雖然在實現(xiàn)固定阻抗電壓可變衰減器(VVA, Voltage Variable Attenuator)時至少有數(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)的有效實際應(yīng)用[注1]，除此之外，由于不受限于會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，因而它們的實際實施可以連續(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。

相似于其他無線器件，PIN二極管PI衰減器模塊也受到了強大的微型化壓力，促使新一代的實施必須小于前一代。圖1畫出了數(shù)個世代此類型VVA的占用空間，以及每年大約以20mm2縮小的趨勢線估計，在可能是第一個對于這類衰減器微型化的嘗試，是把3個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，60年代的3個二極管拓樸[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個二極管版本[注5]取代。Waugh的設(shè)計由于可以消除3個二極管拓樸固有的非對稱偏置問題，因此迅速成為產(chǎn)業(yè)事實上的標準，因為采用了完全表面貼裝結(jié)構(gòu)，它同時也代表了VVA微型化進程中的一個里程碑。此后的微型化企圖有使用2個SOT-323封裝實現(xiàn)二極管[注6]，集成二極管和其他無源器件到單一芯片[注7]，或?qū)⑺?個二極管集成到單一SOT-89封裝[注8]等作法，單石化的尺寸縮減基本上無法達成，原因是必須使用nF級電容器來使衰減器能夠達成CATV上行路徑的5MHz較低頻率限制。

這個設(shè)計的重要性在于2008年設(shè)計當時為同級產(chǎn)品的最小尺寸，模塊的占用面積為14mm2，大約只有第一代4個二極管實施方式的4%。

圖1：PIN二極管PI可變衰減器的尺寸趨勢

設(shè)計
圖2為基本PI固定衰減器以及它的設(shè)計方程，分流電阻R1和串接電阻R3主要用于設(shè)定目標衰減值A(chǔ)=20log(K)，并同時提供匹配系統(tǒng)阻抗特性的輸入和輸出阻抗。在遠高于截止頻率Fc的頻率工作時，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取代電路中的固定電阻以建立可變衰減器。雖然FET場效應(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]，并且需要負的控制電壓。

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

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層帶來較長的載子壽命(τ)，為衰減器低失真的重要條件，在缺點方面，具有較長τ值的PIN二極管需要較大的偏置電流來控制它的阻值，為了描述τ值和線性度之間的關(guān)系，圖3畫出了兩個不同τ值下PIN二極管的二階(IP2)和三階截點(IP3)，由于目標應(yīng)用CATV/SATV系統(tǒng)的嚴格線性要求，較長壽命的二極管(τ=1500ns)被選用來實現(xiàn)VVA，原因是CATV/SATV系統(tǒng)必須同時承載大量頻道而不會相互干擾。

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

若將固定衰減器中的串接電阻以兩個二極管取代，可以獲得左右半邊對稱的衰減器，請參考圖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，而非如3個二極管結(jié)構(gòu)中的一端，電路的對稱性可以保證相同的偏置電流流過分流二級管，通過成對的反向二極管反串接對實現(xiàn)串接臂也可以降低二階失真，原因是非線性度會有180度相位差，因此會自相抵消。

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，由于這二個電阻會對射頻路徑進行分流，因此它們的電阻值必須高到足以屏蔽射頻，但又不能大到會有過大直流電壓出現(xiàn)其上。流過分流二極管的電流由固定電壓V+提供，并受R4-R5電阻限制，在這個設(shè)計中，采用1.5V的經(jīng)驗值V+可以得到所有衰減值的最佳回返損耗。

4個二極管配置的VVA在原始設(shè)計上控制電壓可以由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5V的工作要求會限制了客戶的使用范圍。限制最高Vc在5V會有提高最低衰減由3dB到9.5dB的反作用，原因是降低了進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)計的最小衰減，這個設(shè)計使用較小的R1-R3，以允許較大電流流過串接二極管，R1和R2降低了約42%，由560Ω改為330Ω，R3則由330Ω變成22Ω，降低超過93%，不過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，將會減低它們作為射頻扼流圈的有效性，通過R3的射頻損耗特別嚴重，原因是R3遠小于4.Zo。為了補償R3減少的扼流能力，在R3上串接一個鐵氧體磁珠電感L1來提高有效阻抗[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PIN二極管、6個電阻、5個電容器和1個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，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
模塊測試以CATV/SATV頻帶為主，主要是它們?yōu)槟繕耸袌?，圖5中的測試安排包含RO4350 PCB上50Ω的微條狀走線TL1/TL2，分別連接到受測器件輸入和輸出的TL1和TL2大約為10.6mm長，尾端于電路板邊緣的微條狀走線接著通過邊緣安裝SMA插座J1和J2(Johnson公司142-710-851)轉(zhuǎn)換到同軸電纜。

 
圖6：測量安排和測試設(shè)置的簡化框圖

頻率響應(yīng)和衰減范圍通過連接測試設(shè)置到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行測量，Vc由0.5V到5V連續(xù)變化以產(chǎn)生相對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，0.1到6GHz的衰減變化低于3dB，如果評估頻率范圍限制在CATV/SATV應(yīng)用的50到2050MHz，那么振幅的變化低于1dB，不過平坦衰減特性無法在較低控制電壓，如Vc ≤1.0V得到維持，原因為串接二極管會在這個低電壓關(guān)斷，射頻信號會通過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最大，100MHz時高于55 dB ，并隨著頻率增高而降低，6GHz時約為30dB。

圖7：設(shè)置中衰減相對于頻率為控制電壓(Vc)函數(shù)

圖8顯示衰減相對于控制電壓Vc的關(guān)系，對低于1V的Vc，衰減幾乎不會變化，高于1V時，衰減會隨著Vc快速改變，直到超過2V時變?yōu)槠教埂ｋm然圖中顯示衰減在2V以上變?yōu)榉€(wěn)定，但實際上在2V到5V間還是會有大約2dB的變化，當Vc=5V時，衰減達到大約-4dB的最終值，這個數(shù)值在0.3GHz到3GHz時相對穩(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無法避免的權(quán)衡結(jié)果。

圖8：設(shè)置中衰減相對于控制電壓為頻率函數(shù)

輸入三階截點(IIP3)會隨著衰減改變，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，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會隨著工作頻率提高而改善，例如在1.9GHz時優(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)會由-2到14dBm變化[注12]，比起這個設(shè)計差了約50dB。

圖9：900MHz和1.9GHz時設(shè)置的三階截點相對于衰減值

結(jié)論
自身完備的PIN二極管PI衰減器已經(jīng)成功設(shè)計并實現(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相對等產(chǎn)品最佳IP3達50dB以上，衰減在50到1950MHz的CATV頻率范圍變化可達45dB，在5MHz到6GHz范圍則超過30dB，雖然CATV/SATV系統(tǒng)為原始目標應(yīng)用，但衰減器的3級帶寬可以將它的應(yīng)用范圍擴展到更高帶寬應(yīng)用，如測試儀器和掃描接收器等。