)會(huì)通過(guò)二極管的寄生電容泄漏。由于寄生電容反應(yīng)與頻率成反比，Vc=1.0V時(shí)衰減曲線假設(shè)受到頻率控制，以每8度6dB變化，衰減可能變化的范圍在低頻時(shí)最大，100MHz時(shí)高于55 dB ，并隨著頻率增高而降低，6GHz時(shí)約為30dB。

圖7：設(shè)置中衰減相對(duì)于頻率為控制電壓(Vc)函數(shù)

圖8顯示衰減相對(duì)于控制電壓Vc的關(guān)系，對(duì)低于1V的Vc，衰減幾乎不會(huì)變化，高于1V時(shí)，衰減會(huì)隨著Vc快速改變，直到超過(guò)2V時(shí)變?yōu)槠教埂ｋm然圖中顯示衰減在2V以上變?yōu)榉€(wěn)定，但實(shí)際上在2V到5V間還是會(huì)有大約2dB的變化，當(dāng)Vc=5V時(shí)，衰減達(dá)到大約-4dB的最終值，這個(gè)數(shù)值在0.3GHz到3GHz時(shí)相對(duì)穩(wěn)定，可以明顯由圖中交疊曲線看出，因此可用的Vc范圍為1V到5V，大部分衰減集中發(fā)生在1V到2V范圍，這是將控制電壓由15V降低到5V無(wú)法避免的權(quán)衡結(jié)果。

圖8：設(shè)置中衰減相對(duì)于控制電壓為頻率函數(shù)

輸入三階截點(diǎn)(IIP3)會(huì)隨著衰減改變，如圖9，串接和分流臂的電阻值以相反方向改變，例如在較大衰減時(shí)，串接臂的電阻值高而分流二極管的電阻值低，因此較大衰減值下較差的IP3來(lái)自于大部分的射頻電流被送到輸入端分流二極管并反向調(diào)變I層，IIP3會(huì)隨著工作頻率提高而改善，例如在1.9GHz時(shí)優(yōu)于900MHz，在40dB的衰減范圍內(nèi)，IP3優(yōu)于52dBm，作為比較，MESFET PI衰減器的IIP3在相同的衰減范圍內(nèi)會(huì)由-2到14dBm變化[注12]，比起這個(gè)設(shè)計(jì)差了約50dB。

圖9：900MHz和1.9GHz時(shí)設(shè)置的三階截點(diǎn)相對(duì)于衰減值

結(jié)論
自身完備的PIN二極管PI衰減器已經(jīng)成功設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)，主要的挑戰(zhàn)在于維持高線性以及在低控制電壓范圍工作，使用MCOB結(jié)構(gòu)，所有必須組件被集成到3.8mm x 3.8mm的區(qū)域內(nèi)，為這類型器件的微型化立下了新的標(biāo)竿，以低成本塑模封裝后，模塊在增益平坦度和線性度上取得了非常良好的射頻性能，包括優(yōu)于基于MESFET相對(duì)等產(chǎn)品最佳IP3達(dá)50dB以上，衰減在50到1950MHz的CATV頻率范圍變化可達(dá)45dB，在5MHz到6GHz范圍則超過(guò)30dB，雖然CATV/SATV系統(tǒng)為原始目標(biāo)應(yīng)用，但衰減器的3級(jí)帶寬可以將它的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到更高帶寬應(yīng)用，如測(cè)試儀器和掃描接收器等。