TWI723320B - 低功率pin型二極體驅動器 - Google Patents

Abstract

本發明係與用於射頻（RF）切換電路之裝置及方法有關，且更特定而言係與用於高速、高重複率及/或高功率應用之PIN型二極體驅動器電路的裝置及方法有關。該PIN型二極體驅動器可包括經提供至該PIN型二極體之一雙電壓反向偏壓，該雙電壓反向偏壓可由相對較低電壓之一第一電源及相對較高電壓之一第二電源來提供。該相對較低電壓用以比在該第二相對較高偏壓電壓下進行該PIN型二極體的反向偏壓期間還低的電壓下對該PIN型二極體之一本質層進行放電，用以減少總功率消耗。

Description

低功率PIN型二極體驅動器

本發明之具體實例大體上係關於二極體驅動器電路，且更特定而言係關於PIN型二極體驅動器，其採用較低反向偏壓電壓且隨後採用較高反向偏壓電壓，以例如在高速切換應用期間減少PIN型二極體之功率消耗。相關申請案之交叉參考

本申請案係關於且主張於2018年1月11日所提申之名稱為「三源PIN型二極體驅動器（Triple Supply Pin Diode Driver）」的美國專利申請案第62/616,303號在35 U.S.C. § 119(e)下之優先權，其全部內容出於所有目的而以引用方式併入本文中。

PIN型二極體被用於許多不同應用中。在一個特定實例中，PIN型二極體可用於匹配網路中，以使負載之阻抗與高功率射頻產生器可傳遞功率之阻抗匹配。無論具體用途，PIN型二極體之高速切換可能涉及在各切換循環之高功率消耗，此高功率消耗在使用多個PIN型二極體之裝置中被加劇。考慮到尤其此等觀察結果，而構想出本發明之態樣。

本發明之具體實例大體上係與用於射頻（radio frequency；RF）切換電路之系統及方法有關，且更特定而言係與用於高速、高重複率及/或高功率應用之PIN型二極體驅動器電路的系統及方法有關。在一個實例中，驅動器電路包括提供至該PIN型二極體之一雙電壓反向偏壓，該雙電壓反向偏壓可由一第一相對較低電壓之電源，及一第二相對較高電壓之電源來提供。在一些實例中，正向偏壓電流可由第三電源提供。

具體實例進一步涉及一種驅動一PIN型二極體之方法，該方法涉及當在一PIN型二極體之一反向偏壓中時，將一第一反向偏壓電壓連接至該PIN型二極體。在將該第一反向偏壓電壓連接至該PIN型二極體之後，且在正向偏壓該PIN型二極體之前，該方法進一步涉及將大於該第一反向偏壓電壓之一第二反向偏壓電壓連接至該PIN型二極體。該第一反向偏壓電壓用於以比在該第二反向偏壓電壓下進行該PIN型二極體的反向偏壓期間還低之電壓對該PIN型二極體之一本質層進行放電，例如與僅使用一個較大反向偏壓電壓之習知PIN型二極體相比較，用以減少總功率消耗。

另一具體實例涉及一種PIN型二極體驅動器電路，其包含可操作地與一PIN型二極體耦接之一電源，該電源在該PIN型二極體之一反向偏壓期間，將一第一反向偏壓電壓提供至該PIN型二極體，且接著將大於該第一反向偏壓電壓之一第二反向偏壓電壓提供至該PIN型二極體。在一個實例中，該電源包括一第一電壓電源及一第二電壓電源。該電源進一步包括：一第一切換器件，其在該第一切換器件經組態於一閉合狀態時將一正向偏壓電流源連接至該PIN型二極體，該正向偏壓電流將一正向偏壓電流提供至該PIN型二極體以正向偏壓該PIN型二極體；及至少一個第二切換器件，其可切換、可組態於一第一位置與一第二位置之間，該第一位置將該第一低電壓源連接至該PIN型二極體以反向偏壓該PIN型二極體，且該第二位置將該第二電壓源連接至該PIN型二極體以反向偏壓該PIN型二極體。

另一具體實例涉及一種可變阻抗匹配網路，其包含一可變電抗元件，該可變電抗元件包含：與一電容器耦接之一PIN型二極體；一第一開關，其經組態以將一正向偏壓源連接至該PIN型二極體，以正向偏壓該PIN型二極體；及一第二開關，其經組態以在一第一反向偏壓位準並且後隨有一第二反向偏壓位準下，將至少一個反向偏壓源連接至該PIN型二極體。在一個實例中，該第一反向偏壓位準係一第一反向偏壓電壓，且該第二反向偏壓位準係大於該第一反向偏壓電壓之一第二反向偏壓電壓。

下文進一步論述及描述本發明之此等及其他態樣及具體實例。

PIN型二極體係電二極體器件，其具有夾置於重度摻雜p型半導體區（P）與重度摻雜n型半導體區（N）之間的不摻雜或輕度摻雜本質（I）半導體區；因此稱為「PIN型二極體（PIN diode）」。大體而言，PIN型二極體在低頻輸入訊號下遵從習知二極體特性，但在較高頻輸入訊號下，在正向偏壓或接通狀態下作為電阻器操作，且在反向偏壓或切斷狀態下作為較小電容器操作。由此，PIN型二極體經常用於衰減器、快速開關、射頻（RF）應用中，及期望較高隔離度及較低損失之高電壓電子應用中。在一個特定實施中，PIN型二極體用於經組態以匹配電漿負載之變化負載阻抗與所要阻抗（例如，50 Ohm或70 Ohm）之阻抗匹配網路中，以使得高功率RF產生器能高效傳遞功率。在此實施中，PIN型二極體用於連接或斷開阻抗匹配網路之無功組件，典型地為電容器，以藉由將無功元件切換進網路或出網路，來快速更改匹配網路之屬性。

