本发明涉及集成电路模拟信号处理技术，尤其涉及一种宽带载波信号通道开关电路及系统。
背景技术：
亚德诺半导体模拟开关与多路复用基础中记载：thecomplementary-mosprocess(cmos)yieldsgoodp-channelandn-channelmosfets.connectingthepmosandnmosdevicesinparallelformsthebasicbilateralcmosswitchof图1.thiscombinationreducestheon-resistance,andalsoproducesaresistancewhichvariesmuchlesswithsignalvoltage.
宽带电力线载波信号是直接在工频交流电线上传输的信号，其峰峰值可达50v。并且电力线上存在多种电气负荷冲击、变压器浪涌、雷击等电气干扰。已有的模拟信号开关电路基于mos管，其自身耐受高压、瞬间大电流的能力低，在宽带载波通信现场应用中容易因现场负荷冲击、静电或浪涌冲击而损坏，可靠性低。基于mos管的模拟信号开关电路如果增加静电和浪涌防护电路，同时要获得较高的工作电压，晶圆面积大，成本高，还有在互补的双向技术上，mos使得功率和成本大大增加。
找到一种稳定可靠、低功率、体积小、成本低廉的宽带载波信号通道开关电路或者系统，成为目前的研究方向。
技术实现要素：
为了适应宽带载波信号通道开关控制需要，扩大宽带载波信号通道开关电路的工作电压范围，提升电路防护电气负荷冲击、静电和浪涌冲击能力，并降低芯片实现成本，还有在互补的双向技术上，降低功率以及成本，本发明提供了一种宽带载波信号通道开关电路以及一种宽带载波信号通道开关系统。
一种宽带载波信号通道开关电路，其中：包括第一控制信号输入电路、第二控制信号开关电路、输出电路，其中，第一控制信号输入电路的输入端用于输入控制信号，第一控制信号输入电路的输出端连接第二控制信号开关电路的开关控制信号输入端，第二控制信号开关电路的第一输入端连接高电压轨，第二控制信号开关电路的第二输入端连接低电压轨，第二控制信号开关电路的输出端连接输出电路的控制信号输入端；输出电路包括第一、第二宽带载波信号输送端，第一、第二宽带载波信号输送端互为宽带载波信号输入、输出端：第一宽带载波信号输送端用于输入宽带载波信号时，第二宽带载波信号输送端用于输出宽带载波信号；第二宽带载波信号输送端用于输入宽带载波信号时，第一宽带载波信号输送端用于输出宽带载波信号。
所述的宽带载波信号通道开关电路，其中：所述的输出电路包括输出控制npn三极管、第一电阻，输出控制npn三极管的基极连接第一电阻的第一端，第一电阻的第二端连接所述第二控制信号开关电路的输出端；输出控制npn三极管的集电极为第一宽带载波信号输送端，输出控制npn三极管的发射极为第二宽带载波信号输送端。
所述的宽带载波信号通道开关电路，其中：所述的输出电路包括输出控制npn三极管、第一电阻，输出控制npn三极管的基极连接第一电阻的第一端，第一电阻的第二端连接所述第二控制信号开关电路的输出端；输出控制npn三极管的发射极为第一宽带载波信号输送端，输出控制npn三极管的集电极为第二宽带载波信号输送端。
所述的宽带载波信号通道开关电路，其中：第二控制信号开关电路包括第二电阻、第一npn三级管、第三电阻、第一pnp三级管、第四电阻、第五电阻，第二电阻的第一端连接第一控制信号输入电路的输出端，第二电阻的第二端连接第一npn三级管的基极，第一npn三级管的发射极连接低电压轨，第一npn三级管的集电极连接第四电阻的第二端，第四电阻的第一端串接第三电阻的第二端，第三电阻的第一端连接高电压轨；第四电阻的第一端与第三电阻第二端的中间接点连接第一pnp三级管的基极，第一pnp三级管的发射极连接高电压轨，第一pnp三级管的集电极连接第五电阻的第一端，第五电阻的第二端连接低电压轨，第一pnp三级管的集电极与第五电阻第一端的中间接点连接输出电路的控制信号输入端。
所述的宽带载波信号通道开关电路，其中：所述输出控制npn三极管的反向放大倍数≥30。
