本实用新型涉及模拟开关领域，尤其涉及一种开关频率从直流(0赫兹)至4G(4吉赫兹)的基于射频开关芯片的模拟开关电路。
背景技术：
现有的开关中，有干簧继电器、光电继电器、射频开关、MEMS开关等。其中光继电器可以通过直流信号，但是由于其机械结构影响，却导致其高频性能不好。一般的干簧继电器比光继电器高频性能好一些，但是也在1G以内。一些射频继电器有较高的高频特性，但是其体积较大，价格也非常昂贵。MEMS开关体积较小，但是价格也非常昂贵。射频开关价格便宜，体积小，其频带也可以无限接近DC，但是由于其内部结构限制，要求信号必须通过隔直电容或者保持直流电平为0。
因此，现有技术需要进一步改进和完善。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以通过直流电流的基于射频开关芯片的模拟开关电路。
本实用新型的目的通过下述技术方案实现：
一种基于射频开关芯片的模拟开关电路，该模拟开关电路为射频开关芯片的应用电路，主要用于解决射频开关芯片不能承载直流电平的问题，实现从直流(0赫兹)到4G赫兹开关频率的控制，该电路结构主要包括射频开关芯片、为射频开关芯片提供稳定电压的线性稳压模块、将信号输入端的直流成分提取出来的运放模块、以及驱动射频开关稳定工作的光耦模块。所述射频开关芯片分别与线性稳压模块、运放模块和光耦模块连接，这样的电路设计可以将公共输出端信号的直流成分提取并反馈给线性稳压模块的调整端及射频开关芯片的接地端，从而使线性稳压模块的输出电压跟随直流电压而变化，为射频开关芯片提供一个相对直流电压具有固定压差(3V)的电压，最终实现射频开关芯片的公共输出端与接地端之间不存在直流压差，保证了直流偏置为零的条件，这样就可以使得射频开关芯片的静态工作点不会随输入信号变化而变化。
具体的，所述运放模块包括运算放大器和用于提取输出信号直流成分的低通滤波器。所述低通滤波器包括用于衰减高频信号的第一电阻和滤除高频信号的第一电容。所述第一电阻的一端与射频开关芯片的公共输出端连接，另一端分别与运算放大器的正向输入端和第一电容的一端连接，第一电容的另一端与电源地连接。所述运算放大器的正、负电源输入端分别与正、负电源连接。所述运算放大器的反向输入端分别与输出端和射频开关芯片的接地端连接，并使接地端构成参考地(该参考地的电压随正向输入端的电压变化而变化)，实现射频开关芯片的接地端电压跟随公共输出端的直流电压变化而变化。该运放模块电路实际为电压跟随电路，通过“虚短”和“虚断”原理分析运算放大器的作用可知，正向输入端电压与反向输入端、输出端、射频开关芯片的接地端以及参考地的电压均相同，而且该电压会跟随低通滤波器的输出端电压变化而变化，由于低通滤波器的作用是将公共输出端信号的直流成分提取出来，所以直流成分经过电压跟随电路后直接反馈到射频开关芯片的接地端，使得接地端与公共输出端之间不存在直流压差，确保了射频开关芯片直流偏置为零的条件。
具体的，所述光耦模块包括用于驱动射频开关芯片的光耦合器和第二电阻。所述光耦合器为常用的光耦合器，即输入端内部结构为等效发光二极管，输出端内部结构等效为三极管。所述光耦合器的输入端分别与控制信号输入端和电源地连接，具体的，控制芯片的控制管脚与光耦合器的正输入端连接，光耦合器的负输入端与电源地连接。所述光耦合器的输出端分别与射频开关芯片的控制端和接地端连接，具体的，光耦合器的集电极与射频开关芯片的控制端连接，发射极与接地端连接。所述第二电阻的一端与射频开关芯片的电源输入端连接，另一端与控制端连接。由于射频开关芯片的接地端电压跟随公共输出端的直流电压而变化，而用于控制射频开关芯片的控制芯片与射频开关芯片采用不同的电源和地(即光耦合器的输入端的电压系统与输出端的电压系统不同)，因此为了使射频开关芯片能够被正常驱动，本方案在控制芯片与射频开关芯片之间设置光耦合器作为驱动模块，从而将光耦合器的输入端与输出端进行有效隔离，并确保在不改变输入端、输出端电压系统的情况下，可以驱动射频开关芯片正常工作，从而显著提高芯片驱动的稳定性和可靠性。
