二極管結(jié)具有隨反向電壓變化的耗盡區(qū)和結(jié)電容。這種“變?nèi)荻O管效應(yīng)”已用于無線電接收器的電子調(diào)諧和其他小信號應(yīng)用數(shù)十年。最近，一種稱為“負(fù)載調(diào)制”的射頻功率放大器技術(shù)被描述[2]，[3]。我們測試了硅快速恢復(fù)二極管、碳化硅肖特基二極管、MOSFET 和傳統(tǒng)高壓硅整流器，以用作電子調(diào)諧電容。
　　我們找到了具有合適反向電壓與電容特性的快速恢復(fù)二極管。RFN5TF8S 是一款超快速整流器，反向恢復(fù)時間在 30-50 納秒范圍內(nèi)。LTSpice 4 中包含此部件的模型。使用這些二極管進(jìn)行了模擬。在 30 至 600 伏特直流反向偏置電壓下，獲得了超過 2:1 的模擬諧振頻率范圍（圖 2 和圖 3）?！　《O管電容模擬電路

　　圖1：二極管電容模擬電路　　圖 1 600V 反向電壓下的模擬響應(yīng)

　　圖 2：圖 1 中 600V 反向電壓的模擬響應(yīng)　　隨后，我們對這些超快速恢復(fù)二極管進(jìn)行了在線評估。雖然這些模擬看起來“還行”，但在線測試結(jié)果卻讓我們感到驚訝。

　　圖 1 中 30V 反向電壓下的模擬響應(yīng)
　　圖 3：圖 1 中 30V 反向電壓的模擬響應(yīng)
　　我們發(fā)現(xiàn)“快速”二極管器件以及 SiC 肖特基二極管的射頻耗散較高。電壓波形顯示未發(fā)生反向擊穿或正向傳導(dǎo)。損耗機(jī)制尚不清楚。
　　我們嘗試將標(biāo)準(zhǔn)和超結(jié)硅 MOSFET 用作變?nèi)荻O管。為此，我們將柵極和源極引線短接在一起，并使用漏極/源極端子作為電壓可變電容。然后，我們將兩個這樣的器件背對背放置。這又帶來了驚喜，這次是令人愉快的。使用兩個 SPP17N80C3 超結(jié)器件時，在 25 瓦功率水平下的總耗散小于 1 瓦，在 100 瓦功率水平下的總耗散小于 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(fù)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 瓦 RF 功率下，我們驚訝地發(fā)現(xiàn)功耗總計接近 5 瓦。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(dǎo)致過度傳導(dǎo)損耗。（見參考文獻(xiàn) 5）
　　這些部件的數(shù)據(jù)表明內(nèi)部柵極電阻為 26 歐姆。尚不清楚為何一項具有如此巨大性能潛力的技術(shù)卻因如此大的內(nèi)部柵極電阻而受到阻礙。
　　“老式”整流二極管作為變?nèi)荻O管和開關(guān)
　　標(biāo)準(zhǔn) 1N5408 3 安培 1000 伏整流二極管作為變?nèi)荻O管進(jìn)行了測試，結(jié)果出奇地好。單個二極管在 25 瓦 RF 功率下僅耗散 0.35 瓦，在 100 瓦 RF 功率下僅耗散 2.5 瓦。四個這樣的二極管并聯(lián)連接。在 100 瓦 RF 功率下，二極管網(wǎng)絡(luò)的耗散約為 1.5 瓦。將 C2 分成 C2 和 C3 可降低圖 4 中“變?nèi)荻O管”電路上的 RF 電壓，從而實現(xiàn) 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
　　3 位 PIN 開關(guān)電容數(shù)字控制電路
　　接下來，我們設(shè)計了一個三位數(shù)字開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)，提供 8 個電容步驟。理想的高頻電容開關(guān)在“開”時應(yīng)具有接近零的電阻，在“關(guān)”時應(yīng)具有非常高的電阻。此外，“關(guān)”狀態(tài)電容應(yīng)該非常小。在考慮的所有半導(dǎo)體技術(shù)中，只有 PIN 二極管技術(shù)似乎可行。其他開關(guān)技術(shù)的“關(guān)”狀態(tài)電容太大。在我們的功率水平下通常需要專用半導(dǎo)體?！　【哂?3 位調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)的功率級

　　圖 5：具有 3 位調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)的功率級
　　簡而言之，PIN 二極管可以控制安培級射頻電流，直流偏置電流為幾十毫安。幾十年來，PIN 二極管一直被用作從 3 MHz 到千兆赫區(qū)域的射頻開關(guān)。在“開啟”（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)閉”（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。有關(guān) PIN 二極管理論和操作的良好概述可參閱 [6]。
　　我們找到了幾種具有合適擊穿電壓額定值的 RF 級 PIN 二極管。這些特殊部件的成本過高。擊穿電壓高于 500 伏的標(biāo)準(zhǔn)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 RF 級 PIN 二極管的廉價替代品，可控制高達(dá) 100 瓦的 RF 功率 [7]。
　　測量了 1N4007 整流器的結(jié)電容。在 VR 為 100 伏時，電容為 2.6 pF。在 300V 時，結(jié)電容測量值為 1.8 pF。在 800V 時，電容降至 1.6 pF。來自三家制造商的 1N4007 二極管具有多個日期代碼，但變化不大；800V 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)概念的示意圖。在 100 VDC 輸入和 110 瓦最大輸出時，PIN 開關(guān)在反向偏置時實際上是開路。電感器 L3 被選擇與 PIN 二極管“關(guān)閉”電容產(chǎn)生共振，使開關(guān)對電路操作透明。1N4007 在“關(guān)閉”時的溫升太小，無法準(zhǔn)確測量?！　≡凇伴_啟”狀態(tài)下，向 PIN 開關(guān)施加 20 毫安正向偏壓。二極管溫升同樣太小，無法準(zhǔn)確測量。當(dāng) 65 瓦輸出到 50 歐姆負(fù)載時，負(fù)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(dǎo)總負(fù)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“開啟”狀態(tài)下會產(chǎn)生毫瓦級功耗。

　　表 1：功率輸出與調(diào)諧字。
　　只要沒有直流電流流過，PIN 二極管就會傾向于在峰值施加的 RF 電壓附近自偏置。因此，無需高壓負(fù)偏置源即可關(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(luò)電路如圖 5 所示。功率輸出與調(diào)諧狀態(tài)（從 000（八進(jìn)制“0”）到 111（八進(jìn)制“7”））的關(guān)系如表 1 所示。第 4 列顯示每個狀態(tài)的 DC - RF 效率。該電路將 PIN 二極管連接到地，大大簡化了驅(qū)動電路并增加了輸出功率范圍。