一种高温二选一开关电路的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种高温二选一开关电路，包括：用于控制两路输入信号通断的二选一开关电路和非稳态多谐振荡器；二选一开关电路中的结型场效应管和非稳态多谐振荡器中的结型场效应管均采用禁带宽度大于2eV的宽禁带半导体元件。本发明简化了二选一开关电路的拓扑结构，使用单一N型JFET，消除了对互补器件的需求。使用SiC JFET或其他等效的禁带宽度大于2eV的宽禁带半导体元件作为高温电路的核心元件，有效解决高温或其他极端情况下普通半导体器件的在高温下损毁导致电路失效问题；二选一开关电路的输出信号中包括由电容所采样的温度信息，可以同时传送温度信息和传感器信号，从而降低电路的复杂性。
【专利说明】—种高温二选一开关电路
【技术领域】
[0001]本发明属于电子【技术领域】，具体是一种高温二选一开关电路。
【背景技术】
[0002]在无线传感器的信号处理中，很多传感器产生的信号都是一个稳态信号，例如热电偶的输出信号和静态压力传感器信号。为了调制无线发射器的RF载波，稳态信号必须要转化为交变信号，通常采用模拟开关电路来实现。此外，模拟开关电路还在采样保持、模数转换、函数发生、斩波放大等电路单元中有着广泛的应用。开关电路一般使用硅基二极管或晶体管来实现，但是当环境温度超过300°C时，常规的硅或绝缘体上硅(SOI)的电子器件将会失效。
【发明内容】
[0003]针对现有技术存在的问题，本发明提供一种高温二选一开关电路。
[0004]本发明的技术方案是:
一种高温二选一开关电路，包括:
用于控制两路输入信号通断的二选一开关电路:具有两个信号输入端、一个控制输入端以及一个信号输出端；
非稳态多谐振荡器:生成高电平或低电平的方波信号，将其作为二选一开关电路的控制信号；
二选一开关电路中的结型场效应管和非稳态多谐振荡器中的结型场效应管均采用禁带宽度大于2eV的宽禁带半导体元件。
[0005]所述二选一开关电路包括第一结型场效应管、第二结型场效应管、第一电阻和第二电阻；第一结型场效应管的栅极与第二结型场效应管栅极连接后作为二选一开关电路的控制输入端，第一结型场效应管的漏极作为二选一开关电路的一个信号输入端，第一结型场效应管的源极与第一电阻的一端连接后作为信号输出端，第一电阻的另一端连接第二结型场效应管的漏极，第二结型场效应管的源极接地，第二电阻的一端连接至第二结型场效应管的漏极与第一电阻的另一端的连接点，第二电阻的另一端作为二选一开关电路的另一个信号输入端；
所述非稳态多谐振荡器包括电流源、放大单元和用于提供方波振荡信号的选频与正反馈环路；
电流源包括第三结型场效应管、第三电阻和第四电阻，第三电阻的一端连接第三结型场效应管的源极；第三电阻的另一端连接第四电阻的一端，第四电阻的另一端连接负电源；
放大单元包括第四结型场效应管、第五结型场效应管、第五电阻、第六电阻、第七电阻，第四结型场效应管、第五结型场效应管形成互耦结构，第四结型场效应管的源极与第五结型场效应管的源极连接后与第三结型场效应管的漏极连接，第四结型场效应管的漏极连接第五电阻的一端，第五结型场效应管的漏极连接第六电阻的一端，第五电阻的另一端、第六电阻的另一端连接后与第七电阻的一端连接，第七电阻的另一端连接正电源；第四结型场效应管的漏极或第五结型场效应管的漏极连接二选一开关电路的控制输入端，第四结型场效应管的漏极的输出信号与第五结型场效应管的漏极输出信号具有反相关系。
[0006]选频与正反馈环路包括第一电容和第二电容，第一电容的一端连接第四结型场效应管的漏极与第五电阻的一端的连接点，第二电容的一端连接第五结型场效应管的漏极与第六电阻的一端的连接点，第一电容的另一端连接至第五结型场效应管的栅极，第二电容的另一端连接至第四结型场效应管的栅极。
[0007]所述选频与正反馈环路的第一电容和第二电容随温度而改变，根据非稳态多谐振荡器的振荡频率获取第一电容的温度系数和第二电容的温度系数。
[0008]有益效果:
简化了二选一开关电路的拓扑结构，使用单一 N型JFET，消除了对互补器件的需求。
[0009]使用SiC JFET或其他等效的禁带宽度大于2eV的宽禁带半导体元件作为高温电路的核心元件，有效解决高温或其他极端情况下普通半导体器件的在高温下损毁导致电路失效问题；
