Conmutación de RF con diodos PIN

Conmutación de RF con diodos PIN

El tema de la conmutación de RF es sumamente amplio como para tratarlo en profundidad en unas pocas líneas. Nos vamos a centrar en algunos aspectos de este tema que se usan ampliamente en muchos kits de QRP y que suscitan muchas preguntas y algunas creencias erróneas.

La necesidad de conmutar señales de RF viene directamente de la necesidad de aprovechar parte de un circuito, el filtro de FI, la toma de antena, oscilador a cristal o modificar de alguna manera la señal haciéndola pasar por diversos caminos, filtros de distinto ancho, atenuador o amplificador. Esto se hace de diversas maneras, mediante un conmutador mecánico, manual o eléctrico tipo relé, el cual tiene unas características de impedancia, aislamiento y capacidades parásitas que normalmente son desconocidas  si no se emplean dispositivos específicamente diseñados para su uso en RF. No obstante en frecuencias de HF, menor a 30 MHz, no suelen ser elementos críticos y casi cualquier relé o conmutador vale para la mayoría de los casos.

Dentro de los dispositivos electrónicos que se pueden usar para conmutar señales de RF está el diodo. Pero diodos hay muchos y por tanto no todos son idóneos para esta función y no todos los que se pueden usar para RF son idóneos en todos los casos. Por esta razón vamos a estudiar este asunto centrándonos en los diodos y su aplicación a la conmutación y atenuación de señales de RF.

El diodo de conmutación de propósito general se confunde normalmente con la aplicación para conmutar señales de cualquier índole, incluida las señales de RF. Aunque se puede usar como conmutador de RF un diodo tan corriente como el 1N4148, no es la elección más adecuada por diversos motivos que analizaremos más adelante. Que un diseño funcione no quiere decir que funcione bien en todos los casos en los que se va a emplear y por tanto la elección adecuada de los componentes es una de las labores más importantes a la hora de enfrentarse a un diseño. Esto no resta valor a los diseños hechos con materiales de fácil adquisición y que no buscan la excelencia sino salir del paso, pero esto es un sacrificio de las prestaciones frente a la disponibilidad de componentes o que éstos sean asequibles al bolsillo de los radioaficionados.

El diodo de conmutación es un diodo muy rápido, menos de 4 nS de tiempo de conmutación de conducción a no conducción. Este tipo de diodos es por tanto un “magnífico” detector a frecuencias superiores a 100 Mhz. Es decir, si la amplitud de la señal de RF es capaz de cambiar el estado del diodo de conducción a no conducción, entonces en lugar de conmutar la señal lo que hace el diodo es rectificarla y el resultados es distorsión que se traduce en armónicos e intermodulación, toda una batería de problemas que nos llevan a un mal funcionamiento.

Diodo PIN

El diodo PIN es un diodo que tiene la unión PN separada por una zona llamada intrínseca. Esta zona le proporciona unas características adecuadas para funcionar en RF como una resistencia variable controlada por corriente. La región I tiene una alta resistividad y cuando el diodo se polariza en directa, la región I se inyecta de huecos y electrones que no se anulan inmediatamente. El hecho de no anularse inmediatamente, tardan un tiempo llamado tiempo de vida de portador  “τ”, es lo que permite que el diodo no sea capaz de responder a la señal de RF como lo hace un diodo rápido.

Fig1. Estructura del diodo PIN

Estos electrones y huecos forman una carga temporal cuyos efectos son reducir la resistencia de la zona I. Cuanto mayor es esta carga menor es la resistencia efectiva que presenta el diodo. Además el tiempo τ determina a partir de qué frecuencia el diodo deja de ser un diodo para convertirse en una resistencia. Para el 1N4148 la documentación técnica especifica que el tiempo de recuperación es de 4 nS frente al MPN3700 que es un diodo de conmutación de RF para VHF que tiene un τ de 300 nS o al BAR64 con un τ de 1550 nS que le hacen adecuado para frecuencias de 1Mhz en adelante. Ya podemos intuir que un diodo de conmutación no es cualquier cosa y que un barato y asequible diodo 1N4148 no tiene nada que ver con un diodo de conmutación de RF.

Hay otras características a tener en cuenta en los diodos. Son las capacidades a 0 voltios y en polarización inversa. Los diodos PIN cuando se polarizan en inversa, incluso a 0 voltios, anulan la carga en la zona I y por tanto se forma un condensador cuya capacidad depende del área de la superficie de las zonas P y N dividida por la distancia que las separa o ancho de la zona I. Esto hace que un diodo PIN tenga mucha menor capacidad que un diodo de conmutación normal. Un diodo PIN anda por debajo de 1 pF a 0 voltios de polarización, el BAR64 tiene 0,17 pF lo que le hace operativo a frecuencias muy por encima de 1Ghz que para HF parece no teiene la menor importancia.  El 1N4148 tiene 2 pF, es decir más de 10 veces los que BAR64 y similar al BA244, 1,8 pF, muy usado como conmutador de bandas en sintonizadores de TV.