具体的，所述线性稳压模块包括线性稳压器、第三电阻、第四电阻和第二电容。所述线性稳压器的电源输入端与第一电源连接。所述线性稳压器的电源输出端分别与射频开关芯片的电源输入端和第四电阻的一端连接，并构成用于供电的第二电源。所述第四电阻的另一端分别与线性稳压器的调整端和第三电阻的一端连接，第三电阻的另一端分别与第二电容的一端和参考地连接。所述第二电容的另一端与电源地连接，即参考地与电源地通过第二电容相连，该第二电容采用高频电容设置，主要用于参考地上的高频信号，确保高频信号通过参考地时，参考地的阻抗不会发生突变，有效提高了开关系统的稳定性和可靠性。由于线性稳压器的调整端通过第三电阻与运算放大器的输出端连接，因此，当射频开关芯片的公共输出端的直流电压发生变化而导致运算放大器输出端电压变化时，由于线性稳压器电源输出端与调整端的电压差为固定值，所以线性稳压器的电源输出端便会跟随参考地电压的变化而变化，实现射频开关芯片的电源输入端与接地端的压差不变，从而减少射频开关芯片供电电压的波动，显著提高供电部分的稳定性和可靠性。
具体的，所述射频开关芯片的第一信号输入端和第二信号输入端分别与外界信号输入端相连，公共输出端与外界设备信号输入端相连，从而实现将第一信号输入端与公共输出端连通，或第二信号输入端与公共输出端连通。
进一步的，为了降低线性稳压模块输出端的交流脉动波纹系数、平滑直流电压输出，本实用新型所述线性稳压模块还包括用于提高线性稳压器输出电压稳定性的第三电容。所述第三电容的一端与线性稳压器的电源输出端连接，另一端与电源地连接。这样设计的目的在于利用第三电容的滤波特性，将线性稳压器电源输出端的高频尖刺滤除，以稳定直流电源的电平。
作为本实用新型的优选方案，为了提高电路模块的通用性，本实用新型所述第一电源采用电压为10V的电源，该电压值为常用电压，适用于多种应用电路，该电压值的取值有利于对旧电路进行改进和改造，降低改造难度、节省时间并能够有效提高改造的效率。
作为本实用新型的优选方案，为了提高电路模块的通用性，本实用新型所述运算放大器的正、负电源输入端分别连接+5V和-5V电源的电源，该电压值为常用电压，适用于多种应用电路，该电压值的取值有利于对旧电路进行改进和改造，降低改造难度、节省时间并能够有效提高改造的效率。
作为本实用新型的优选方案，为了满足开关从零赫兹至4G赫兹的频率变化，本实用新型所述射频开关芯片采用PE4245型射频开关芯片；为了获得更好的开关效果，本实用新型所述运算放大器采用直流稳定性好、温漂性能好的OPA172型运算放大器；本实用新型所述线性稳压器采用功率稳定性好、精度高、效率高的LM1117型线性稳压器。
作为本实用新型的优选方案，由于本方案采用型号为LM1117的线性稳压器，所述线性稳压器的电源输出端与调整端的电压差固定为1.25V，为了使线性稳压器的电源输出端与参考地之间的电压差固定为3V，因此，将所述第三电阻与第四电阻的电阻比值调整为1.4，其推导原理及过程如下：
Vout＝V_GND+(R3+R4)*IR4 公式1
根据公式1可得：Vout＝V_GND+(R3+R4)*(Vout-Vadj)/R4 公式2
其中：Vout为电源输出端电压，Vadj为调整端电压，V_GND为参考地电压，R3为第三电阻，R4为第四电阻，IR4为流过第四电阻的电流，因为Vout-Vadj为固定值1.25V，因此，代入公式2整理可得：
Vout-V_GND＝1.25*(1+R3/R4) 公式3
由于上式中需要维持Vout-V_GND的值为3V，所以代入后整理可得R3/R4＝1.4，即第三电阻与第四电阻的电阻值之比为1.4。