一种宽带载波信号通道开关系统，其中：包括译码器、两路及两路以上宽带载波信号通道开关电路，所述的宽带载波信号通道开关电路结构均相同：包括相应第一控制信号输入电路、相应第二控制信号开关电路、相应输出电路，其中，相应第一控制信号输入电路即为译码器的相应控制信号输出电路，相应第一控制信号输入电路的输出端即为译码器的相应控制信号输出端，相应第一控制信号输入电路的输出端连接相应第二控制信号开关电路的开关控制信号输入端，相应第二控制信号开关电路的第一输入端连接高电压轨，相应第二控制信号开关电路的第二输入端连接低电压轨，相应第二控制信号开关电路的输出端连接相应输出电路的控制信号输入端；相应输出电路包括第一、第二宽带载波信号输送端，第一、第二宽带载波信号输送端互为宽带载波信号输入、输出端：第一宽带载波信号输送端用于输入宽带载波信号时，第二宽带载波信号输送端用于输出宽带载波信号；第二宽带载波信号输送端用于输入宽带载波信号时，第一宽带载波信号输送端用于输出宽带载波信号；相应宽带载波信号通道开关电路中输出电路的宽带载波信号输入端一一对应连接所述宽带载波信号通道开关系统的相应宽带载波信号输入端；相应宽带载波信号通道开关电路中输出电路的宽带载波信号输出端均连接所述宽带载波信号通道开关系统的输出端。
所述的宽带载波信号通道开关系统，其中：所述的输出电路包括相应输出控制npn三极管、相应第一电阻：输出控制npn三极管的基极连接第一电阻的第一端，第一电阻的第二端连接相应第二控制信号开关电路的输出端；输出控制npn三极管的集电极为第一宽带载波信号输送端，输出控制npn三极管的发射极为第二宽带载波信号输送端。
所述的宽带载波信号通道开关系统，其中：所述的输出电路包括相应输出控制npn三极管、相应第一电阻，输出控制npn三极管的基极连接第一电阻的第一端，第一电阻的第二端连接相应第二控制信号开关电路的输出端；输出控制npn三极管的发射极为第一宽带载波信号输送端，输出控制npn三极管的集电极为第二宽带载波信号输送端。
所述的宽带载波信号通道开关系统，其中：所述第二控制信号开关电路包括相应第二电阻、相应第一npn三级管、想用第三电阻、相应第一pnp三级管、相应第四电阻、相应第五电阻，第二电阻的第一端连接译码器的相应控制信号输出端，第二电阻的第二端连接第一npn三级管的基极，第一npn三级管的发射极连接低电压轨，第一npn三级管的集电极连接第四电阻的第二端，第四电阻的第一端串接第三电阻的第二端，第三电阻的第一端连接高电压轨；第四电阻的第一端与第三电阻的第二端的中间接点连接第一pnp三级管的基极，第一pnp三级管的发射极连接高电压轨，第一pnp三级管的集电极连接第五电阻的第一端，第五电阻的第二端连接低电压轨，第一pnp三级管的集电极与第五电阻第一端的中间接点连接相应输出电路的控制信号输入端。
所述的宽带载波信号通道开关系统，其中：所述宽带载波信号通道开关系统中每一路宽带载波信号通道开关电路中输出电路的相应输出控制npn三极管的反向放大倍数均≥30。
本发明提供的一种宽带载波信号通道开关电路，输入信号通过第一控制信号输入电路控制第二控制信号开关电路的通断，第二控制信号开关电路控制输出电路的通断，宽带载波信号通过输出电路的第一、第二宽带载波信号输送端输入输出，从而达到控制宽带载波信号通断的开关作用；本发明提供的一种宽带载波信号通道开关系统，由译码器控制各宽带载波信号通道开关电路的选通，从而达到控制那一路宽带载波信号输出的作用。
附图说明
图1是现有技术中基于mos管的模拟信号开关电路。
图2是本发明一种宽带载波信号通道开关电路的结构原理图；
图3是本发明宽带载波信号通道开关电路的一种具体电路图；
图4是本发明宽带载波信号通道开关电路的另一种具体电路图；
图5是本发明一种宽带载波信号通道开关系统的结构原理图；
图6是本发明宽带载波信号通道开关系统的一种具体实施例四路开关系统的电路图；
图7是本发明一种宽带载波信号单通道开关电路的具体实施例的仿真电路图；
图8是图7实施的仿真结果图示。
具体实施方式
本发明提供了一种宽带载波信号通道开关电路，如图2，包括第一控制信号输入电路、第二控制信号开关电路、输出电路，其中，第一控制信号输入电路的输入端用于输入控制信号，第一控制信号输入电路的输出端连接第二控制信号开关电路的开关控制信号输入端,用于输送开关控制信号ctl，第二控制信号开关电路的第一输入端连接高电压轨vcc，第二控制信号开关电路的第二输入端连接低电压轨gnd，第二控制信号开关电路的输出端连接输出电路的控制信号输入端，用于输送控制信号scout；输出电路包括第一、第二宽带载波信号输送端，第一、第二宽带载波信号输送端互为宽带载波信号输入、输出端：第一宽带载波信号输送端用于输入宽带载波信号in时，第二宽带载波信号输送端用于输出宽带载波信号out；第二宽带载波信号输送端用于输入宽带载波信号in时，第一宽带载波信号输送端用于输出宽带载波信号out。