切換電路中之PIN型二極體典型地具有隨附之PIN型二極體驅動器電路或開關驅動器，其提供受控之正向偏壓電流及反向偏壓電壓。舉例而言，圖1A及圖1B說明兩個習知雙電源PIN型二極體驅動器的電路100、101。各電路包括各別PIN型二極體102、104，其例如又可連接至某一類型之RF電路系統。各PIN型二極體102、104由兩個電源驅動（用於電路100之電源110及114，及用於電路101之電源112及116），以將正向偏壓電流及反向偏壓電壓提供至各別PIN型二極體。舉例而言，在電路100中，低電壓正向偏壓電流源110串聯連接至開關118，且高電壓反向偏壓電壓源114亦連接至開關120。當開關118閉合（且開關120斷開）時，低電壓正向偏壓電流源110將正向偏壓電流提供至PIN型二極體102。當開關120閉合（且開關118斷開）時，反向偏壓電壓源114在PIN型二極體102上提供反向偏壓電壓。類似地，在電路101中，高電壓反向偏壓電壓的電源116串聯連接至開關122以在開關122閉合時在PIN型二極體104之上提供反向偏壓電壓，且低電壓正向偏壓電流源112在開關124閉合時將正向偏壓電流提供至PIN型二極體104。電路100、101中之電感器106、108可為電感器，但亦更通常意圖象徵以低頻率傳遞直流電（DC）但抑制藉由RF電路系統被施加至PIN型二極體102、104之RF頻率的任何電路。可處於106、108所在位置處的電路類型之實例包括RF抗流器、並聯共振LC槽、四分之一波長（以RF頻率）傳輸線等。

參考電路100作為實例，現描述PIN型二極體驅動器電路之操作。為正向偏壓的PIN型二極體102，開關118閉合且開關120斷開。低電壓正向偏壓電流源110將正向偏壓電流提供至PIN型二極體102。當PIN型二極體經正向偏壓時，來自PIN型二極體102之P區材料之電洞及來自N區材料之電子被注入至經夾置I區的材料中。由於PIN型二極體102中之電荷無法瞬時重組合，因此淨電荷在一定時間內儲存於I區中，此時間被稱為載體生命週期。二極體由此充當在RF頻率下具有有效「接通（on）」電阻值之電阻器。圖2A中說明等效正向偏壓電路202。

為反向偏壓的PIN型二極體102，開關118斷開且開關120閉合，以將反向偏壓電壓自高電壓反向偏壓電壓源114提供至PIN型二極體。在反向偏壓操作期間，PIN型二極體102具有由較小電容所分流的較大電阻器之等效電路（圖2B之204）。藉由變化PIN型二極體102之態樣，可在各種情形中對於特定應用達成各種正向偏壓電阻及反向偏壓電容。

習知PIN型二極體驅動器的電路100、101之潛在效能問題在於，當用於高速、高重複率及/或高功率應用時，此類PIN型二極體驅動器可能消耗大量功率。為說明之目的，當PIN型二極體102被用於頻率在3至30 MHz之範圍內的高功率應用時，PIN型二極體102可自低電壓正向偏壓電流源110正向偏壓1安培且自高電壓反向偏壓電壓源114反向偏壓1500 V。在此應用中，典型二極體之載體生命週期可為約12μ s。為快速（例如，在短於載體生命週期之時段內）自正向偏壓（接通）狀態切換至反向偏壓（切斷）狀態，必須自二極體移除之電荷往往係正向電流與載體生命週期之乘積。在上文剛剛參考之實例中，12μ C之電荷待移除以自正向偏壓切換至反向偏壓狀態。若藉由高電壓反向偏壓電壓源114移除此電荷，則消耗之能源為電源電壓與電荷之乘積，亦即1500 V x 12μ C = 18 mJ。若以高重複率執行此操作，則對於許多類型之應用，所需功率可能過高。舉例而言，若以10 kHz重複率執行PIN型二極體102之操作，則在此實例中來自高電壓反向偏壓電壓源114之功率為18 mJ x 10 kHz = 180 W。

減少在此類關於PIN型二極體102之操作的高速、高重複率及/或高功率RF應用中所消耗的功率之一個解決方案係在施加高電壓反向偏壓之前，使用至少一個額外電源以低於反向偏壓電壓之電壓將二極體自「接通（on）」狀態恢復至「切斷（off）」狀態。圖3A至圖3B說明對應於圖1A至圖1B之二極體組態驅動器的電路100、101的兩個實例三電源PIN型二極體的驅動器電路300、301。然而，圖3A至圖3B之驅動器電路300、301包括額外各別電源326、328，其各自將低電壓反向偏壓提供至各別PIN型二極體302、304。藉由將低反向偏壓電壓施加至PIN型二極體302或304，二極體以低於習知PIN型二極體驅動器之電壓而自接通狀態恢復（移除本質層電荷）至切斷狀態（或自正向偏壓恢復至反向偏壓），從而耗費較少功率，且具有其他優點。

詳言之，參看圖3A，驅動器電路300包括PIN型二極體302，其可連接至各種可能類型之RF電路系統或其他電路系統，或以其他方式整合於其中。在本文中所論述之RF電路系統應用中，電路可進一步包括傳遞DC及低頻率但抑制藉由RF電路系統被施加至PIN型二極體之RF頻率的代表性電感306或其他形式之電路。驅動器電路進一步包括連接至第一開關318以在第一開關318閉合時將正向偏壓電流提供至PIN型二極體的低電壓正向偏壓電流源310。

