CN111819728A - 低功率pin二极管驱动器 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于射频(RF)切换电路的装置和方法，并且更特别地涉及用于高速、高重复率和/或高功率应用的PIN二极管驱动器电路。PIN二极管驱动器可以包括提供给PIN二极管的双电压反向偏置，该双电压反向偏置可以由第一相对较低电压的电源和第二相对较高电压的电源提供。与PIN二极管在第二相对较高的偏置电压下的反向偏置期间相比，相对较低的电压在更低的电压下使PIN二极管的本征层放电，以便减少总功耗。

Description

低功率PIN二极管驱动器

相关申请的交叉引用

本专利合作条约(PCT)申请与于2018年1月11日提交的题为“三源PIN二极管驱动器(Triple Supply Pin Diode Driver)”的美国专利申请No.62/616,303相关并要求其优先权，其全部内容出于所有目的通过引用并入本文。

技术领域

本公开的实施例总体上涉及二极管驱动器电路，并且更特别地涉及PIN二极管驱动器，所述PIN二极管驱动器例如在高速切换应用期间采用较低的反向偏置电压和之后的较高的反向偏置电压以减少来自PIN二极管的功耗。

背景技术

PIN二极管用在许多不同的应用中。在一个特定示例中，PIN二极管可以用在匹配网络中，以将负载的阻抗匹配到高功率射频发生器可以向其中输送功率的阻抗。不管具体用途如何，PIN二极管的高速切换可能在每次开关循环中涉及高功耗，这在使用多个PIN二极管的器件中更加严重。尤其考虑到这些观察，设想了本公开的方面。

发明内容

本公开的实施例总体上涉及用于射频(RF)切换电路的系统和方法，并且更具体地涉及用于高速、高重复率和/或高功率应用的PIN二极管驱动器电路。在一个示例中，驱动器电路包括提供给PIN二极管的双电压反向偏置，双电压反向偏置可以由相对较低电压的第一电源和相对较高电压的第二电源提供。在一些示例中，正向偏置电流可以由第三电源提供。

实施例还涉及驱动PIN二极管的方法，当在PIN二极管的反向偏置下时，该方法涉及将第一反向偏置电压连接到PIN二极管。在将第一反向偏置电压连接到PIN二极管之后并且在对PIN二极管进行正向偏置之前，该方法还涉及将大于第一反向偏置电压的第二反向偏置电压连接到PIN二极管。与例如仅部署一个大的反向偏置电压的常规PIN二极管相比，第一反向偏置电压将在比PIN二极管在第二反向偏置电压下的反向偏置期间更低的电压下使PIN二极管的本征层放电，以便减少总功耗。

另一个实施例涉及包括可与PIN二极管操作耦合的电源的PIN二极管驱动器电路，该电源在PIN二极管的反向偏置期间，向PIN二极管提供第一反向偏置电压并且连续地向PIN二极管提供大于第一反向偏置电压的第二反向偏置电压。在一个示例中，电源包括第一电压电源和第二电压电源。该电源还包括：第一开关器件，当第一开关器件被配置为处于闭合状态时，该第一开关器件将正向偏置电流源连接到PIN二极管，正向偏置电流向PIN二极管提供正向偏置电流以对PIN二极管进行正向偏置；以及至少一个第二开关器件，该至少一个第二开关器件可在第一位置和第二位置之间配置为是可切换的，第一位置将第一低电压源连接到PIN二极管以对PIN二极管进行反向偏置，并且第二位置将第二电压源连接到PIN二极管以对PIN二极管进行反向偏置。

另一个实施例涉及包括可变电抗元件的可变阻抗匹配网络，该可变电抗元件包括：与电容器耦合的PIN二极管；第一开关，该第一开关被配置为将正向偏置源连接到PIN二极管，以对PIN二极管进行正向偏置；以及第二开关，该第二开关被配置为将处于第一反向偏置电平然后处于第二反向偏置电平的至少一个反向偏置源连接到PIN二极管。在一个示例中，第一反向偏置电平是第一反向偏置电压，并且第二反向偏置电平是大于第一反向偏置电压的第二反向偏置电压。

