一种高反偏电压大功率PIN射频开关单元电路的制作方法

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一种高反偏电压大功率pin射频开关单元电路
技术领域
1.本实用新型属于pin射频开关电路技术领域，具体涉及一种高反偏电压大功率pin射频开关单元电路。

背景技术：

2.pin射频开关具有切换速度快、可靠性高、功率容量大、损耗低、无触点磨损等优点，常用于收发切换、多路射频选择、阵列天线等方面。在通讯、雷达、电子对抗等领域得到了广泛应用。在现有高反偏电压大功率pin射频开关设计中，常采用分立pin管以获得更好的散热与功率容量，对于100v级反偏电压，一般会用至少3个耐高压管控制1个pin的方式进行驱动电路设计。在驱动常见的1串1并开关单元时，需要至少6个耐高压管，占用了更大的印制板空间，单元内没有组成自稳电路，降低了电路可靠性，切换速度慢。

技术实现要素：

3.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种高反偏电压大功率pin射频开关单元电路，其目的在于解决现有的高反偏电压大功率pin射频开关电路的关键器件多、无自稳电路、切换速度慢等技术问题。
4.为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种高反偏电压下快速切换的大功率低功耗精简pin射频开关单元电路，包括由q1、q2、q1’、q2’这4个耐高压管与正反馈电阻r_q1、r_q2、r_q1’、r_q2’组成的推挽式低功耗双稳态开关切换驱动电路，均衡加速切换的反相器，射频信号串联pin管和并联pin管，射频耦合隔直电容c1、c2、c1’、c2’，射频去耦电感l1、l2、l1’、l2’，阻尼用tvs管(tvs1、tvs1’)/电阻(r1、r3、r1’、r3’)等6部分组成。
5.其中，推挽式双稳态驱动电路在低功耗下(典型值0.16w@125v反偏电源vcc)，利用内部正反馈结构高速建立逻辑互反的pin驱动信号，加载到电感上，透过电感驱动大功率pin二极管正偏导通/反偏截止，完成射频信号的导通/关断控制；均衡加速切换的反相器用于加快稳态过程建立速度，使互反逻辑对称平衡；射频信号串联pin管和并联pin管构成常见的1串1并pin单元电路，用于射频信号导通/截止控制；射频耦合隔直电容用于隔直流通射频；射频去耦电感用于加载pin正偏/反偏电压时，射频去耦；单元内设的阻尼电路，用于减少高q值电路切换造成的振荡，减少瞬态逻辑混乱。
6.优选的，上述高反偏电压大功率pin射频开关单元电路，包括由pnp型高压三极管q1、q1’，npn型高压三极管q2、q2’，与正反馈电阻r_q1、r_q2、r_q1’、r_q2’组成的推挽式双稳态驱动电路；逻辑04系列宽电源电压、高速单反相器；射频信号串联高反压pin管和并联高反压pin管；射频耦合高压隔直电容c1、c2、c1’、c2’；射频去耦线绕电感l1、l2、l1’、l2’；导通压降略高于vdd的双向阻尼用tvs管tvs1、tvs1’/
7.阻尼电阻r1、r3、r1’、r3’；以上6部分组成。
8.其中，由q1、q2、q1’、q2’、r_q1、r_q2、r_q1’、r_q2’组成的推挽式双稳态电路，三极
管q1、q1’的发射极连接pin反偏高压电源vcc，q2、q2’的基极连接开关控制电平进行稳态转换，q1(与q2)、q1’(与q2’)的集电极分别连接电感l1、l1’回路，将vcc加载到需截止pin管，同时吸收需导通pin管的vdd正偏电流；
9.其中，反相器输入端连接开关控制电平与耐高压管q2基极，输出端连接耐高压管q2’基极，即推挽式双稳态电路反相输入端；
10.其中，射频信号串联pin管两端接隔直电容c1、c2，和去耦电感l1、l2，并联pin管两端接隔直电容c1’、c2’，和去耦电感l1’、l2’；
11.其中，双向阻尼用tvs管tvs1、tvs1’分别连接去耦电感l1、l1’的vdd电压端，另一端接地，阻尼电阻r1、r1’分别接入去耦电感l1、l1’与vdd之间，阻尼电阻r3、r3’分别接入去耦电感l2、l2’与推挽式双稳态电路输出端之间；
12.优选的，上述高反偏电压大功率pin射频开关单元电路，其pnp高压三极管q1、q1’优选江苏长电科技股份有限公司的mmbta94，其npn高压三极管q2、q2’优选该公司的mmbta44。
13.优选的，上述高反偏电压大功率pin射频开关单元电路，其反相器优选圣邦微电子股份有限公司的sgm7sz04。
14.优选的，上述高反偏电压大功率pin射频开关单元电路，其pin管优选南京五十五所的wk0020h。
15.优选的，上述高反偏电压大功率pin射频开关单元电路，其tvs、tvs1’管优选萨科微半导体有限公司的slesd3z5v0c。
16.优选的，上述高反偏电压大功率pin射频开关单元电路，其l1、l2、l1’、l2’线绕电感优选广东风华高新科技有限公司的fhw0805uf1r5jst，其c1、c2、c1’、c2’高压隔直电容优选该公司的1206b103k501nt。
17.总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
18.本实用新型提供的这种高反偏电压大功率pin射频开关单元电路，采用更少的关键器件，具有逻辑稳定性高、电路精简、可靠性高、切换速度快、器件易得、成本低廉的优点，可实现100％国产化。
附图说明
19.图1为传统的3个耐高压管控制1个pin管的驱动电路设计；
20.图2为按照本实用新型实施例提供的使用耐高压三极管构建的高反偏电压大功率pin射频开关单元电路原理图；
21.图3为按照本实用新型实施例提供的使用耐高压达林顿管构建的高反偏电压大功率pin射频开关单元电路原理图；
22.图4为按照本实用新型实施例提供的使用耐高压场效应管构建的高反偏电压大功率pin射频开关单元电路原理图；
23.图5为按照本实用新型实施例提供的，用耐高压三极管构建的，使用multisim软件画出的仿真电路图；