電路進一步包括連接至第二開關320以將反向偏壓電壓提供至PIN型二極體的高電壓反向偏壓電壓源314。

不同於圖1A及圖1B中說明之驅動器電路，驅動器電路300、301包括額外功率電壓源326、328，以將低電壓反向偏壓電壓提供至各別PIN型二極體302、304。參看圖3A，正向偏壓電流源310被提供至PIN型二極體302以正向偏壓如上文所論述之器件。然而，為反向偏壓PIN型二極體302，使用低電壓反向偏壓源326與高電壓反向偏壓電壓源314之組合。更特定而言，在一個具體實例中，當反向偏壓PIN型二極體302時，第二開關320可用於在低電壓反向偏壓源326與高電壓反向偏壓電壓源314之間進行選擇。在正向偏壓電流源已連接時，開關亦可斷開兩個反向偏壓源。在第一組態中，當正向偏壓電流斷開時，第二開關320首先將低電壓反向偏壓源326連接至PIN型二極體302。在反向偏壓操作中，第一組態提供低電壓本質層的電荷移除。在隨後某一時間，第二開關320可定向於第二組態中，其將高電壓反向偏壓電壓源314連接至PIN型二極體302，以提供高電壓反向偏壓訊號。

PIN型二極體在連接至高電壓反向偏壓源之前先連接至低電壓反向偏壓源的時間通常被選擇為使得在連接至高電壓電源之前，移除儲存於PIN型二極體之本質區中的大部分（若非所有）電荷。此時間取決於用於移除電荷之反向電流的位準。對於高電流位準及快速切換，待移除之總電荷大致等於恰好在發起反向偏壓PIN型二極體之前的正向電流乘以載體生命週期。為藉由數值實例說明，且參看圖3A，假定第一（例如，低）電壓反向偏壓電壓為15 V，則代表性電感器306為具有值2 μH之電感器，正向偏壓電流為1 A，且載體生命週期為12 μs。藉由此等值，移除電荷之時間為大致1.8 μs，反向電流在此期間將增大至大致13.5 A（忽略PIN型二極體電荷分佈之詳細特性）。對此類型之驅動器的詳細分析所展示，幾乎不可能使用低電壓電源移除所有電荷。在大多數情況下，將在P-I或I-N界面處完全移除電荷，而進一步阻止有效移除I區中之剩餘電荷。儘管有此特性，但使用此方法仍可節省顯著功率。在說明之實例中，在第二（例如，在1500伏特下較高）反向電壓源連接至PIN型二極體時，第一反向電壓源斷開連接。藉由下文展示之二極體，在高電壓反向偏壓源已連接時，低電壓反向偏壓源可斷開連接。在圖3B之實例中，第一反向偏壓電壓可為約-15伏特，且第二反向偏壓電壓可為約-1500伏特，具有類似的功率節省效果。在圖3B之實例中，本文中為簡單起見，第二電壓可被稱為「較高」或「較大」電壓，此係因為其為較第一電壓（例如-15伏特）更大之負電壓（例如-1500伏特）。

在一些RF電路實施中，諸如在本文中所論述之阻抗匹配網路中，PIN型二極體可以高重複率自正向偏壓（接通）狀態切換至反向偏壓（切斷）狀態。舉例而言，一些此類電路可以快於12μ s之載體生命週期的速率切換PIN型二極體，以連接及斷開電容器以用於阻抗匹配（經常以10 kHz速率重複）。因此，圖3A之PIN型二極體的驅動器電路300的開關318、320可經控制以在正向偏壓源與反向偏壓源之間快速切換。更特定而言，可以10 kHz之速率斷開第一開關318且在第一位置（用以連接低電壓反向偏壓源326）與第二位置（以連接高電壓反向偏壓電壓源314）之間組態第二開關320，以對此類網路提供適當阻抗匹配效能。應瞭解，開關318、320啟動及受控之速率可取決於PIN型二極體驅動器所連接之RF電路的類型。不同RF電路可利用不同的PIN型二極體切換速率。然而在許多情況下，使用第三低電壓偏壓源來輔助PIN型二極體之切換操作可減少電路消耗之功率。

在說明之實例中，說明兩個反向偏壓電源，其中一個反向偏壓電源提供相對較低電壓以主要用於電荷移除，並且另一反向偏壓電源提供相對較高電壓以主要用於PIN型二極體之反向偏壓操作。進一步說明用以在電源之間切換且斷開兩個電源之多位置開關。替代地，可結合諸如圖1A中所展示之單一位置開關，採用具有兩個或多個電壓設置之電源。在此配置中，在反向偏壓操作期間，正向偏壓電流電源斷開，且多位準電源連接至PIN型二極體。接下來，多位準電源可首先在內部地切換至相對較低反向偏壓電壓模式，且隨後切換至相對較高之電壓反向偏壓模式。

無論使用兩個反向偏壓電源，抑或使用多位準反向電源，相對於諸如圖1A及圖1B中說明之習知驅動器電路，在正向偏壓與反向偏壓之間切換PIN型二極體302及對本質層進行放電時所需之功率減少。舉例而言，假定驅動器電路300之低電壓反向偏壓源326為15 V電源。在以上實例中利用此低電壓反向偏壓源326恢復PIN 302二極體，相較於使用1500 V電源恢復二極體（諸如高電壓反向偏壓電壓源314），恢復二極體所消耗之功率減少因數100的量級。此類經由使用低電壓反向偏壓源326所消耗之功率減少尤其是在利用PIN型二極體302之高速、高重複率及/或高功率應用中可被感覺到。因數100（在兩個電壓之間的比率）係假定所有經儲存電荷藉由具有電壓低100倍之電源來移除時在消耗功率上的理論最大減少。