下面将进一步讨论和描述本公开的这些和其他方面以及实施例。

附图说明

图1A-图1B示出了两个常规的双源PIN二极管驱动器电路。

图2A-图2B示出了PIN二极管等效电路。

图3A-图3B示出了两个示例性三源PIN二极管驱动器电路。

图4A-图4B示出了三源PIN二极管驱动器电路的两个示例性实施方式。

图5A-图5B示出了三源PIN二极管驱动器电路的另外两个示例性实施方式。

图6A是匹配网络的示例，该匹配网络用于匹配电源(例如，RF发生器)和在其中可以利用PIN二极管驱动器电路的负载(例如，等离子体负载)之间的阻抗。

图6B是匹配网络的可变电容器元件的示例。

图7是用于控制电源以控制用于高速、高重复率、高功率应用的PIN二极管驱动器电路的方法。

图8是示出可以用于实施本公开的实施例的计算系统的示例的示图。

具体实施方式

PIN二极管是具有夹在重掺杂的p型半导体区(P)和重掺杂的n型半导体区(N)之间的未掺杂或轻掺杂的本征(I)半导体区的电二极管器件；因此，以“PIN二极管”命名。通常，PIN二极管在低频率输入信号下遵循常规的二极管行为，但在较高频率输入信号下在正向偏置或导通状态下作为电阻器进行操作，并且在反向偏置或关断状态下作为小的电容器进行操作。因此，PIN二极管常常用于衰减器、快速切换、射频(RF)应用、以及期望高隔离度和低损耗的高电压电子应用。在一个特定的实施方式中，PIN二极管用于阻抗匹配网络，该阻抗匹配网络被配置为将等离子体负载的变化的负载阻抗匹配到期望的阻抗(例如，50ohm或70ohm)，使得高功率RF发生器可以有效地输送功率。在这样的实施方式中，PIN二极管用于连接或断开阻抗匹配网络的无功部件(通常是电容器)，以通过将无功元件切入和切出网络来快速改变匹配网络的属性。

切换电路中的PIN二极管通常具有附带的PIN二极管驱动器电路或开关驱动器，其提供受控的正向偏置电流和反向偏置电压。例如，图1A和图1B示出了两个常规的双源PIN二极管驱动器电路100、101。例如，每个电路包括相应的PIN型二极管102、104，PIN型二极管102、104可以依次连接到一些类型的RF电路。每个PIN二极管102、104由两个电源(用于电路100的电源110和114、以及用于电路101的电源112和116)驱动，以向相应的PIN二极管提供正向偏置电流和反向偏置电压。例如，在电路100中，低电压正向偏置电流源110串联连接到开关118，并且高电压反向偏置电压源114也连接到开关120。当开关118闭合(并且开关120打开)时，正向偏置电流源110向PIN二极管102提供正向偏置电流。当开关120闭合(并且开关118打开)时，反向偏置电压源114在PIN二极管102的两端提供反向偏置电压。类似地，在电路101中，高电压反向偏置电压源116串联连接到开关122，以在开关122闭合时在PIN二极管104的两端提供反向偏置电压，并且低电压正向偏置电流源112在开关124闭合时向PIN二极管104提供正向偏置电流。电路100、101中的电感器106、108可以是电感器，但是更通常地表示在低频率下通过直流(DC)但是抑制由RF电路施加到PIN二极管102、104的RF频率的任何电路的符号表示。可以在位置106、108处的电路类型的示例包括RF扼流圈、一个或多个LC并联谐振回路、(在RF频率下的)四分之一波长传输线等。

参考电路100作为示例，现在描述PIN二极管驱动器电路的操作。为了对PIN二极管102进行正向偏置，闭合开关118并且打开开关120。低电压电流源110向PIN二极管102提供正向偏置电流。当PIN二极管被正向偏置时，来自二极管102的P区材料的空穴和来自N区材料的电子被注入到被夹在中间的I区材料中。由于二极管102中的电荷无法立即复合，因此净电荷会存储在I区中一段时间，这称为载流子寿命。因此，二极管在RF频率下充当具有有效的“导通”电阻值的电阻器。图2A中示出了等效的正向偏置电路202。

为了对PIN二极管102进行反向偏置，打开开关118并且闭合开关120，以从高电压反向偏置电压源114向PIN二极管提供反向偏置电压。在反向偏置操作期间，PIN二极管102具有由小电容分流的大电阻器的等效电路(图2B的204)。通过改变PIN二极管102的各方面，可以在各种上下文中实现用于特定应用的各种正向偏置电阻和反向偏置电容。

常规的PIN二极管驱动器电路100、101的潜在的性能问题是，当用于高速、高重复率和/或高功率应用时，这样的PIN二极管驱动器可能消耗大量功率。为了说明的目的，当PIN二极管102用于具有从3至30MHz的频率范围的高功率应用时，PIN二极管102可以从正向偏置电流源110以1安培被正向偏置并且从反向偏置电压源114以1500V被反向偏置。在这样的应用中，典型的二极管的载流子寿命可以约为12μs。为了快速(例如，在比载流子寿命短的时间段内)从正向偏置(导通)状态切换到反向偏置(关断)状态，必须从二极管去除的电荷趋向于是正向电流和载流子寿命的乘积。在上面直接引用的示例中，将去除12μC的电荷以从正向偏置状态切换到反向偏置状态。如果由高电压电源114去除该电荷，则耗费的能量是电源电压和电荷的乘积，即1500V×12μC＝18mJ。如果以高重复率执行该操作，则对于许多类型的应用来说，所需的功率可能是过高的。例如，如果将以10kHz的重复率执行PIN二极管102的操作，则在该示例中，来自高电压电源114的功率为18mJ×10kHz＝180W。

减少在这样的高速、高重复率和/或高功率RF应用中所消耗的与PIN二极管102的操作相关的功率的一种解决方案是在施加高电压反向偏置之前，使用至少一个附加的电源在低于该反向偏置电压的电压下将二极管从“导通”状态恢复到“关断”状态。图3A-图3B示出了对应于图1A-图1B的二极管配置驱动器电路100、101的两个示例性三源PIN二极管驱动器电路300、301。然而，图3A-图3B的驱动器电路300、301包括均向相应的PIN二极管302、304提供低电压反向偏置的附加的相应电源326、328。在其他优势中，通过将低的反向偏置电压施加到PIN二极管302、304，二极管在低于常规的PIN二极管驱动器的电压下从导通状态恢复(去除了本征层电荷)到关断状态(或将正向偏置恢复到反向偏置)，由此消耗了更少的功率。