本实用新型的工作过程和原理是：本实用新型所提供的射频开关芯片的公共输出端连接到低通滤波器上，将信号中的直流成分通过运算放大器的电压跟随作用直接反馈到射频开关芯片的接地端和线性稳压器的调整端，使接地端的电压成为参考地，并随直流电压变化而变化，而线性稳压器的电源输出端同样随调整端的电压变化而变化，并确保电源输出端与参考地之间的电压差为固定值，实现射频开关芯片的公共输出端与接地端之间不存在直流压差，符合直流偏置为零的条件，从而显著提高射频开关芯片的处理能力、稳定性和可靠性，并获得更好的开关特性；此外，由于射频开关芯片与控制芯片之间采用不同的电压系统，因此需通过光耦模块来实现正常驱动，这样设计既可以提高驱动部分的稳定性和可靠性，也可以将两个电压系统实施有效隔离，从而减少相互之间的干扰，有效提高系统的稳定性和可靠性。本实用新型还具有结构简单、制造成本低、体积小的优点。
与现有技术相比，本实用新型还具有以下优点：
(1)本实用新型所提供的基于射频开关芯片的模拟开关电路结合运算放大器的电压跟随特性和线性稳压器的电压自动调整特性给射频开关芯片供电，使射频开关芯片公共输出端与接地端之间不存在直流压差，符合了直流偏置为零的条件，解决了不能承载直流电平的问题，实现了真正的DC-4G的电子开关。
(2)本实用新型所提供的基于射频开关芯片的模拟开关电路采用第三电容对线性稳压器的电源输出端进行滤波，从而滤除高频尖刺的影响，以稳定直流电源的电平，使射频开关芯片获得稳定供电，确保了开关芯片的稳定性和可靠性。
(3)本实用新型所提供的基于射频开关芯片的模拟开关电路采用光耦合器来驱动射频开关芯片，既能兼容两套不同电压的供电系统存在，且将其隔离，又能实现射频开关芯片的正常驱动，并提高驱动部分的稳定性和可靠性。
附图说明
图1是本实用新型所提供的基于射频开关芯片的模拟开关电路的结构示意图。
上述附图中的标号说明：
U1-射频开关芯片，U2-运算放大器，U3-线性稳压器，U4-光耦合器，R1-第一电阻,R2-第二电阻,R3-第三电阻,R4-第四电阻，C1-第一电容，C2-第二电容，C3-第三电容；
VCC-第一电源，VDD-第二电源，V_GND-参考地，RF1-第一信号输入端，RF2-第二信号输入端，RF-COM-公共输出端。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型作进一步说明。
实施例1：
本实施例以射频开关PE4245芯片为核心，配合响应的驱动电路，来实现DC-4G赫兹频率的电子开关。
PE4245是Peregrine Semiconductor公司的一款射频开关，采用陷阱的GaAs工艺，带宽可高达4G，但是由于其工艺和结构的局限性，其输入端口不能有直流电平(手册中有明确说明)，所有射频端口必须加有隔直电容或者保证直流电平为零。这样就导致其虽然带宽可以从DC-4G，但是却不能有过大的直流分量。这不只是PE4245一款芯片如此，所有GaAs的芯片都有该问题。
本实施例为了解决该问题，巧妙的运用自举升压法，将PE4245的GND不再与真实的GND(电源地)相连，而是让其与射频芯片的公共输出端RF-COM输出信号的直流分量保持一致。这样对于其射频端口而言，与本身GND之间就不存在直流压差，保证了直流偏置为零的条件。这样就可以使得射频开关的静态工作点不会随输入信号变化而变化，该原理类似于最基本的JFET管开关：采用低通滤波器和运放将信号的直流分量提取出来，然后通过单端转差分电路，形成一个3V的差分电压源，为PE4245供电，同时在PE4245的GND与电源地之间通过高频电容相连，保证其高频信号通过时阻抗不会发生突变。
如图1所示，本实用新型公开了一种基于射频开关芯片的模拟开关电路，该模拟开关电路为射频开关芯片U1的应用电路，主要用于解决射频开关芯片U1不能承载直流电平的问题，实现从直流(0赫兹)到4G赫兹开关频率的控制，该电路结构主要包括射频开关芯片U1、为射频开关芯片U1提供稳定电压的线性稳压模块、将信号输入端的直流成分提取出来的运放模块、以及驱动射频开关稳定工作的光耦模块。所述射频开关芯片U1分别与线性稳压模块、运放模块和光耦模块连接，这样的电路设计可以将公共输出端RF-COM信号的直流成分提取并反馈给线性稳压模块的调整端及射频开关芯片U1的接地端，从而使线性稳压模块的输出电压跟随直流电压而变化，为射频开关芯片U1提供一个相对直流电压具有固定压差(3V)的电压，最终实现射频开关芯片U1的公共输出端RF-COM与接地端之间不存在直流压差，保证了直流偏置为零的条件，这样就可以使得射频开关芯片U1的静态工作点不会随输入信号变化而变化。