Fig2.- Gráfica resistencia/corriente del BAR64

En general para cualquier diodo de conmutación para RF se define la resistencia de polarización en directa mientras que para los diodos no específicamente diseñados para RF este valor es desconocido. Con esto ya nos podemos hacer una idea aproximada de si va a servir como conmutador de RF o no. En algunos diodos como el BAR64 además el fabricante dice claramente que el componente tiene un buen comportamiento con la intermodulación, proporciona la curva resistencia/corriente de polarización, pérdidas de inserción con distintas polarizaciones y frecuencias, los parámetros S y datos que claramente nos dicen que es un componente diseñado para RF.

El problema de los componentes hoy día es que la mayoría son para SMD ya que los que antes se fabricaban para pinchar están cayendo en desuso y por tanto se dejan de fabricar. No obstante se siguen encontrando diodos de conmutación como el BA243 que se puede usar en HF desde 1Mhz en adelante, no así el BA244 que es para VHF. Estos diodos son diodos PIN pero diseñados para conmutación de señal pero no se puede controlar la resistencia que presentan con la corriente.

Aplicaciones del diodo PIN

La primera aplicación y más usada es la conmutación de señales de RF. Para conmutación de filtros, cristales del oscilador de portadora, etc. En general el circuito es siempre el mismo, al diodo se le conecta una resistencia de tal forma que circule corriente cuando queremos ponerlo en la posición ON y que no circule corriente para pasarlo a la posición OFF. Pero ojo, un diodo puede proporcionar unos 20 a 30 dB de aislamiento en la posición OFF y si se necesita más no queda más remedio que complicar el circuito.

Fig 3. Interruptor RF

El circuito es simple, cuando el diodo se polariza en directo, con una corriente de 1 mA para el BAR64, la resistencia del diodo es de 15 ohmios y si se polariza con 10 mA la resistencia baja a 1,5 ohmios aproximadamente. Por el contrario si se polariza en inversa o simplemente la polarización es de 0 voltios, la resistencia que presenta el diodo a la RF es de más de 10K para frecuencias de menos de 10 Mhz.

Hay que recordar que el diodo PIN tiene una pequeña capacidad en paralelo con la resistencia inversa de polarización que va a limitar el aislamiento cuando la frecuencia sube y este pequeño condensador empieza a tener valores de impedancia significativamente bajos respecto de la resistencia inversa del diodo.

Para ilustrar el comportamiento de los distintos diodos se ha montado el siguiente circuito. Se ha probado un diodo PIN tipo 1N5767 un diodo de conmutación de banda para TV BA244 y un diodo de conmutación 1N4148.

Fig4. Circuito de prueba en montaje araña

Se han hecho tres pruebas para comparar el comportamiento de los distintos diodos. La primera prueba es de pérdidas de transmisión cuando el diodo está polarizado en directa. Para ello se ha ajustado en cada caso la corriente del diodo mediante una fuente de alimentación variable. El BA244 se ha polarizado con 1 mA y los otros dos diodos con 10 mA. Las pérdidas se pueden ver en la figura 5. El diodo BA 244 tiene 0,1 dB más de pérdidas que el 1N4148 pero con la ventaja que solo necesita 1 mA de excitación. Algo muy conveniente para equipos portátiles. El diodo PIN 1N5767 tiene mejor respuesta en todas las frecuencias, no obstante es de destacar que por encima de 70 Mhz el montaje usado para hacer las medidas no es el más idóneo y probablemente por esta razón las pérdidas se disparan en UHF. No obstante sirve la medida para comparar los tres diodos.

Fig5. Atenuación con polarización directa

La siguiente prueba ha sido medir el aislamiento que proporciona cada diodo con polarización inversa de 8 voltios. En este caso el diodo no conduce y solo queda la capacidad inversa de 2 pF aproximadamente para el BA244 y 1N4148, mientras que el 1N5767 tiene algo más de 0,4 pF ya que el diodo está especificado a 50 V y 1 Mhz una capacidad de 0,4 pF. Analizando los resultados se ve claramente que el diodo PIN tiene mejores prestaciones que el resto de diodos.

Fig 6. Atenuación con polarización inversa

La última prueba ha consistido en medir la atenuación a distintas frecuencias y corrientes de polarización en el diodo PIN. No se ha hecho esta prueba con los otros diodos ya que no se comportan como resistencias variables. Los resultados se pueden ver en la figura 7 y son realmente espectaculares. Para cada corriente, que están medidas en mA, se consigue una atenuación y una respuesta en frecuencia. Este diodo se comporta como una resistencia desde 1Mhz hasta 144 Mhz. En 435Mhz la respuesta varía pero seguro que es debido al tipo de montaje de prueba. En la tabla se proporcionan los valores de atenuación obtenidos para cada corriente.

Fig 7. Atenuación y respuesta en frecuencia del diodo PIN.

Corriente directa	Atenuación dB
10 mA	0,5
4,5 mA	1
1,18 mA	3
0,45 mA	6
216 µA	10
46 µA	20

Tabla1. Atenuación diodo PIN con la corriente

El circuito probado no es un atenuador propiamente dicho ya que conforme aumenta la resistencia del diodo aumenta la ROE de entrada al circuito, pero sirve para mostrar una aplicación muy simple de atenuador variable que puede usarse para un control de CAG muy simple en un receptor de conversión directa.