特别地，参考图3A，驱动器电路300包括PIN二极管302，PIN二极管302可以连接到或以其他方式集成在各种可能类型的RF电路或其他电路中。在本文讨论的RF电路应用中，电路还可以包括代表性电感306或通过DC和低频率但是抑制由RF电路施加到PIN二极管的RF频率的其他形式的电路。驱动器电路还包括连接到开关318的低电压正向偏置电流源310，以在开关318闭合的情况下向PIN二极管提供正向偏置电流。

该电路还包括连接到开关320的高电压反向偏置电压源314，以向PIN二极管提供反向偏置电压。

不同于图1A和1B中所示的驱动器电路，驱动器电路300、301包括附加的功率电压源326、328，以向相应的PIN二极管302、304提供低电压反向偏置电压。参考图3A，如上面讨论的，正向偏置电流源310被提供给PIN二极管302以对器件进行正向偏置。然而，为了对PIN二极管302进行反向偏置，使用了低电压反向偏置源326和高电压反向偏置源314的组合。更特别地，在一个特定示例中，当对PIN二极管302进行反向偏置时，开关320可以用于在低压反向偏置源326和高电压反向偏置源314之间进行选择。当连接正向偏置电流源时，该开关还可以切断两个反向偏置源。在第一配置中，当正向偏置电流被切断时，开关320首先将低电压反向偏置源326连接到PIN二极管302。在反向偏置操作中，第一配置提供了低电压本征层电荷去除。在稍后的某个时间，开关320可以被定向为第二配置，该第二配置将高电压反向偏置源314连接到PIN二极管302以提供高电压反向偏置信号。

通常选择PIN二极管在连接到高电压反向偏置源之前连接到低电压反向偏置源的时间，使得在连接到高电压电源之前去除存储在PIN二极管的本征区中的大部分的电荷(如果不是全部)。该时间取决于用于去除电荷的反向电流的电平。对于高电流电平和快速切换，要被去除的总电荷约等于刚好在开始对PIN二极管进行反向偏置之前的正向电流乘以载流子寿命。为了用数字化示例进行说明并参考图3A，假定第一(例如，低)电压反向偏置电压为15V，代表性电感器306为具有值为2μH的电感器，正向偏置电流为1A，并且载流子寿命为12μs。使用这些值，去除电荷的时间约为1.8μs，在此时间期间，忽略PIN二极管电荷分布的详细特性，反向电流将增加至约13.5A。对这种类型的驱动器的详细分析表明，使用低电压电源几乎不可能去除所有电荷。在大多数情况下，电荷将在P-I或I-N界面处被完全去除，从而阻止进一步有效去除I区中剩余的电荷。尽管存在这种行为，使用该方式仍可以节省大量功率。在所示的示例中，当第二(例如，较高，在1500伏)反向电压源连接到PIN二极管时，第一反向电压源断开。当连接高电压反向偏置源时，低电压反向偏置源的断开可以用如下所示的二极管来完成。在图3B的示例中，第一反向偏置电压可以为约-15伏，并且第二反向偏置电压可以为约-1500伏，这具有类似的功率节省效果。在图3B的示例中，为了简单起见，第二电压在本文中可以被称为“较高”或“较大”电压，因为它是比第一电压(例如，-15伏)更大的负电压(例如，-1500伏)。

在一些RF电路实施方式中，例如本文讨论的阻抗匹配网络，可以以高重复率将PIN二极管从正向偏置(导通)状态切换到反向偏置(关断)状态。例如，一些这样的电路可以以比12μs的载流子寿命更快的速率切换PIN二极管，以连接和断开电容器以用于抗匹配，常常以10kHz的速率进行重复。因此，可以控制图3A的PIN二极管驱动器电路300的开关318、320，以在正向偏置源和反向偏置源之间快速切换。更特别地，开关318的打开和将开关320在第一位置(用于连接低电压反向偏置源326)和第二位置(用于连接高电压反向偏置源314)之间进行配置可以以10kHz的速率发生，从而为这样的网络提供足够的阻抗匹配性能。应当理解，开关318、320被激活和控制的速率可以取决于PIN二极管驱动器所连接到的RF电路的类型。不同的RF电路可以利用PIN二极管切换的不同速率。然而，在许多情况下，辅助PIN二极管的切换操作的第三低电压偏置源的使用可以减少电路所消耗的功率。

在示出的示例中，示出了两个反向偏置电源，其中一个提供相对较低的电压以主要用于电荷去除，并且另一个提供相对较高的电压以主要用于对PIN二极管的反向偏置操作。还示出了多位置开关以在电源之间切换和断开两个电源。替代地，可以采用具有两个或更多个电压设置的电源与诸如如图1A中所示的单位置开关相结合。在这样的布置中，在反向偏置操作期间，正向偏置电流电源被切断，并且多电平电源连接到PIN二极管。然后可以首先在内部将多电平电源切换到相对低的反向偏置电压模式，并且随后切换到相对高的反向偏置电压模式。