歸因於PIN型二極體之特性，消耗功率在一些應用中的如此較大減少或許無法實現。儘管如此，使用本文中所論述且在各種實例電路中反映之概念，可達成顯著功率節省。對於有效功率節省，在低電壓反向偏壓源之電壓與高電壓反向偏壓源之電壓之間預期到比率在3與2000之間。使用實際PIN型二極體模型進行之模擬預測到在1.8與4.1的量級之間的功率節省因數，其使用類似於圖3A之電路的電路，其中電感器306為60 μH。為在5微秒內將典型高功率PIN型二極體自接通狀態切換至切斷狀態，使用約180 V之低電壓源及約1500 V之高電壓源預測到功率節省因數1.8的量級。在20微秒內切換同一二極體時，使用20 V之低電壓源及約1500 V之高電壓源預測到功率節省因數3.3的量級，且在50微秒內切換同一二極體時，使用1 V之低電壓源及1500 V之高電壓源預測到功率節省因數4.1的量級。由於低電壓反向偏壓源之最佳值取決於所要切換速度，因此在一些應用中，電壓偏壓源中之一或兩者（例如，低電壓偏壓源）可取決於所要切換速度而可變且經調整以獲取最佳效能。

驅動器電路301以類似方式操作，其中開關330具有第一組態，以首先提供低電壓反向偏壓源328，其次提供高電壓反向偏壓電壓源316，以減少電路將PIN型二極體304自正向偏壓條件驅動至反向偏壓條件之功率消耗。

圖4A至圖4B說明三電源PIN型二極體驅動器電路之兩個可能實施。術語「三（triple）」指施加至PIN型二極體之三個不同偏壓值，包括正向偏壓及第一反向偏壓及第二反向偏壓。在實例中，三個不同偏壓值可為正向偏壓電流及關聯電源、第一低反向偏壓電壓及關聯電源，及第二反向偏壓電壓及關聯電源，或來自關聯之多位準電源的第一低反向偏壓電壓及第二反向偏壓電壓。

圖4A說明三電源二極體驅動器電路之一個具體實施。類似於上述電路，電路400可包括連接至某一形式之RF電路系統的PIN型二極體402、代表性電感406，連接至開關418以將正向偏壓電流提供至PIN型二極體的低電壓正向偏壓電流源410，及連接至開關420以將反向偏壓電壓提供至PIN型二極體的高電壓反向偏壓電壓源414。在電路400中，開關418及開關420係場效電晶體（FET），且特定而言係金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET）。然而，應瞭解，其他類型之電子切換器件可用於電路400中，以在斷開狀態與閉合狀態之間切換。

如電路400中所展示，高電壓反向偏壓電壓源414經由第一開關420連接至PIN型二極體402。開關420可為MOSFET型切換器件，其以如上文所描述之類似方式操作，以將高電壓反向偏壓電壓提供至PIN型二極體，從而將PIN型二極體驅動為反向偏壓狀態。此外，低電壓反向偏壓源426可包括於電路400中，以經由開關432之操作，將低電壓反向偏壓訊號提供至PIN型二極體402。如另外論述，第一反向偏壓電壓用於以與高電壓反向偏壓電壓源414相比為相對較低之電壓放電或以其他方式移除本質區中累積之電荷，從而減少電路消耗之功率。詳言之，經由開關420及開關432之操作，當切換至「切斷（off）」狀態時，驅動器的電路400可首先將低電壓反向偏壓訊號自低電壓反向偏壓源426供應至PIN型二極體，隨後自高電壓反向偏壓電壓源414供應高電壓反向偏壓訊號。亦即，在連接第二相對較大反向偏壓電壓之前，連接第一相對較低反向偏壓電壓。開關432可串聯連接在低電壓反向偏壓源446與二極體434之間，以在第三開關432處於閉合狀態且開關418及420處於斷開狀態時，將低電壓反向偏壓訊號提供至PIN型二極體402。由於MOSFET具有本體二極體（body diode），因此二極體434（且類似地，圖4B之438）經定位以阻止開關432之本體二極體在開關420開啟時導電，且阻止低反向電源與高反向電源之間的短路（除本體二極體電壓降以外）。此外，當開關418斷開時，二極體允許開關418與420之接合點處之電壓相較於低電壓反向偏壓源426之電壓更多地向負極擺動，從而允許電感元件406中之電流快速反轉。二極體438允許在圖4B之電路中發生相同情形。圖4A中所說明之實施由此利用開關432及420及二極體434作為三位置開關。第一位置對應於當開關432及420皆切斷（斷開）時斷開反向偏壓源：426及414。在此位置中，開關418將正常接通（閉合）或以其他方式組態以將正向偏壓電流源連接至PIN型二極體402。第二位置對應於當開關432接通且開關420切斷時，使低電壓反向偏壓源426連接至PIN型二極體。在此位置中，開關418將正常切斷，且二極體434將正常經正向偏壓。第三位置對應於當開關420接通（導電）時，使高電壓反向偏壓源連接至PIN型二極體。在此位置中，開關418將正常切斷，且二極體434經反向偏壓。開關418充當開關以自PIN型二極體連接或斷開低電壓正向偏壓電流源410。經由開關器件418、420、432及二極體434之操作，電路400可驅動PIN型二極體402，同時對於高速、高重複率、高功率RF應用耗費較少功率。

圖4B中說明第二實施的電路401。類似於電路400，電路401包括連接至任何類型之RF電路系統的PIN型二極體404、代表性電感408、連接至開關436以將正向偏壓電流提供至PIN型二極體的低電壓正向偏壓電流源416，及連接至開關424以將反向偏壓電壓提供至PIN型二極體的高電壓反向偏壓電壓源412。同樣類似地，電路401中亦可包括低電壓反向偏壓源428，以提供低電壓反向偏壓訊號。在此組態中，低電壓反向偏壓源428經由二極體438連接至開關424。此外，開關430連接至開關424及二極體438。經由開關424及/或開關430之操作或啟動，低電壓反向偏壓訊號抑或高電壓反向偏壓訊號被提供至PIN型二極體404以驅動二極體之反向偏壓操作。藉由在高電壓反向偏壓訊號之前提供低電壓反向偏壓訊號，操作PIN型二極體404消耗之功率可顯著減少，尤其對於高速、高重複率、高功率RF應用而言。