Hay que poner de manifiesto una de las grandes diferencias que hay entre un diodo de conmutación de propósito general y un diodo PIN. En el caso del diodo PIN el fabricante proporciona datos precisos de su comportamiento en presencia de señales fuertes y aporta en algunos casos el valor de los productos de intermodulación de tercer orden. En el caso del diodo PIN es de -60 dB para dos señales de prueba de 0,3 voltios de RF con señales de pruebade 10 y 13 Mhz. Esto es imposible conseguirlo con un diodo de conmutación tipo al 1N4148. La razón es simple, el diodo de conmutación va a ser capaz de rectificar la señal de RF o en el mejor de los casos los picos de amplitud llegarán a la zona no lineal del diodo. En esta zona no lineal se produce una fuerte distorsión y el diodo actúa como un mezclador provocando que aparezcan los productos de intermodulación. Esta es una de las razones más importantes para no usar diodos de conmutación rápidos en los circuitos de RF de conmutación de filtros de banda. Las señales no filtradas que llegan al primer bloque de diodos que seleccionan los filtros de banda pueden generar intermodulaciones si los diodos no son PIN.

Aplicaciones del diodo PIN

EL diodo PIN al ser una resistencia variable controlada por corriente tiene dos aplicaciones inmediatas, conmutador y atenuador como ya hemos visto, hay otras muchas aplicaciones pero se salen del alcance de este trabajo. En el primer caso, conmutador, lo que interesa es la mínima y máxima resistencia que puede presentar. Para esta función es más aconsejable en general los diodos de conmutación de RF tipo al BA243 y similares que se puedan usar en HF. Para ello necesitamos que el tiempo de vida de portadores o tiempo de recuperación, en algunas hojas técnicas, sea mayor a 1µS. De esta forma sabemos que el diodo se comportará como una resistencia para las señales de RF por encima de 1 Mhz. En realidad debemos usar una escala de 10 veces para asegurar que se va a comportara realmente como una resistencia y no un diodo.  Para 1,5 µS de tiempo de vida de portadores , la frecuencia es 1/0,0000015 = 666 Khz que por 10 es 6,66Mhz. Cuanto más cerca de 1Mhz más se comporta como diodo y menos como resistencia.  Algunos fabricantes especifican claramente a partir de qué frecuencia se puede usar el diodo PIN. Este es el caso del BAR64 que SIEMENS especifica en su hoja técnica que es adecuado para frecuencias por encima de 1Mhz aunque eel tiempo de vida de portadores es de 1,55 µS.

Para la construcción de atenuadores variables se tiene que usar un diodo PIN. Resulta más fácil hacer un atenuador en  que un atenuador en T. En el caso del atenuador en π es posible controlar la atenuación con solo un punto de control mientras que en atenuador en T se necesitan dos.

Fig 8. Atenuador variable en PI

El circuito de la figura 8 es un atenuador en PI controlado por la tensión de T2, todos los condensadores son de 10 nF. Cuando la tensión en T2 provoca una corriente de unos 20µA la resistencia que presenta D2 y D3 es de unos 250 ohmios mientras que la corriente que circula por D4 y D5 es de aproximadamente 1 mA, y con esta corriente el diodo PIN presenta una resistencia de unos 60 ohmios. Con estos valores se tiene una atenuación de 20 dB. Aproximadamente la tensión en T2 es de 1,36 Vcc. Si aumentamos la corriente por D2 y D3 para conseguir una atenuación de 10 dB, necesitamos que la resistencia Rd2+Rd3 = 71Ω. Para este valor de resistencia se necesita una corriente de 2 mA. Al ajustar la corriente por R3 a 2 mA, la corriente por D4 y D5 es de 1 mA que corresponde a una resistencia de unos 60Ω. Con estos valores sale una atenuación de 12 dB y una ROE de 1,6:1. Se pueden calcular otros valores de atenuación pero con este ya tenemos una idea de cómo el atenuador consigue atenuar la señal de RF mediante el control de una tensión en T2 y manteniendo una ROE muy baja. Para atenuaciones menores a 3 dB se necesita una corriente por D2 y D3 de unos 10 mA, por tanto este circuito siempre presentará algunas pérdidas a consumos relativamente altos, de 15 a 20 mA, para un equipo portátil.

Para cada tipo de diodo PIN será necesario ajustar los valores de resistencia para conseguir las atenuaciones deseadas. Los valores de corriente para cada valor de resistencia se tienen que ver en una gráfica tipo a la de la figura 2. En la figura 9 se puede ver la gráfica del diodo 1N5767.

Fig 9. Diodo 1N5767

Este atenuador se puede usar como control automático de ganancia si la tensión de control es proporcional a la señal recibida. Un sencillo circuito rectificador que ataca a un transistor es suficiente para controlar la tensión de CAG.

En próximos artículos trataremos aplicaciones concretas con diodos PIN de conmutación de banda y diodos PIN atenuadores.