24.图6为上述仿真电路图中周期为40μs，占空比50％条件下，示波器-sxc1的仿真结
果；
25.图7为上述仿真电路图中周期为40μs，占空比50％条件下，示波器-sxc2的仿真结果。
26.在所有附图中，同样的附图标记代表相同的技术特征，具体地，q1、q2、q1’、q2’为耐高压管，l1、l2、l1’、l2’为电感，r_q1、r_q2、r_q1’、r_q2’、r1、r2、r3、r1’、r2’、r3’为电阻，tvs1、tvs1为tvs器件(瞬态抑制二极管)。
具体实施方式
27.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
28.在现有工程设计中，高反偏电压大功率pin射频开关单元电路一般采用2个nmos和1个pmos场效应管组合驱动1个pin管的方式进行设计，其电路原理图如图1所示，这种驱动电路稍显复杂，核心器件多，没有自稳电路，降低了电路可靠性，切换速度慢。
29.针对上述现有技术的缺陷，本实用新型所提供的一种高反偏电压大功率pin射频开关单元电路，包括由q1、q2、q1’、q2’这4个耐高压管与正反馈电阻r_q1、r_q2、r_q1’、r_q2’组成的推挽式低功耗双稳态开关切换驱动电路，均衡加速切换的反相器，射频信号串联pin管和并联pin管，射频耦合隔直电容c1、c2、c1’、c2’，射频去耦电感l1、l2、l1’、l2’，阻尼用tvs管(tvs1、tvs1’)/电阻(r1、r3、r1’、r3’)等组成。
30.其中，推挽式双稳态驱动电路在低功耗下(典型值0.16w@125v反偏)，利用内部正反馈结构高速建立逻辑互反的pin驱动信号，加载到电感上，透过电感驱动大功率pin二极管正偏导通/反偏截止，完成射频信号的导通/关断控制；均衡加速切换的反相器用于加快稳态过程建立速度，使互反逻辑对称平衡；射频信号串联pin管和并联pin管用于射频信号导通/截止控制；射频耦合隔直电容用于隔直流通射频；射频去耦电感用于加载pin正偏/反偏电压时，射频去耦；单元内设的阻尼电路，用于减少高q值电路切换造成的振荡，减少瞬态逻辑混乱。如图2所示，是本实用新型提供的一种高反偏电压大功率pin射频开关单元电路的第一个实施例的电路图，采用高耐压三极管构建；如图3所示，是本实用新型提供的一种高反偏电压大功率pin射频开关单元电路的第二个实施例的电路图，采用高耐压达林顿管构建；如图4所示，是本实用新型提供的一种高反偏电压大功率pin射频开关单元电路的第三个实施例的电路图，采用高耐压场效应管构建。
31.上述高反偏电压大功率pin射频开关单元电路，包括由pnp型高压三极管q1、q1’，npn型高压三极管q2、q2’，与正反馈电阻r_q1、r_q2、r_q1’、r_q2’组成的推挽式双稳态驱动电路；逻辑04系列宽电源电压、高速单反相器；射频信号串联高反压pin管和并联高反压pin管；射频耦合高压隔直电容c1、c2、c1’、c2’；射频去耦线绕电感l1、l2、l1’、l2’；导通压降略高于vdd的双向阻尼用tvs管tvs1、tvs1’/阻尼电阻r1、r3、r1’、r3’；以上6部分组成。
32.由q1、q2、q1’、q2’、r_q1、r_q2、r_q1’、r_q2’组成的推挽式双稳态电路，q1、q1’的发射极连接pin反偏高压电源vcc，q2、q2’的基极连接开关控制电平进行稳态转换，q1、q2、q1’、q2’的集电极分别连接电感l1、l1’回路，将vcc加载到需截止pin管，同时吸收需导通
pin管的vdd正偏电流；
33.反相器输入端连接开关控制电平，输出端连接q2’基极，即推挽式双稳态电路反相输入端；
34.射频信号串联pin管两端接隔直电容c1、c2，和去耦电感l1、l2，并联pin管两端接隔直电容c1’、c2’，和去耦电感l1’、l2’；
35.双向阻尼用tvs管tvs1、tvs1’分别连接去耦电感l1、l1’的vdd电压端，另一端接地，阻尼电阻r1、r1’分别接入去耦电感l1、l1’与vdd之间，阻尼电阻r3、r3’分别接入去耦电感l2、l2’与推挽式双稳态电路输出端之间。
36.在采用5v-cmos逻辑电平对开关进行控制的情况下，控制电压与高反偏电压大功率pin射频开关单元电路的切换逻辑真值表如下表1所示；
37.本实用新型第一实施例中，其pnp高压三极管q1、q1’优选江苏长电科技股份有限公司的mmbta94，其npn高压三极管q2、q2’优选江苏长电科技股份有限公司的mmbta44；其反相器优选圣邦微电子股份有限公司的sgm7sz04；其pin管优选南京五十五所的wk0020h；其tvs、tvs1’管优选萨科微半导体有限公司的slesd3z5v0c；其l1、l2、l1’、l2’线绕电感优选广东风华高新科技有限公司的fhw0805uf1r5jst，其c1、c2、c1’、c2’高压隔直电容优选广东风华高新科技有限公司的1206b103k501nt。国产化器件易于实现。
38.实施例提供的这种高反偏电压大功率pin射频开关单元电路，采用更少的关键器件，具有逻辑稳定性高、电路精简、可靠性高、切换速度快、器件易得、成本低廉的优点，可实现100％国产化。
39.利用multisim仿真软件对本实用新型的第一实施例构建的仿真电路如图5所示，采用5v-cmos逻辑电平对开关进行控制。上述仿真电路中示波器-sxc1、示波器-sxc2的仿真结果分别如图6、7所示。由仿真结果可见，在驱动1.5μh大电感和10nf大电容的情况下，这种高反偏电压大功率pin射频开关单元电路获得了良好的开关切换瞬态响应，所有10％～90％电压切换时间《3μs，且切换过程稳定，电路自稳，多余振荡少。
40.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
41.表1开关单元电路切换逻辑真值表(5v逻辑电平)
42.开关状态开关控制电平导通(串联pin正偏/并联pin反偏)5v关断(串联pin反偏/并联pin正偏)0v