圖5A及圖5B說明本發明之替代具體實例，對於電源參考PIN型二極體陽極而非陰極之情況，該等具體實例分別等效於圖4A及圖4B之替代具體實例。在圖4A及圖4B中，低電壓反向偏壓源426及428可例如相對於PIN型二極體的陰極將-20 V分別提供至開關432及二極體438，且高電壓反向偏壓電壓源414及412可例如相對於PIN型二極體的陰極將-1500 V分別提供至開關420及424。在圖5A及圖5B中，低電壓反向偏壓源526及528可例如相對於二極體的陽極將+20 V分別提供至開關532及二極體538，且高電壓反向偏壓電壓源514及512可例如相對於二極體的陽極將+1500 V分別提供至開關520及524。正向偏壓電流可在0.1A與1A之範圍內。在許多應用中，低電壓反向偏壓源426、428、526、528可具有低的源電阻，例如小於1 Ω，且高電壓反向偏壓電壓源414、412、514、512可具有大的源電阻，例如1000 Ω。用於低電壓反向偏壓源之低源電阻改善切換速度，而用於高電壓反向偏壓源之高源電阻防止PIN型二極體電壓在切換期間過沖。

此類經改良PIN驅動器電路在射頻匹配網路中尤其有用，若此類匹配網路在多個狀態之間重複切換（諸如當RF產生器之輸出功率以高速調變且期望匹配網路維持與產生器所匹配之阻抗時，使非線性負載與RF產生器匹配），則可具有數十個此類二極體。換言之，利用PIN型二極體之高速、高重複率、高功率應用可顯著減少藉由利用包括如本文所描述而操作的三個或多個電源的用於PIN型二極體之驅動器電路所消耗之功率。在此類應用中，或另外地，可在多個PIN型二極體驅動器配置當中共用三個或多個電源。

圖6A及圖6B說明用於匹配電源602（諸如RF產生器）與負載604（諸如電漿負載）之間的阻抗之匹配網路600之實例，及圖6A中展示之匹配網路的可變組件元件610之具體實例。在此實例中，以可包括固定組件606及可變組件608之若干可能組合的網路之通用代表性形式展示的匹配網路包括一或多個可變組件以及零個或多個固定組件。可使用無功元件及開關實施可變組件中之一或多者，以將無功元件切換進電路或出電路。舉例而言，可變電容器610可被實施為多個並聯且離散之切換電容器612A至612N。各切換電容器可包括與PIN型二極體614A至614N串聯連接之電容器，其中PIN型二極體由本文中所論述之各種可能的實例PIN型二極體驅動器電路616中之一者驅動。在此實例中，驅動器電路被稱為雙反向偏壓電壓PIN型二極體驅動器，其反映驅動器電路包括以兩種不同位準反向偏壓各別PIN型二極體之概念，其中第一較低電壓位準用以對PIN型二極體之本質層進行放電，隨後第二較高電壓位準用以反轉偏壓PIN型二極體。高電壓位準必須大體上高於PIN型二極體上的任何RF訊號之最大振幅，以避免在操作過程中正向偏壓PIN型二極體，且極典型地為PIN型二極體之擊穿電壓的二分之一，例如對於能夠處置3000 V之二極體為1500 V反向偏壓。電路亦可包括如在本文中說明之正向偏壓電流源。正向偏壓電流源可為真實電流源（其調節輸出電流），但亦可同與合適電阻器串聯之電壓源一樣簡單，以將適合正向電流位準提供至PIN型二極體。PIN型二極體之正向電流判定處於接通狀態之PIN型二極體之電阻。所需正向電流的典型值在0.01與1 A之間。其他匹配網路佈局亦可包括PIN型二極體。在說明之實例中，任何給定切換電容器的電容器值可與不同切換電容器的值相同或不同。有可能以各種串聯或並聯組合來連接切換電容器，以獲得給定可變電容器（各種切換電容器形成其一部分）之所要值。然而，藉由正向偏壓任何給定PIN型二極體，各別電容器可切換進匹配網路，且當反向偏壓時，各別電容器切換出網路。將電容器切換進匹配網路或出匹配網路來控制匹配網路之阻抗變換屬性，以使負載之阻抗與RF產生器可高效傳遞功率的所要阻抗（典型地為50 Ω）匹配。

圖7係用於控制PIN型二極體驅動器電路以減少PIN型二極體尤其在高速、高重複率及高功率RF應用（諸如使用藉由PIN型二極體切換為各種組合的許多電容器之RF匹配網路之應用）中之功率消耗的方法700。方法700之操作可由驅動器電路之控制器控制或執行，該控制器諸如可程式化邏輯控制器、計算器件、處理器件或類似者。

出於論述起見，假定二極體開始於正向偏壓定向，則可首先將正向偏壓電流施加至PIN型二極體（操作702）。返回參看圖3A，舉例而言，驅動器電路300之第一開關318處於將正向偏壓電流源連接至PIN型二極體之閉合位置，且第二開關320處於斷開兩個反向偏壓源之第一位置。詳言之，控制電路或器件可將開關啟動訊號提供至第一開關318以閉合開關，且提供至第二開關320以將其置於第一位置。在MOSFET為開關之情況下，開關啟動訊號呈適當的閘極驅動訊號之形式，以導致MOSFET導電（閉合）。閉合第一開關318導致低電壓電流訊號被提供至PIN型二極體302，以正向偏壓二極體。在一些具體實例中，該控制器可將控制訊號提供至低功率的正向偏壓電流源310，以啟動該電流源從而將電流提供至PIN型二極體。