无论使用两个反向偏置电源还是使用多电平反向电源，相对于诸如图1A和图1B中所示的常规驱动器电路，使PIN二极管302在正向偏置和反向偏置之间切换并使本征层放电所需的功率是减小的。例如，假定驱动器电路300的低电压反向偏置源326是15V的电源。在上面的示例中，利用该电源326来恢复PIN二极管302，与使用1500V的电源(例如高电压反向偏置电压源314)来恢复二极管相比，恢复二极管所消耗的功率减少了因数100。在利用PIN二极管302的高速、高重复率和/或高功率应用中，尤其感觉到通过使用低电压反向偏置源326所消耗的功率的减少。因数100(两个电压之间的比率)是在假定所有存储的电荷被具有低100倍的电压的源去除的情况下，所消耗功率的理论上的最大减少。

由于PIN二极管的特性，在一些应用中可能无法实现所消耗功率的如此大的减少。尽管如此，使用本文讨论的概念可以实现显著的功率节省，并且在各种示例性电路中可以反映出显著的功率节省。为了有效的功率节省，设想低电压反向偏置源的电压与高电压反向偏置源的电压之间的比率在3和2000之间。使用逼真的PIN二极管模型的仿真使用与图3A的电路(其中电感器306为60μH)类似的电路来预测在1.8和4.1之间的功率节省因数。为了在5微秒内使典型的高功率PIN二极管从导通状态切换到关断状态，使用约180V的低电压源和约1500V的高电压源来预测1.8的功率节省因数。在20微秒内对同一二极管进行切换，使用20V的低电压源与约1500V的高电压源来预测3.3的功率节省因数，并且在50微秒内对同一二极管进行切换，使用1V的低电压源和1500V的高电压源来预测4.1的功率节省因数。由于低电压反向偏置源的最佳值取决于所期望的切换速度，因此在一些应用中，取决于所期望的切换速度，电压偏置源中的一个或两个(例如，低电压偏置源)可以是可变的并且可以被调整为最佳性能。

驱动器电路301以类似的方式操作，其中开关330具有第一配置以在第一时间提供低反向偏置电压328并在第二时间提供高反向偏置电压316以减少电路的功耗，来将PIN二极管304从正向偏置条件驱动到反向偏置条件。

图4A-图4B示出了三源PIN二极管驱动器电路的两个可能的实施方式。术语“三”是指施加到PIN二极管的三个不同的偏置值包括正向偏置、第一反向偏置和第二反向偏置。在示例中，三个不同的偏置值可以是正向偏置电流和相关联的源、第一低反向偏置电压和相关联的源、以及第二反向偏置电压和相关联的源、或者来自相关联的多电平源的第一低反向偏置电压和第二反向偏置电压。

图4A示出了三源二极管驱动器电路的一个特定实施方式。类似于上面描述的电路，电路400可以包括可以连接到某种形式的RF电路的PIN二极管402、代表性电感406、连接到开关418以向PIN二极管提供正向偏置电流的低电压正向偏置电流源410、以及连接到开关420以向PIN二极管提供反向偏置电压的高电压反向偏置电压源414。在电路400中，开关418和开关420是场效应晶体管(FET)，并且特别是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。然而，应当理解，在电路400中可以利用其他类型的电子开关器件以用于在打开状态和闭合状态之间进行切换。

如电路400中所示，高电压反向偏置电压源414通过第一开关420连接到PIN二极管402。开关420可以是以与上述类似的方式操作的MOSFET型开关器件，以向PIN二极管提供高电压反向偏置电压从而驱动PIN二极管进入反向偏置状态。另外，电路400中可以包括低电压反向偏置源426，以通过开关432的操作向PIN二极管402提供低电压反向偏置信号。如另外讨论的，与高电压源414相比，第一反向偏置电压用于以相对较低的电压来放电或以其他方式去除累积在本征区中的电荷，由此减少了由电路消耗的功率。特别地，通过开关420和开关432的操作，驱动器电路400在切换到“关断”状态时首先从低电压反向偏置源426向PIN二极管提供低电压反向偏置信号，随后从高电压反向偏置源414提供高电压反向偏置信号。即，在连接第二相对较大的反向偏置电压之前首先连接第一相对较低的反向偏置电压。开关432可以串联连接在低电压反向偏置源446和二极管434之间，以在第三开关432处于闭合状态并且开关418和420处于打开状态时向PIN二极管402提供低电压反向偏置信号。因为MOSFET具有体二极管，所以二极管434(以及类似地，图4B中的438)放置成在接通开关420时防止开关432的体二极管进行传导，并且防止低反向源和高反向源之间的短路(除了体二极管的电压降)。另外，当开关418打开时，该二极管允许开关418和420的结点处的电压比低电压反向偏置源426的电压更负地摆动，从而允许电感元件406中的电流快速反向。二极管438允许在图4B的电路中发生同样的情况。因此，图4A中所示的实施方式利用开关432和420以及二极管434作为三位置开关。第一位置对应于当开关434和420两者关断(打开)时，断开反向偏置源426和414两者。在该位置，开关418将通常是导通(闭合)的或以其他方式被配置为将正向偏置电流源连接到PIN二极管402。第二位置对应于当开关432导通并且开关420关断时，使低电压反向偏置源426连接到PIN二极管。在该位置，开关418将通常是关断的，并且二极管434将通常被正向偏置。第三位置对应于当开关420导通(传导)时，使高电压反向偏置源连接到PIN二极管。在该位置，开关418将通常是关断的，并且二极管434被反向偏置。开关418充当开关以将低电压正向偏置电流源410与PIN二极管连接或断开。对于高速、高重复率、高功率RF应用，通过开关器件418、420、432、和二极管434的操作，电路400可以在消耗更少的功率的同时驱动PIN二极管402。