技术特征：

1.一种高反偏电压大功率pin射频开关单元电路，其特征在于，包括由四个耐高压管q1、q2、q1’、q2’与正反馈电阻r_q1、r_q2、r_q1’、r_q2’构建的推挽式双稳态低功耗开关切换驱动电路；均衡加速切换的反相器；射频信号串联pin管和并联pin管；射频耦合隔直电容c1、c2、c1’、c2’；射频去耦电感l1、l2、l1’、l2’；阻尼用tvs管，即tvs1、tvs1’与电阻r1、r3、r1’、r3’；所述推挽式双稳态低功耗开关切换驱动电路的第一、三耐高压管q1、q1’的发射极或源极连接pin反偏高压电源vcc；第二、四耐高压管q2、q2’的基极或栅极连接开关控制电平进行稳态转换，第一耐高压管q1与第二耐高压管q2、第三耐高压管q1’与第四耐高压管q2’的集电极或漏极分别连接第一、二射频去耦电感l1、l1’回路，一路通过电感将反偏高压电源vcc加载到需截止pin管，同时另一路通过电感吸收需导通pin管的vdd正偏电流；所述反相器输入端连接开关控制电平与第二耐高压管q2基极或栅极；所述反相器输出端连接第四耐高压管q2’基极或栅极，即推挽式双稳态电路反相输入端；所述射频信号串联pin管两端连接第一、二射频耦合隔直电容c1、c2，和第一、二射频去耦电感l1、l2；并联pin管两端接第三、四射频耦合隔直电容c1’、c2’，和第三、四射频去耦电感l1’、l2’；双向阻尼用tvs管的第一tvs1管、第二tvs1’管分别连接第一、三射频去耦电感l1、l1’的vdd电压端，另一端接地，第一、三阻尼电阻r1、r1’分别接入第一、三射频去耦电感l1、l1’与vdd之间，第二、四阻尼电阻r3、r3’分别接入第二、四射频去耦电感l2、l2’与第一、三耐高压管q1、q1’的集电极或漏极，即推挽式双稳态电路输出端之间。

技术总结

本实用新型公开了一种高反偏电压大功率PIN射频开关单元电路，包括由耐高压管主导的推挽式双稳态低功耗开关切换驱动电路，均衡加速切换的反相器，射频信号串联PIN管和并联PIN管，射频耦合隔直电容，射频去耦电感，阻尼用TVS管/电阻等组成。推挽式双稳态驱动电路可以在低功耗下，利用内部正反馈结构高速建立逻辑互反的PIN驱动信号，加载到电感上，透过电感驱动大功率PIN二极管正偏导通/反偏截止，完成射频信号的导通/关断控制。单元内设阻尼电路，用于减少高Q值电路切换造成的振荡，减少瞬态逻辑混乱。本实用新型具有射频功率容量大、逻辑稳定性高、电路精简、可靠性高、切换速度快、器件易得、成本低廉的优点，可实现100％国产化。可实现100％国产化。可实现100％国产化。