藉由斷開正向偏壓源來關閉PIN型二極體（操作704），且連接第一相對較低電壓以開始反向偏壓PIN型二極體（操作706）。因此，控制器可撤銷啟動（或斷開）第一開關318，以移除至PIN型二極體之正向偏壓電流訊號。此外，在操作706中，該控制器可將第二開關320控制為第二組態，以將低電壓反向偏壓訊號自低電壓反向偏壓源326提供至PIN型二極體302。經提供至PIN型二極體302之低電壓可在反向偏壓狀態下開始操作PIN型二極體302。在初始低電壓反向偏壓之後，將相對較高的電壓反向偏壓施加至PIN型二極體（操作708）。更特定而言，在稍後某一時間（但典型地在等於已經過PIN型二極體之載體生命週期的時間之前），控制器可提供訊號以將第二開關320改變為第三組態，其將高電壓反向偏壓電壓源314連接至PIN型二極體302，以進一步將PIN型二極體驅動為反向偏壓狀態。由此，經由圖7之方法700，該控制器可按RF電路系統連接至PIN型二極體之需要，在正向偏壓狀態之間且經由兩個（或可能多個）反向偏壓電壓位準來驅動PIN型二極體302。然而，藉由利用低電壓反向偏壓源326，對於在反向偏壓狀態下驅動PIN型二極體的這部分來說，驅動器電路300可消耗少於其他PIN型二極體驅動器電路之功率。對於高功率及快速切換電路，在消耗功率上的此類節省相較於傳統的PIN型二極體驅動器可極大地改善RF應用之效能。

圖8係說明可用於實施上文揭示之網路的組件之具體實例的計算器件或電腦系統800之實例的方塊圖。舉例而言，圖8之電腦系統800可為用於控制如上文所述之電流或電源中之任一者且將任何控制訊號提供至用於如上文所述之驅動器電路的切換器件中之任一者的控制器件。電腦系統（系統）包括一或多個處理器802至806。處理器802至806可包括一或多個內部層級之快取記憶體（圖中未示），及匯流排控制器或匯流排介面單元，以直接與處理器匯流排812互動。處理器匯流排812亦稱為主匯流排或前側匯流排，其可用於將處理器802至806與系統介面814耦接。系統介面814可連接至處理器匯流排812，以將該電腦系統800之其他組件與處理器匯流排812介接。舉例而言，系統介面814可包括用於將主記憶體816與處理器匯流排812介接之記憶體控制器818。主記憶體816典型地包括一或多個記憶卡及控制電路（圖中未示）。系統介面814亦可包括用以將一或多個I/O橋接器或I/O器件與處理器匯流排812介接之輸入/輸出（I/O）介面820。一或多個I/O控制器及/或I/O器件（諸如I/O控制器828及I/O器件830，如所說明）可與I/O匯流排826連接。系統介面814可進一步包括用以與處理器匯流排812及/或I/O匯流排826互動之匯流排控制器822。

I/O器件830亦可包括輸入器件（圖中未示），諸如字母數字輸入器件，包括用於將資訊及/或命令選擇傳達至處理器802至806之字母數字及其他按鍵。另一類型之使用者輸入器件包括用於將方向資訊及命令選擇傳達至處理器802至806且用於控制顯示器件上之游標移動的游標控制器，諸如滑鼠、軌跡球或游標方向鍵。

電腦系統800可包括動態儲存器件，其稱作主記憶體816，或隨機存取記憶體（RAM），或耦接至處理器匯流排812以儲存待由處理器802至806執行之資訊及指令的其他電腦可讀取器件。主記憶體816亦可用於在處理器802至806執行指令期間儲存暫時變數或其他中間資訊。電腦系統800可包括耦接至處理器匯流排812以儲存用於處理器802至806之靜態資訊及指令的唯讀記憶體（ROM）及/或其他靜態儲存器件。圖8中闡述之系統僅為電腦系統之一個可能實例，該電腦系統可使用本發明之態樣或根據本發明之態樣而組態。

根據一個具體實例，以上技術可由電腦系統800回應於處理器804執行主記憶體816中含有的一或多個指令之一或多個序列而執行。此等指令可自諸如儲存器件之另一機器可讀取媒體讀取至主記憶體816中。執行主記憶體816中含有之指令序列可致使處理器802至806執行本文中所描述之過程步驟。在替代性具體實例中，電路系統可用以代替軟體指令，或與軟體指令結合使用。因此，本發明之具體實例可包括硬體組件及軟體組件兩者。

機器可讀取媒體包括用於以機器（例如電腦）可讀取之形式（例如，軟體、處理應用）儲存或傳輸資訊的任何機構。此等媒體可呈但不限於非揮發性媒體及揮發性媒體之形式。非揮發性媒體包括光碟或磁碟。揮發性媒體包括動態記憶體，諸如主記憶體816。機器可讀取媒體之常見形式可包括但不限於：磁性儲存媒體；光學儲存媒體（例如CD-ROM）；磁光學儲存媒體；唯讀記憶體（ROM）；隨機存取記憶體（RAM）；可抹除可程式化記憶體（例如，EPROM及EEPROM）；快閃記憶體；或適合於儲存電子指令之其他類型的媒體。

本發明之具體實例包括在此說明書中描述之各種步驟。該等步驟可由硬體組件所執行或可以機器可執行指令來體現，該等機器可執行指令可用以致使藉由該等指令程式化之通用或專用處理器執行該等步驟。替代地，該等步驟可由硬體、軟體及/或韌體之組合所執行。

以上描述包括體現本發明之技術的實例系統、方法、技術、指令序列及/或電腦程式產品。然而，應理解，所描述之本發明可在無此等具體細節之情況下加以實踐。在本發明中，記載之方法可實施為可由一器件所讀取的指令或軟體之集合。另外，應理解，記載之方法中的步驟之特定次序或階層為實例方法之例子。基於設計偏好，應理解，方法中的步驟之特定次序或階層可重新配置，同時保持在記載之主題內。隨附方法技術方案以樣本次序呈現各種步驟之要素，且未必意謂限於所呈現之特定次序或階層。