在图4B中示出了第二实施方式电路401。类似于电路400，电路401包括连接到任何类型的RF电路的PIN二极管404、代表性电感408、连接到开关436以向PIN二极管提供正向偏置电流的低电压正向偏置电流源416、以及连接到开关424以向PIN二极管提供反向偏置电压的高电压反向偏置电压源412。同样类似地，电路401中也可以包括低电压反向偏置源428，以提供低电压反向偏置信号。在该配置中，低电压反向偏置源428通过二极管438连接到开关424。而且，开关器件430连接到开关424和二极管438。通过开关424和/或开关430的操作或激活，向PIN二极管404提供低电压反向偏置信号或高电压反向偏置信号以驱动二极管的反向偏置操作。特别是对于高速、高重复率、高功率RF应用而言，通过在提供高电压反向偏置信号之前提供低电压反向偏置信号可以显著减少操作PIN二极管404所消耗的功率。

图5A和图5B示出了本公开的替代实施例，对于电源参考PIN二极管阳极而不是阴极的情况，所述替代实施例分别等效于图4A和4B的那些实施例。在图4A和图4B中，例如低电压反向偏置源426和428可以相对于PIN二极管阴极分别向开关432和二极管438提供-20V，并且例如高电压反向偏置源414和412可以相对于PIN二极管阴极分别向开关420和424提供-1500V。在图5A和图5B中，例如低电压反向偏置源526和528可以相对于二极管阳极分别向开关532和二极管538提供+20V，并且例如高电压反向偏置源514和512可以相对于二极管阳极分别向开关520和524提供+1500V。正向偏置电流可以在0.1A至1A的范围内。在许多应用中，低电压反向偏置电源426、428、526、528可以具有低电源电阻，例如小于1Ω，并且高电压反向偏置电源414、412、514、512可以具有大电源电阻，例如1000Ω。用于低电压反向偏置源的低电源电阻提高了切换速度，而用于高电压反向偏置源的高电源电阻防止在切换期间PIN二极管电压的过冲。

如果这样的匹配网络在多个状态之间重复切换，例如当RF发生器的输出功率以高速率被调制并且期望匹配网络保持与发生器匹配的阻抗时，将非线性负载匹配到RF发生器，则这样的改善的PIN驱动器电路在可以具有数十个这样的二极管的射频匹配网络中尤其有用。换句话说，利用PIN二极管的高速、高重复率、高功率应用可以通过利用用于PIN二极管的驱动器电路来显著减少所消耗的功率，该驱动器电路包括如本文所述操作的三个或更多电源。在这样的应用或其他应用中，三个或更多电源可以在多个PIN二极管驱动器布置之间共享。

图6A示出了用于匹配电源602(例如，RF发生器)和负载604(例如，等离子体负载)之间的阻抗的匹配网络600的示例，并且图6B示出了图6A中所示的匹配网络的元件中的可变部件610的特定示例。在该示例中，以一般化的代表性形式示出为网络的匹配网络可以包括固定部件606和可变部件608的数个可能的组合，除零个或多个固定部件之外，还包括一个或多个可变部件。一个或多个可变部件可以使用无功元件和用于将无功元件切入和切出电路的开关来实施。例如，可变电容器610可以被实施为并联的多个分立的开关电容器612A-612N。每个开关电容器可以包括与PIN二极管614A-614N串联连接的电容器，其中PIN二极管由本文讨论的各种可能的示例性PIN二极管驱动器电路616中的一个驱动。在该示例中，驱动器电路被称为双反向偏置电压PIN二极管驱动器，其反映了以下概念：驱动器电路包括以两个不同的电平来对相应的PIN二极管进行反向偏置，第一较低的电压电平用于使PIN二极管的本征层放电，随后第二较高的电压电平用于对PIN二极管进行反向偏置。高电压电平通常必须高于PIN二极管中的任何RF信号的最大幅值，以避免在操作期间对PIN二极管进行正向偏置，并且高电压电平通常是PIN二极管的击穿电压的一半，例如，用于可以处理3000V的二极管的1500V的反向偏置。如本文所示，电路也可以包括正向偏置电流源。正向偏置电流源可以是(调节输出电流的)真正的电流源，但也可以与向PIN二极管提供适当电平的正向电流的与适当的电阻器串联的电压源一样简单。PIN二极管的正向电流决定了处于导通状态的PIN二极管的电阻。典型的所需正向电流值在0.01和1A之间。其他匹配网络拓扑也可以包括PIN二极管。在所示的示例中，任何给定的开关电容器的电容器值可以与不同的开关电容器的值相同或不同。可以以各种串联或并联组合来连接开关电容器，以获得各种开关电容器形成其一部分的给定的可变电容器的期望值。尽管如此，通过对任何给定的PIN二极管进行正向偏置，可以将相应的电容器切入匹配网络，并且当进行反向偏置时，将相应的电容器切出网络。将电容器切入和切出匹配网络来控制匹配网络的阻抗转换属性，以将负载的阻抗匹配到RF发生器可以将功率有效率地输送到负载中的期望的阻抗(通常为50Ω)。