具体的，所述运放模块包括运算放大器U2和用于提取输出信号直流成分的低通滤波器。所述低通滤波器包括用于衰减高频信号的第一电阻R1和滤除高频信号的第一电容C1。所述第一电阻R1的一端与射频开关芯片U1的公共输出端RF-COM连接，另一端分别与运算放大器U2的正向输入端和第一电容C1的一端连接，第一电容C1的另一端与电源地连接。所述运算放大器U2的正、负电源输入端分别与正、负电源连接。所述运算放大器U2的反向输入端分别与输出端和射频开关芯片U1的接地端连接，并使接地端构成参考地V_GND(该参考地V_GND的电压随正向输入端的电压变化而变化)，实现射频开关芯片U1的接地端电压跟随公共输出端RF-COM的直流电压变化而变化。该运放模块电路实际为电压跟随电路，通过“虚短”和“虚断”原理分析运算放大器U2的作用可知，正向输入端电压与反向输入端、输出端、射频开关芯片U1的接地端以及参考地V_GND的电压均相同，而且该电压会跟随低通滤波器的输出端电压变化而变化，由于低通滤波器的作用是将公共输出端RF-COM信号的直流成分提取出来，所以直流成分经过电压跟随电路后直接反馈到射频开关芯片U1的接地端，使得接地端与公共输出端RF-COM之间不存在直流压差，确保了射频开关芯片U1直流偏置为零的条件。
具体的，所述光耦模块包括用于驱动射频开关芯片U1的光耦合器U4和第二电阻R2。所述光耦合器U4为常用的光耦合器U4，即输入端内部结构为等效发光二极管，输出端内部结构等效为三极管。所述光耦合器U4的输入端分别与控制信号输入端和电源地连接，具体的，控制芯片的控制管脚与光耦合器U4的正输入端连接，光耦合器U4的负输入端与电源地连接。所述光耦合器U4的输出端分别与射频开关芯片U1的控制端和接地端连接，具体的，光耦合器U4的集电极与射频开关芯片U1的控制端连接，发射极与接地端连接。所述第二电阻R2的一端与射频开关芯片U1的电源输入端连接，另一端与控制端连接。由于射频开关芯片U1的接地端电压跟随公共输出端RF-COM的直流电压而变化，而用于控制射频开关芯片U1的控制芯片与射频开关芯片U1采用不同的电源和地(即光耦合器U4的输入端的电压系统与输出端的电压系统不同)，因此为了使射频开关芯片U1能够被正常驱动，本方案在控制芯片与射频开关芯片U1之间设置光耦合器U4作为驱动模块，从而将光耦合器U4的输入端与输出端进行有效隔离，并确保在不改变输入端、输出端电压系统的情况下，可以驱动射频开关芯片U1正常工作，从而显著提高芯片驱动的稳定性和可靠性。
具体的，所述线性稳压模块包括线性稳压器U3、第三电阻R3、第四电阻R4和第二电容C2。所述线性稳压器U3的电源输入端与第一电源VCC连接。所述线性稳压器U3的电源输出端分别与射频开关芯片U1的电源输入端和第四电阻R4的一端连接，并构成用于供电的第二电源VDD。所述第四电阻R4的另一端分别与线性稳压器U3的调整端和第三电阻R3的一端连接，第三电阻R3的另一端分别与第二电容C2的一端和参考地V_GND连接。所述第二电容C2的另一端与电源地连接，即参考地V_GND与电源地通过第二电容C2相连，该第二电容C2采用高频电容设置，主要用于参考地V_GND上的高频信号，确保高频信号通过参考地V_GND时，参考地V_GND的阻抗不会发生突变，有效提高了开关系统的稳定性和可靠性。由于线性稳压器U3的调整端通过第三电阻R3与运算放大器U2的输出端连接，因此，当射频开关芯片U1的公共输出端RF-COM的直流电压发生变化而导致运算放大器U2输出端电压变化时，由于线性稳压器U3电源输出端与调整端的电压差为固定值，所以线性稳压器U3的电源输出端便会跟随参考地V_GND电压的变化而变化，实现射频开关芯片U1的电源输入端与接地端的压差不变，从而减少射频开关芯片U1供电电压的波动，显著提高供电部分的稳定性和可靠性。