咸信，本發明及其許多伴隨優勢應藉由前述描述被理解，且應顯而易見的是，可在不脫離所記載之主題或不犧牲其所有材料優勢的情況下對組件之形式、構造及配置進行各種改變。所描述之形式僅為解釋性的，且以下申請專利範圍之意圖為涵蓋且包括此等改變。

在以下描述及技術方案中，應用於反向偏壓電壓之「較大」應解譯為絕對值意義之較大。舉例而言，在此意義上，由於|-1500| ＞ |-30|，因此-1500伏特反向偏壓高於-30伏特反向偏壓。當應用於反向偏壓電壓時，較低及較高亦應解譯為絕對值意義。舉例而言，在此意義上，「低」反向偏壓可為-15伏特，而「高」反向偏壓電壓可為-1500伏特。

雖然已參考各種具體實例描述本發明，但應理解，此等具體實例為說明性的且本發明之範圍不限於此等具體實例。許多變體、修改、添加及改良係可能的。更大體而言，根據本發明之具體實例已在特定實施之情況下描述。功能性可在本發明之各種具體實例中不同地按區塊分開或組合，或用不同術語描述。此等及其他變化、修改、添加及改良可屬於如以下申請專利範圍中所定義的本發明之範圍。

100、101‧‧‧電路 102、104‧‧‧PIN型二極體 106、108‧‧‧電感器 110、112‧‧‧低電壓正向偏壓電流源 114、116‧‧‧高電壓反向偏壓電壓源 118、120、122、124‧‧‧開關 202‧‧‧等效正向偏壓電路 204‧‧‧等效電路 300、301‧‧‧驅動器電路 302、304‧‧‧PIN型二極體 306、308‧‧‧電感器 310、312‧‧‧低電壓正向偏壓電流源 314、316‧‧‧高電壓反向偏壓電壓源 318‧‧‧第一開關 320‧‧‧第二開關 326、328‧‧‧低電壓反向偏壓源 324、330‧‧‧開關 400、401‧‧‧電路 402、404‧‧‧PIN型二極體 406、408‧‧‧代表性電感/電感元件 410、416‧‧‧低電壓正向偏壓電流源 412、414‧‧‧高電壓反向偏壓電壓源 418、420、424‧‧‧開關 426、428‧‧‧低電壓反向偏壓源 430、432、436‧‧‧開關 434、438‧‧‧二極體 512、514‧‧‧高電壓反向偏壓電壓源 520、524、532‧‧‧開關 526、528‧‧‧低電壓反向偏壓源 538‧‧‧二級體 600‧‧‧匹配網路 602‧‧‧電源 604‧‧‧負載 606‧‧‧固定組件 608‧‧‧可變組件 610‧‧‧可變電容器 612A至612N‧‧‧切換電容器 614A至614N‧‧‧PIN型二極體 616‧‧‧PIN型二極體驅動器電路 800‧‧‧電腦系統 802、804、806‧‧‧處理器 812‧‧‧處理器匯流排 814‧‧‧系統介面 816‧‧‧主記憶體 818‧‧‧記憶體控制器 820‧‧‧輸入/輸出（I/O）介面 822‧‧‧匯流排控制器 826‧‧‧I/O匯流排 828‧‧‧I/O控制器 830‧‧‧I/O器件

圖1A至圖1B說明兩個習知雙電源PIN型二極體驅動器電路。 圖2A至圖2B說明PIN型二極體等效電路。 圖3A至圖3B說明兩個實例三電源PIN型二極體驅動器電路。 圖4A至圖4B說明三電源PIN型二極體驅動器電路的兩個實例實施。 圖5A至圖5B說明三電源PIN型二極體驅動器電路的兩個其他實例實施。 圖6A係用於匹配諸如RF產生器之電源與諸如其中可採用PIN型二極體驅動器電路的電漿負載之負載之間的阻抗之匹配網路的實例。 圖6B係匹配網路之可變電容器元件的實例。 圖7係用於控制電源以控制用於高速、高重複率、高功率應用之PIN型二極體驅動器電路的方法。 圖8為說明可用於實施本發明之具體實例的計算系統之實例之圖解。

300‧‧‧驅動器電路

302‧‧‧PIN型二極體

306‧‧‧電感器

310‧‧‧低電壓正向偏壓電流源

314‧‧‧高電壓反向偏壓電壓源

318‧‧‧第一開關

320‧‧‧第二開關

326‧‧‧低電壓反向偏壓源

Claims (25)