二选一开关电路的输出信号中包括由电容所米样的温度信息，可以同时传送温度信息和传感器信号，从而降低电路的复杂性。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是本发明【具体实施方式】的二选一开关电路原理图；
图2是本发明【具体实施方式】的非稳态多谐振荡器原理图；
图3 (a)是本发明【具体实施方式】的基于SiC JFET的非稳态多谐振荡器在25 ° C的输出；
图3 (b)是本发明【具体实施方式】的基于SiC JFET的非稳态多谐振荡器在450 ° C时的输出；
图4是本发明【具体实施方式】的非稳态多谐振荡器输出信号的频率与温度的对应关系。
【具体实施方式】
[0011]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做详细说明。
[0012]一种高温二选一开关电路，包括:
用于控制两路输入信号通断的二选一开关电路:具有两个信号输入端(Inputl和Input2)、一个控制输入端Control以及一个信号输出端Output ；
非稳态多谐振荡器:生成高电平或低电平的方波信号，将其作为二选一开关电路的控制信号；
二选一开关电路中的结型场效应管和非稳态多谐振荡器中的结型场效应管均采用禁带宽度大于2eV的宽禁带半导体元件，本实施方式采用SiC JFET，或采用碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等半导体器件。
[0013]如图1所示，二选一开关电路包括第一结型场效应管J1、第二结型场效应管J2、第一电阻Rl和第二电阻R2 ;第一结型场效应管Jl的栅极与第二结型场效应管J2的栅极连接后作为二选一开关电路的控制输入端Control,第一结型场效应管Jl的漏极作为二选一开关电路的一个信号输入端Inputl，第一结型场效应管Jl的源极与第一电阻Rl的一端连接后作为信号输出端Output，第一电阻Rl的另一端连接第二结型场效应管J2的漏极，第二结型场效应管J2的源极接地，第二电阻R2的一端连接至第二结型场效应管J2的漏极与第一电阻Rl的另一端的连接点，第二电阻R2的另一端作为二选一开关电路的另一个信号输入端 Input2 ；
如图2所示，非稳态多谐振荡器包括电流源、放大单元和用于提供方波振荡信号的选频与正反馈环路；
电流源包括第三结型场效应管J8、第三电阻R13和第四电阻R18，第三电阻R13的一端连接第三结型场效应管J8的源极；第三电阻R13的另一端连接第四电阻R18的一端，第四电阻R18的另一端连接负电源；
放大单元包括第四结型场效应管J6、第五结型场效应管J7、第五电阻R11、第六电阻R12、第七电阻R19，第四结型场效应管J6、第五结型场效应管J7形成互耦结构，第四结型场效应管J6的源极与第五结型场效应管J7的源极连接后与第三结型场效应管J8的漏极连接，第四结型场效应管J6的漏极连接第五电阻Rll的一端，第五结型场效应管J7的漏极连接第六电阻R12的一端，第五电阻Rll的另一端、第六电阻R12的另一端连接后与第七电阻R19的一端连接，第七电阻R19的另一端连接正电源；第四结型场效应管J6的漏极或第五结型场效应管J7的漏极连接二选一开关电路的控制输入端，第四结型场效应管J6的漏极的输出信号与第五结型场效应管J7的漏极输出信号具有反相关系。
[0014]选频与正反馈环路包括第一电容Cl和第二电容C2，第一电容Cl的一端连接第四结型场效应管J6的漏极与第五电阻Rll的一端的连接点，第二电容C2的一端连接第五结型场效应管J7的漏极与第六电阻R12的一端的连接点，第一电容Cl的另一端连接至第五结型场效应管J7的栅极，第二电容C2的另一端连接至第四结型场效应管J6的栅极。
[0015]选频与正反馈环路的第一电容Cl和第二电容C2随温度而改变，根据非稳态多谐振荡器的振荡频率获取第一电容Cl的温度系数和第二电容C2的温度系数。
