二極管結(jié)具有隨反向電壓變化的耗盡區(qū)和結(jié)電容。幾十年來，這種“變?nèi)荻O管效應”一直用于無線電接收器的電子調(diào)諧和其他小信號應用。最近，描述了一種稱為“負載調(diào)制”的射頻功率放大器技術(shù) [2]，[3]。我們測試了硅快速恢復二極管、碳化硅肖特基二極管、MOSFET 和傳統(tǒng)的高壓硅整流器，可用作電子調(diào)諧電容。
　　我們發(fā)現(xiàn)快速恢復二極管具有合適的反向電壓與電容特性。RFN5TF8S 是一種超快速整流器，反向恢復時間在 30-50 納秒范圍內(nèi)。此零件的模型包含在 LTSpice 4 中。使用這些二極管進行了仿真。在 30 至 600 伏直流電之間的反向直流偏置電壓下，獲得了超過 2：1 的模擬諧振頻率范圍（圖 2 和圖 3）。
　　二極管電容模擬電路
　

　　圖 1 在 600V 反向電壓下的模擬響應

　　圖 2：圖 1 在 600V 反向電壓下的模擬響應
　　隨后，我們對這些超快速恢復二極管進行了在線評估。雖然這些仿真看起來“還可以”，但我們對在線測試感到驚訝。　　圖 1 在 30V 反向電壓下的模擬響應

　　圖 3：圖 1 在 30V 反向電壓下的模擬響應
　　“快速”二極管器件以及 SiC 肖特基二極管具有高 RF 耗散。電壓波形顯示，既沒有發(fā)生反向擊穿，也沒有發(fā)生正向傳導。損失機制尚不清楚。
　　我們嘗試了標準和超結(jié)硅 MOSFET 作為變?nèi)荻O管。為此，我們將柵極和源極引線短接在一起，并將漏極/源極端子用作電壓可變電容。然后，我們背靠背放置了其中兩個設(shè)備。這導致了另一個驚喜，這次是愉快的。使用兩個 SPP17N80C3 超級結(jié)器件時，在 25 瓦功率水平下的總功耗小于 1 瓦，在 100 瓦水平下的總功耗小于 3 瓦。
　　耗散是通過直流電源替代來確定的，其中調(diào)整直流耗散 （I x R） 以復制在射頻條件下觀察到的溫升。
　　嘗試了兩個 Cree/Wolfspeed 280 毫歐、900 伏碳化硅 MOSFET。在 25 W 的 RF 功率下，我們驚訝地發(fā)現(xiàn)總功率耗散接近 5 W。計算表明，米勒 （CGD） 電容電流乘以內(nèi)部柵極電阻足以超過器件的閾值電壓，從而導致過大的導通損耗。（見參考文獻 5）
　　這些部件的數(shù)據(jù)表明內(nèi)部柵極電阻為 26 歐姆。目前尚不清楚為什么具有如此大性能潛力的技術(shù)顯然會受到如此大的內(nèi)部柵極電阻的阻礙。
　　“老式”整流二極管作為變?nèi)荻O管和開關(guān)
　　標準 1N5408 3 安培 1000 伏整流二極管作為變?nèi)荻O管進行了測試，結(jié)果出奇地好。單個二極管在 25 W RF 功率下的功耗僅為 0.35 W，在 100 W RF 功率下的耗散僅為 2.5 W。四個這樣的二極管并聯(lián)連接。在 100 瓦的射頻功率下，二極管網(wǎng)絡的功耗約為 1.5 瓦。將 C2 分成 C2 和 C3，在圖 4 中的“變?nèi)荻O管”二極管電路上降低射頻電壓，得到 30dB 的功率控制?！　∽?nèi)荻O管功率控制

　　圖 4：變?nèi)荻O管功率控制
　　一個 3 位 PIN 開關(guān)電容器數(shù)字控制電路
　　接下來，我們設(shè)計了一個 3 位數(shù)字開關(guān)電容器網(wǎng)絡，提供 8 個電容步驟。理想的高頻電容開關(guān)在“ON”時應具有接近零的電阻，在“OFF”時應具有非常高的電阻。此外，“關(guān)斷”狀態(tài)電容應非常小。在考慮的所有半導體技術(shù)中，似乎只有 PIN 二極管技術(shù)是可行的。其他開關(guān)技術(shù)具有過多的“關(guān)斷”狀態(tài)電容。在我們的功率水平下，通常需要專用半導體?！　【哂?3 位調(diào)諧網(wǎng)絡的功率級

　　簡而言之，PIN 二極管可以控制安培級射頻電流，直流偏置電流在幾十毫安范圍內(nèi)。幾十年來，PIN 二極管一直用作從 3 MHz 到千兆赫茲區(qū)域的射頻開關(guān)。在“on”（正向偏置）狀態(tài)下，可以實現(xiàn) 0.3 – 2 歐姆的等效阻抗。在“關(guān)斷”（反向偏置）狀態(tài)下，可以實現(xiàn) 1000 至 10,000 歐姆的等效串聯(lián)電阻，結(jié)電容為 0.5 至 3 pF。本文對 PIN 二極管的理論和工作原理有很好的概述[6]。
　　我們發(fā)現(xiàn)幾個 RF 級 PIN 二極管具有合適的擊穿電壓額定值。這些特殊零件的成本高得令人望而卻步。擊穿電壓高于 500 伏的標準硅整流二極管通常具有 PIN 結(jié)構(gòu)。常見的整流二極管，如 1N4007 （1A， 1000V）。已被用作昂貴的射頻級 PIN 二極管的廉價替代品，可控制高達 100 瓦的射頻功率 [7]?！　y量了 1N4007 整流器的結(jié)電容。在 100 伏的 VR 電壓下，電容為 2.6 pF。在 300V 時，結(jié)電容測得為 1.8 pF。在 800 V 時，電容降至 1.6 pF。來自三個制造商的 1N4007 二極管，具有多個日期代碼，變化很小;800 伏反向偏置電容范圍為 1.5 至 2.3 pF。

　　圖 5 顯示了我們的 PIN 開關(guān)概念的原理圖。在 100 VDC 輸入和 110 W 的最大輸出下，PIN 開關(guān)在反向偏置時實際上是開路。選擇電感 L3 與 PIN 二極管的“關(guān)斷”電容諧振，使開關(guān)對電路作透明。1N4007 在“關(guān)閉”時溫升太小，無法準確測量?！　≡凇癘N”條件下，對 PIN 開關(guān)施加了 20 馬 的轉(zhuǎn)發(fā)偏置。二極管溫升同樣太小，無法準確測量。當 65 W 輸出到 50 Ohm 負載時，負載電流約為 1.15 安培。由于開關(guān)電容只是總調(diào)諧電容的一小部分，因此 PIN 開關(guān)僅傳導總負載電流的一小部分。如果 PIN 開關(guān)電阻為 1 歐姆，我們估計在 “on” 狀態(tài)下會導致毫瓦級耗散。

　　表 1：功率輸出與調(diào)音字。
　　只要沒有汲取直流電流，PIN 二極管往往會在峰值施加的 RF 電壓附近進行自偏置。因此，不需要高壓負偏置源來關(guān)閉 PIN 二極管，從而簡化了 3 位 PIN 開關(guān)。完整的功率放大器和電容網(wǎng)絡電路如圖 5 所示。功率輸出與調(diào)諧狀態(tài)的關(guān)系，從 000（八進制“0”）到 111（八進制“7”），如表 1 所示。第 4 列顯示每種狀態(tài)的 DC - RF 效率。該電路將 PIN 二極管接地，大大簡化了驅(qū)動電路并增加了輸出功率范圍。