1. 一種驅動PIN型二極體之方法，其包含：在PIN型二極體之反向偏壓中，將第一反向偏壓電壓連接至該PIN型二極體；及在將該第一反向偏壓電壓連接至該PIN型二極體之後，並且在正向偏壓該PIN型二極體之前，將大於該第一反向偏壓電壓之第二反向偏壓電壓連接至該PIN型二極體，其中該第一反向偏壓電壓用以比在該第二反向偏壓電壓下進行該PIN型二極體的反向偏壓期間還低之電壓對該PIN型二極體之本質層進行放電，用以減少總功率消耗。
2. 如請求項1所述之方法，其進一步包含：閉合第一切換器件以經由該PIN型二極體傳輸正向偏壓電流，從而驅動該PIN型二極體處於正向偏壓操作狀態；斷開該第一切換器件以自該PIN型二極體移除該正向偏壓電流；在該PIN型二極體之該反向偏壓中，將第二切換器件組態為第一組態，該第一組態將第一電壓源連接至該PIN型二極體，以將該第一反向偏壓電壓施加至該PIN型二極體；及將該第二切換器件組態為第二組態，該第二組態將第二電壓源連接至該PIN型二極體，以將該第二反向偏壓電壓施加至該PIN型二極體。
3. 如請求項2所述之方法，其中該第一反向偏壓電壓為約15伏特，且該第二反向偏壓電壓為約1500伏特。
4. 如請求項2所述之方法，其中該第一反向偏壓電壓為約-15伏特，且該第二反向偏壓電壓為約-1500伏特。
5. 如請求項1所述之方法，其進一步包含基於該PIN型二極體之切換頻率來調整該第一反向偏壓電壓及該第二反向偏壓電壓中之至少一者。
6. 如請求項1所述之方法，其中該第二反向偏壓電壓之範圍為該第一反向偏壓電壓之值的3至2000倍。
7. 一種PIN型二極體驅動器電路，其包含：電源，其操作上與PIN型二極體耦接，該電源經組態以在該PIN型二極體之反向偏壓期間，將第一反向偏壓電壓提供至該PIN型二極體以對該PIN型二極體之本質層進行放電，並且接著將大於該第一反向偏壓電壓之第二反向偏壓電壓提供至該PIN型二極體，其中該第一反向偏壓電壓用以比在該第二反向偏壓電壓下進行該PIN型二極體的該反向偏壓期間還低之電壓對該PIN型二極體之該本質層進行放電，用以減少總功率消耗。
8. 如請求項7所述之PIN型二極體驅動器電路，其中該電源包括第一電壓電源及第二電壓電源，並且其進一步包含：第一切換器件，其在該第一切換器件經組態於閉合狀態時將正向偏壓電流源連接至該PIN型二極體，該正向偏壓電流源將正向偏壓電流提供至該PIN型二極體以正向偏壓該PIN型二極體；及至少一個第二切換器件，其經組態於第一位置與第二位置之間，該第一位置將該第一電壓電源連接至該PIN型二極體以反向偏壓該PIN型二極體，且該第二位置將該第二電壓電源連接至該PIN型二極體以反向偏壓該PIN型二極體。
9. 如請求項8所述之PIN型二極體驅動器電路，其中至該PIN型二極體之該第一電壓電源用於以第一位準來反向偏壓該PIN型二極體，並且至該PIN型二極體之該第二電壓電源用於以大於該第一位準之第二位準來反向偏壓該PIN型二極體，該第一位準及該第二位準在該PIN型二極體之該反向偏壓期間連續地發生。
10. 如請求項9所述之PIN型二極體驅動器電路，其中在該PIN型二極體之該反向偏壓期間，並且在該PIN型二極體之連續地正向偏壓之前，該第二位 準後隨該第一位準。
11. 如請求項7所述之PIN型二極體驅動器電路，其中該電源為多位準電源，其在該PIN型二極體之該反向偏壓期間，將該第一反向偏壓電壓提供至該PIN型二極體，並且接續著將大於該第一反向偏壓電壓之該第二反向偏壓電壓提供至該PIN型二極體。
12. 如請求項11所述之PIN型二極體驅動器電路，其中該第一反向偏壓電壓為約15伏特，且該第二反向偏壓電壓為約1500伏特。
13. 如請求項11所述之PIN型二極體驅動器電路，其中該第一反向偏壓電壓為約-15伏特，且該第二反向偏壓電壓為約-1500伏特。
14. 如請求項7所述之PIN型二極體驅動器電路，其中該第二反向偏壓電壓之範圍為該第一反向偏壓電壓之值的3至2000倍。
15. 如請求項7所述之PIN型二極體驅動器電路，其中該第一反向偏壓電壓及該第二反向偏壓電壓中之至少一者基於該PIN型二極體之切換頻率進行調整。
16. 一種可變阻抗匹配網路，其包含：可變電抗元件，其包含：PIN型二極體，其與電容器耦接；第一開關，其經組態以將正向偏壓源連接至該PIN型二極體，以正向偏壓該PIN型二極體；及第二開關，其經組態以在為對該PIN型二極體之本質層進行放電的第一反向偏壓位準並且後隨有第二反向偏壓位準下，將至少一個反向偏壓源連接至該PIN型二極體，其中該第一反向偏壓位準用以比在該第二反向偏壓位準下進行該PIN型二極體的反向偏壓期間還低之電壓對該PIN型二極體之該本質層進行放電，用以減少總功率消耗。
17. 如請求項16所述之可變阻抗匹配網路，其中該第一反向偏壓位準為第一反向偏壓電壓，並且該第二反向偏壓位準為大於該第一反向偏壓電壓之第二反向偏壓電壓。
18. 如請求項16所述之可變阻抗匹配網路，其中該正向偏壓源為正向偏壓電流源。
19. 如請求項16所述之可變阻抗匹配網路，其中該至少一個反向偏壓源為多位準電源。
20. 如請求項17所述之可變阻抗匹配網路，其中該至少一個反向偏壓源包含用以提供該第一反向偏壓電壓之第一電壓源，及用以提供該第二反向偏壓電壓之第二電壓源。
21. 如請求項17所述之可變阻抗匹配網路，其中該第一反向偏壓電壓為約15伏特，且該第二反向偏壓電壓為約1500伏特。
22. 如請求項17所述之可變阻抗匹配網路，其中該第一反向偏壓電壓為約-15伏特，且該第二反向偏壓電壓為約-1500伏特。
23. 如請求項17所述之可變阻抗匹配網路，其中該第二反向偏壓電壓之範圍為該第一反向偏壓電壓之值的3至2000倍。
24. 如請求項17所述之可變阻抗匹配網路，其中該第一反向偏壓電壓基於該PIN型二極體之切換頻率進行調整。
25. 如請求項16所述之可變阻抗匹配網路，其中該第二開關包含MOSFET型電晶體。

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