具体的，所述射频开关芯片U1的第一信号输入端RF1和第二信号输入端RF2分别与外界信号输入端相连，公共输出端RF-COM与外界设备信号输入端相连，从而实现将第一信号输入端RF1与公共输出端RF-COM连通，或第二信号输入端RF2与公共输出端RF-COM连通。
进一步，为了降低线性稳压模块输出端的交流脉动波纹系数、平滑直流电压输出，本实用新型所述线性稳压模块还包括用于提高线性稳压器U3输出电压稳定性的第三电容C3。所述第三电容C3的一端与线性稳压器U3的电源输出端连接，另一端与电源地连接。这样设计的目的在于利用第三电容C3的滤波特性，将线性稳压器U3电源输出端的高频尖刺滤除，以稳定直流电源的电平。
作为本实用新型的优选方案，为了提高电路模块的通用性，本实用新型所述第一电源VCC采用电压为10V的电源，该电压值为常用电压，适用于多种应用电路，该电压值的取值有利于对旧电路进行改进和改造，降低改造难度、节省时间并能够有效提高改造的效率。
作为本实用新型的优选方案，为了提高电路模块的通用性，本实用新型所述运算放大器U2的正、负电源输入端分别连接+5V和-5V电源的电源，该电压值为常用电压，适用于多种应用电路，该电压值的取值有利于对旧电路进行改进和改造，降低改造难度、节省时间并能够有效提高改造的效率。
作为本实用新型的优选方案，为了满足开关从零赫兹至4G赫兹的频率变化，本实用新型所述射频开关芯片U1采用PE4245型射频开关芯片U1；为了获得更好的开关效果，本实用新型所述运算放大器U2采用直流稳定性好、温漂性能好的OPA172型运算放大器U2；本实用新型所述线性稳压器U3采用功率稳定性好、精度高、效率高的LM1117型线性稳压器U3。
作为本实用新型的优选方案，由于本方案采用型号为LM1117的线性稳压器U3，所述线性稳压器U3的电源输出端与调整端的电压差固定为1.25V，为了使线性稳压器U3的电源输出端与参考地V_GND之间的电压差固定为3V，因此，将所述第三电阻R3与第四电阻R4的电阻比值调整为1.4，其推导原理及过程如下：
Vout＝V_GND+(R3+R4)*IR4 公式1
根据公式1可得：Vout＝V_GND+(R3+R4)*(Vout-Vadj)/R4 公式2
其中：Vout为电源输出端电压，Vadj为调整端电压，V_GND为参考地V_GND电压，R3为第三电阻R3，R4为第四电阻R4，IR4为流过第四电阻R4的电流，因为Vout-Vadj为固定值1.25V，因此，代入公式2整理可得：
Vout-V_GND＝1.25*(1+R3/R4) 公式3
由于上式中需要维持Vout-V_GND的值为3V，所以代入后整理可得R3/R4＝1.4，即第三电阻R3与第四电阻R4的电阻值之比为1.4。
本实用新型的工作过程和原理是：本实用新型所提供的射频开关芯片U1的公共输出端RF-COM连接到低通滤波器上，将信号中的直流成分通过运算放大器U2的电压跟随作用直接反馈到射频开关芯片U1的接地端和线性稳压器U3的调整端，使接地端的电压成为参考地V_GND，并随直流电压变化而变化，而线性稳压器U3的电源输出端同样随调整端的电压变化而变化，并确保电源输出端与参考地V_GND之间的电压差为固定值，实现射频开关芯片U1的公共输出端RF-COM与接地端之间不存在直流压差，符合直流偏置为零的条件，从而显著提高射频开关芯片U1的处理能力、稳定性和可靠性，并获得更好的开关特性；此外，由于射频开关芯片U1与控制芯片之间采用不同的电压系统，因此需通过光耦模块来实现正常驱动，这样设计既可以提高驱动部分的稳定性和可靠性，也可以将两个电压系统实施有效隔离，从而减少相互之间的干扰，有效提高系统的稳定性和可靠性。本实用新型还具有结构简单、制造成本低、体积小的优点。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。