图7是用于控制PIN二极管驱动器电路以减少PIN二极管的功耗的方法700，特别是在高速、高重复率和高功率RF应用中，例如在使用通过PIN二极管切换成各种组合的许多电容器的RF匹配网络中。方法700的操作可以由驱动器电路的控制器(例如可编程逻辑控制器、计算设备、处理设备等)来控制或执行。

出于讨论的原因，假定二极管以正向偏置取向开始，可以首先将正向偏置电流施加到PIN二极管(操作702)。返回参考图3A，例如，驱动器电路300的第一开关318处于闭合位置，从而将正向偏置电流源连接到PIN二极管，并且第二开关320处于第一位置，从而断开两个反向偏置源。特别地，控制电路或器件可以向开关318提供开关激活信号以闭合开关并将开关320置于第一位置。在MOSFET为开关的情况下，开关激活信号是以合适的栅极驱动信号的形式来使MOSFET传导(闭合)。闭合开关318使低电压电流信号被提供到PIN二极管302以对该二极管进行正向偏置。在一些实施例中，控制器可以向低功率正向偏置电流源310提供控制信号，以激活电流源从而向PIN二极管提供电流。

通过断开正向偏置源(操作704)并连接第一相对较低的电压以开始对PIN二极管进行反向偏置(操作706)来关断PIN二极管。因此，控制器可以去激活(或打开)第一开关318以去除到PIN二极管的正向偏置电流信号。此外，在操作706中，控制器可以控制第二开关320进入第二配置，以从低电压反向偏置源326向PIN二极管302提供低电压反向偏置信号。提供给PIN二极管302的低电压可以开始以反向偏置状态操作PIN二极管302。在初始的低电压反向偏置之后，将相对较高的电压反向偏置施加到PIN二极管(操作708)。更特别地，在稍后的时间(但是通常在等于PIN二极管的载流子寿命的时间已经过去之前)，控制器可以提供信号以将第二开关320改变为第三配置，所述第三配置将高电压反向偏置电压源314连接到PIN二极管302，以进一步将PIN二极管驱动到反向偏置状态。这样，通过图7的方法700，控制器可以在正向偏置状态之间并且通过连接到PIN二极管的RF电路所需的两个(或者可能更多)反向偏置电压电平来驱动PIN二极管302。然而，通过利用低电压反向偏置源326以用于在反向偏置状态下对PIN二极管进行驱动的一些部分，驱动器电路300可以比其他PIN二极管驱动器电路消耗更少的功率。对于高功率和快速切换电路，这样的所消耗功率的节省相对于传统PIN二极管驱动器可以大大改善RF应用的性能。

图8是示出了计算设备或计算机系统800的示例的块图，计算设备或计算机系统800可以用于实施上面公开的网络的部件的实施例。例如，图8的计算系统800可以是控制设备，除了向上面讨论的用于驱动器电路的开关器件中的任一个提供任何控制信号之外，控制设备还用于控制上面讨论的电流源或电源中的任一个。该计算机系统(系统)包括一个或多个处理器802-806。处理器802-806可以包括一个或多个内部级的高速缓存(未示出)以及总线控制器或总线接口单元，以与处理器总线812直接交互。处理器总线812(也称为主机总线或前端总线)可以用于使处理器802-806与系统接口814耦合。系统接口814可以连接到处理器总线812，以使系统800的其他部件与处理器总线812接口连接。例如，系统接口814可以包括存储器控制器818，以用于将主存储器816与处理器总线812接口连接。主存储器816通常包括一个或多个存储器卡和控制电路(未示出)。系统接口814也可以包括输入/输出(I/O)接口820，以将一个或多个I/O桥或I/O器件与处理器总线812接口连接。如图所示，一个或多个I/O控制器和/或I/O器件(例如I/O控制器828和I/O器件830)可以与I/O总线826连接。系统接口814还可以包括总线控制器822，以与处理器总线812和/或I/O总线826交互。

I/O器件830还可以包括输入设备(未示出)(例如字母数字输入设备)，其包括字母数字键和用于将信息和/或命令选择传送给处理器802-806的其他键。另一种类型的用户输入设备包括用于将方向信息和命令选择传送给处理器802-806并且用于控制光标在显示设备上的移动的光标控制，例如鼠标、轨迹球、或光标方向键。