[0016]当选频与正反馈环路的电容随温度而改变(如X7R型电容器)，该非稳态多谐振荡器的振荡频率是温度的函数。若用此非稳态多谐振荡器驱动图1所示的二选一开关电路的控制端口，则二选一开关电路的输出信号中包括由电容所米样的温度信息。如本发明的高温二选一开关电路应用在无线射频传感器，将温度信息嵌入到所处理的基频信号是十分必要的。由于系统的增益会受到环境温度的影响，因此必须获取温度信息，才能从解调的RF信号中正确解读原始的传感器信号。而通过本发明可以使用单信道的RF发射器同时传送温度信息和传感器信号，从而降低电路的复杂性。
[0017]将上述非稳态多谐振荡器电路构建在测试热板上，并对其进行从室温到高达450°C的电路测试，图3 (a)~ (b)给出了非稳态多谐振荡器电路的在25°C和450°C下的输出。非稳态多谐振荡器输出信号的频率与温度的对应关系如图4所示。由图3可以看出，从室温25°C到高温450°C之间，都可以生成峰-峰值至少为IlV的方波。从图4可以观察至IJ，随着温度的增长，频率从1.56千赫明显变化为13.12千赫。当温度在150°C到400°C之间时，频率呈现快速地线性增长，体现了良好的温度分辨率，超出这个温度范围至450°C，频率增长变缓。
[0018]本实施方式提供了一种用于高温等极端环境下的二选一开关电路的设计，通过高温测试验证电路设计的可行性，该高温二选一开关电路的输出可用于高温下的无线传感、通信及数据传输。
【权利要求】
1.一种高温二选一开关电路，其特征在于，包括: 用于控制两路输入信号通断的二选一开关电路:具有两个信号输入端、一个控制输入端以及一个信号输出端； 非稳态多谐振荡器:生成高电平或低电平的方波信号，将其作为二选一开关电路的控制信号； 二选一开关电路中的结型场效应管和非稳态多谐振荡器中的结型场效应管均采用禁带宽度大于2eV的宽禁带半导体元件。
2.根据权利要求1所述的高温二选一开关电路，其特征在于，所述二选一开关电路包括第一结型场效应管、第二结型场效应管、第一电阻和第二电阻；第一结型场效应管的栅极与第二结型场效应管栅极连接后作为二选一开关电路的控制输入端,第一结型场效应管的漏极作为二选一开关电路的一个信号输入端，第一结型场效应管的源极与第一电阻的一端连接后作为信号输出端，第一电阻的另一端连接第二结型场效应管的漏极，第二结型场效应管的源极接地，第二电阻的一端连接至第二结型场效应管的漏极与第一电阻的另一端的连接点，第二电阻的另一端作为二选一开关电路的另一个信号输入端。
3.根据权利要求1所述的高温二选一开关电路，其特征在于，所述非稳态多谐振荡器包括电流源、放大单元和用于提供方波振荡信号的选频与正反馈环路； 电流源包括第三结型场效应管、第三电阻和第四电阻，第三电阻的一端连接第三结型场效应管的源极；第三电阻的另一端连接第四电阻的一端，第四电阻的另一端连接负电源； 放大单元包括第四结型场效应管、第五结型场效应管、第五电阻、第六电阻、第七电阻，第四结型场效应管、第五结型场效应管形成互耦结构，第四结型场效应管的源极与第五结型场效应管的源极连接后与第三结型场效应管的漏极连接，第四结型场效应管的漏极连接第五电阻的一端，第五结型场效应管的漏极连接第六电阻的一端，第五电阻的另一端、第六电阻的另一端连接后与第七电阻的一端连接，第七电阻的另一端连接正电源；第四结型场效应管的漏极或第五结型场效应管的漏极连接二选一开关电路的控制输入端； 反馈环路包括第一电容和第二电容，第一电容的一端连接第四结型场效应管的漏极与第五电阻的一端的连接点，第二电容的一端连接第五结型场效应管的漏极与第六电阻的一端的连接点，第一电容的另一端连接至第五结型场效应管的栅极，第二电容的另一端连接至第四结型场效应管的栅极。
4.根据权利要求3所述的高温二选一开关电路，其特征在于，所述反馈环路的第一电容和第二电容随温度而改变，根据非稳态多谐振荡器的振荡频率获取第一电容的温度系数和第二电容的温度系数。
5.根据权利要求3所述的高温二选一开关电路，其特征在于，所述第四结型场效应管的漏极的输出信号与第五结型场效应管的漏极输出信号具有反相关系。
【文档编号】H03K17/687GK104485936SQ201410851603
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月31日 优先权日:2014年12月31日
【发明者】杨杰, 孙宇舸, 叶柠, 沈鸿媛, 苑振宇 申请人:东北大学