系统800可以包括耦合到处理器总线812的动态存储设备(称为主存储器816)、或随机存取存储器(RAM)或其他计算机可读设备，以用于存储要由处理器802-806执行的信息和指令。主存储器816也可以用于在处理器802-806执行指令期间存储临时变量或其他中间信息。系统800可以包括耦合到处理器总线812的只读存储器(ROM)和/或其他静态存储设备，以用于存储用于处理器802-806的静态信息和指令。图8中阐述的系统仅仅是根据本公开的方面的可以采用或被配置的计算机系统的一个可能的示例。

根据一个实施例，以上技术可以由计算机系统800响应于处理器804来执行，处理器804执行包含在主存储器816中的一个或多个指令的一个或多个序列。这些指令可以从另一个机器可读介质(例如存储设备)被读入主存储器816中。执行包含在主存储器816中的指令的序列可以使处理器802-806执行本文描述的处理步骤。在替代实施例中，可以使用电路代替软件指令或与软件指令结合。因此，本公开的实施例可以包括硬件和软件部件两者。

机器可读介质包括用于以机器(例如，计算机)可读的形式(例如，软件、处理应用)存储或传输信息的任何机制。这样的介质可以采取但不限于非易失性介质和易失性介质的形式。非易失性介质包括光盘或磁盘。易失性介质包括动态存储器，例如主存储器816。机器可读介质的常见形式可以包括但不限于磁性存储介质；光学存储介质(例如，CD-ROM)；磁光存储介质；只读存储器(ROM)；随机存取存储器(RAM)；可擦除可编程存储器(例如，EPROM和EEPROM)；闪存存储器；或适于存储电子指令的其他类型的介质。

本公开的实施例包括在本说明书中描述的各种步骤。这些步骤可以由硬件部件执行，或者可以体现在机器可执行指令中，该机器可执行指令可以使利用指令编程的通用或专用处理器来执行步骤。替代地，该步骤可以由硬件、软件和/或固件的组合来执行。

上面的说明书包括体现本公开的技术的示例性系统、方法、技术、指令序列、和/或计算机程序产品。然而，应当理解，可以在没有这些特定细节的情况下实践所描述的公开。在本公开中，所公开的方法可以被实施为设备可读的指令集或软件。此外，应当理解，所公开的方法中的步骤的特定顺序或层级是示例性方式的实例。基于设计偏好，应当理解，在保持在所公开的主题之内的同时，可以重新布置该方法中的步骤的特定顺序或层级。所附的方法权利要求以样本顺序呈现了各个步骤的要素，并且并不一定表示限于所呈现的特定顺序或层级。

相信应当通过前述描述来理解本公开及其许多附带的优势，并且应当显而易见的是，在不脱离所公开的主题或不牺牲其所有实质优势的情况下，可以对部件的形式、结构和布置做出各种改变。所描述的形式仅是说明性的，并且所附权利要求旨在包含和包括这样的改变。

在随后的说明书和权利要求中，当应用于反向偏置电压时，“更大”应当在绝对值意义上解释为更大。例如，就这个意义来说，-1500伏的反向偏置大于-30伏的反向偏置，因为︱-1500︱>︱-30︱。当应用于反向偏置电压时，低和高也应当在绝对值意义上进行解释。例如，就这个意义来说，“低”反向偏置可以为-15伏，而“高”反向偏置电压可以为-1500伏。

尽管已经参考各种实施例描述了本公开，但是应当理解，这些实施例是说明性的，并且本公开的范围不限于这些实施例。许多变化、修改、添加、和改善是可能的。更通常地，已经在特定实施方式的上下文中描述了根据本公开的实施例。在本公开的各种实施例中，可以在块中以不同的方式对功能进行分离或组合，或者用不同的术语描述功能。这些和其他变化、修改、添加、和改善可以落入如所附权利要求中所限定的本公开的范围内。

Claims (27)

1.一种驱动PIN二极管的方法，包括：

在PIN二极管的反向偏置中，将第一反向偏置电压连接到所述PIN二极管；以及

在将所述第一反向偏置电压连接到所述PIN二极管之后，并且在对所述PIN二极管进行正向偏置之前，将大于所述第一反向偏置电压的第二反向偏置电压连接到所述PIN二极管。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，与所述PIN二极管在所述第二反向偏置电压下的反向偏置期间相比，所述第一反向偏置电压在更低的电压下使所述PIN二极管的本征层放电，以便减少总功耗。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括：

闭合第一开关器件，以通过所述PIN二极管传输正向偏置电流从而以正向偏置操作状态驱动所述PIN二极管；

打开所述第一开关器件以从所述PIN二极管去除所述正向偏置电流；在所述PIN二极管的所述反向偏置中，

将第二开关器件配置为第一配置，所述第一配置将第一电压源连接到所述PIN二极管，以将所述第一反向偏置电压施加到所述PIN二极管；并且

将所述第二开关器件配置为第二配置，所述第二配置将第二电压源连接到所述PIN二极管，以将所述第二反向偏置电压施加到所述PIN二极管。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一反向偏置电压为约15伏，并且所述第二反向偏置电压为约1500伏。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一反向偏置电压为约-15伏，并且所述第二反向偏置电压为约-1500伏。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括基于所述PIN二极管的切换频率来调整所述第一反向偏置电压和所述第二反向偏置电压中的至少一个。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二反向偏置电压在所述第一反向偏置电压的值的3至2000倍的范围内。

8.一种PIN二极管驱动器电路，包括：

能够与PIN二极管操作耦合的电源，所述电源在所述PIN二极管的反向偏置期间，向所述PIN二极管提供第一反向偏置电压并且连续地向所述PIN二极管提供大于所述第一反向偏置电压的第二反向偏置电压。

9.根据权利要求8所述的PIN二极管驱动器电路，其中，所述电源包括第一电压电源和第二电压电源，并且还包括：

第一开关器件，当所述第一开关器件被配置为处于闭合状态时，所述第一开关器件将正向偏置电流源连接到所述PIN二极管，所述正向偏置电流向所述PIN二极管提供正向偏置电流以对所述PIN二极管进行正向偏置；以及

至少一个第二开关器件，所述至少一个第二开关器件在第一位置和第二位置之间是可配置的，所述第一位置将所述第一低电压源连接到所述PIN二极管以对所述PIN二极管进行反向偏置，并且所述第二位置将所述第二电压源连接到所述PIN二极管以对所述PIN二极管进行反向偏置。

10.根据权利要求9所述的PIN二极管驱动器电路，其中，到所述PIN二极管的所述第一低电压源在第一电平下对所述PIN二极管进行反向偏置，并且到所述PIN二极管的所述第二电压源在大于所述第一电平的第二电平下对所述PIN二极管进行反向偏置，在所述PIN二极管的所述反向偏置期间，所述第一电平和所述第二电平连续地发生。

11.根据权利要求10所述的PIN二极管驱动器电路，其中，在所述PIN二极管的所述反向偏置期间并且在所述PIN二极管的连续的正向偏置之前，所述第二电平在所述第一电平之后。

12.根据权利要求8所述的PIN二极管驱动器电路，其中，所述电源是多电平电源，所述多电平电源在所述PIN二极管的所述反向偏置期间，向所述PIN二极管提供所述第一反向偏置电压，并且连续地向所述PIN二极管提供大于所述第一反向偏置电压的所述第二反向偏置电压。

13.根据权利要求12所述的PIN二极管驱动器电路，其中，所述低的反向偏置电压为约15伏，并且所述高的反向偏置电压为约1500伏。

14.根据权利要求12所述的PIN二极管驱动器电路，其中，所述低的反向偏置电压为约-15伏，并且所述高的反向偏置电压为约-1500伏。

15.根据权利要求8所述的PIN二极管驱动器电路，其中，所述第二反向偏置电压在所述第一反向偏置电压的值的3至2000倍的范围内。

16.根据权利要求8所述的PIN二极管驱动器电路，其中，所述第一反向偏置电压和所述第二反向偏置电压中的至少一个基于所述PIN二极管的切换频率是可调整的。

17.一种可变阻抗匹配网络，包括：

可变电抗元件，包括：

与电容器耦合的PIN二极管；

第一开关，所述第一开关被配置为将正向偏置源连接到所述PIN二极管以对所述PIN二极管进行正向偏置；以及

第二开关，所述第二开关被配置为将处于第一反向偏置电平随后处于第二反向偏置电平的至少一个反向偏置源连接到所述PIN二极管。

18.根据权利要求17所述的可变阻抗匹配网络，其中，所述第一反向偏置电平是第一反向偏置电压，并且所述第二反向偏置电平是大于所述第一反向偏置电压的第二反向偏置电压。

19.根据权利要求17所述的可变阻抗匹配网络，其中，所述正向偏置源是正向偏置电流源。

20.根据权利要求17所述的可变阻抗匹配网络，其中，所述至少一个反向偏置源是多电平电源。

21.根据权利要求18所述的可变阻抗匹配网络，其中，所述至少一个反向偏置源包括提供所述第一反向偏置电压的第一电压源和提供所述第二反向偏置电压的第二电压源。

22.根据权利要求18所述的可变阻抗匹配网络，其中，所述第一反向偏置电压为约15伏，并且所述第二反向偏置电压为约1500伏。

23.根据权利要求18所述的可变阻抗匹配网络，其中，所述第一反向偏置电压为约-15伏，并且所述第二反向偏置电压为约-1500伏。

24.根据权利要求18所述的可变阻抗匹配网络，其中，所述第二反向偏置电压在所述第一反向偏置电压的值的3至2000倍的范围内。

25.根据权利要求17所述的可变阻抗匹配网络，其中，所述第一反向偏置电压基于所述PIN二极管的切换频率是可调整的。

26.根据权利要求17所述的可变阻抗匹配网络，其中，与所述PIN二极管在所述第二反向偏置电压下的反向偏置期间相比，所述第一反向偏置电压在更低的电压下使所述PIN二极管的本征层放电，以便减少总功耗。

27.根据权利要求17所述的可变阻抗匹配网络，其中，所述第二开关包括MOSFET型晶体管。

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