图3为图2所示宽带载波信号通道开关电路的一种具体实施例：
第二控制信号开关电路包括第二电阻r1、第一npn三级管q1、第三电阻、第一pnp三级管q2、第四电阻r3、第五电阻r4，第二电阻r1的第一端连接第一控制信号输入电路的输出端，用于输入开关控制信号ctl，第二电阻r1的第二端连接第一npn三级管q1的基极，第一npn三级管的发射极连接低电压轨gnd，第一npn三级管q1的集电极连接第四电阻r3的第二端，第四电阻r3的第一端串接第三电阻r2的第二端，第三电阻r2的第一端连接高电压轨vcc；第四电阻r3的第一端与第三电阻r2第二端的中间接点连接第一pnp三级管q2的基极，第一pnp三级管q2的发射极连接高电压轨vcc，第一pnp三级管q2的集电极连接第五电阻r4的第一端，第五电阻r4的第二端连接低电压轨gnd，第一pnp三级管q2的集电极与第五电阻r4第一端的中间接点连接输出电路的控制信号输入端，用于给输出电路输送控制信号scout。
所述的输出电路包括输出控制npn三极管qs1、第一电阻rs1，输出控制npn三极管qs1的基极连接第一电阻rs1的第一端，第一电阻rs1的第二端连接所述第二控制信号开关电路的输出端，用于输入控制信号scout；输出控制npn三极管qs1的集电极为第一宽带载波信号输送端，用于输入信号in，输出控制npn三极管qs1的发射极为第二宽带载波信号输送端，用于输出信号out。
当第一控制信号输入电路输出开关控制信号ctl，送入第二控制信号开关电路中第一npn三级管q1的基极，第一npn三级管q1导通，第一pnp三级管q2的基极得电，第一pnp三级管q2导通，第一pnp三级管q2的集电极与第五电阻r4的中间接点输出控制信号scout；输出电路中，控制信号scout经第一电阻rs1限流后加载到输出控制三极管qs1的基极，输出控制三极管qs1导通，输出控制三极管qs1集电极输入宽带载波信号in，输出控制三极管qs1发射极输出宽带载波信号out。
为适应宽带载波输送需要，输出控制三极管qs1的反向放大倍数br大于实现反向饱和导通所需值，优选为反向放大倍数br≥30，反向放大倍数为当发射极e和基极b电压高于集电极c电压且未达到饱和时，流入发射极e的电流与流入基极b的电流之比。
在常规应用中，npn三极管要求集电极c电压始终高于发射极e电压，npn三极管的反向工作状态鲜为报道，实测发现，有些三极管也能够工作在射极e电压高于集电极c电压的状态，本发明充分利用了三极管的这个特性，通过选择反向放大倍数≥30的npn三极管实现了新型的宽带载波信号通道开关电路，由此实现的通道开关电路利用廉价的三极管实现比mos管更高的耐压、防静电和抗冲击能力，还有在互补的双向技术上，npn三极管可以降低功率以及成本。
说明：1、我们应用的是npn三极管的反向放大倍数，而不是反向放大器的原理，反向放大器指的是反向电压放大器，输出电压与输入电压相位相差180°，该放大器具有一定的电压，电流和功率放大作用。
2、目前通用的开关电芯片是用mos管实现的，我们是将利用npn三极管做成的开关电路制作成芯片，可以把体积做的更小，同时可以降低成本。
3、利用三极管的反向放大倍数的特性，来实现双向导通。
图4为图2所示宽带载波信号通道开关电路的另一种实施例：
第二控制信号开关电路包括第二电阻r1、第一npn三级管q1、第三电阻、第一pnp三级管q2、第四电阻r3、第五电阻r4，第二电阻r1的第一端连接第一控制信号输入电路的输出端，用于输入开关控制信号ctl，第二电阻r1的第二端连接第一npn三级管q1的基极，第一npn三级管的发射极连接低电压轨gnd，第一npn三级管q1的集电极连接第四电阻r3的第二端，第四电阻r3的第一端串接第三电阻r2的第二端，第三电阻r2的第一端连接高电压轨vcc；第四电阻r3的第一端与第三电阻r2第二端的中间接点连接第一pnp三级管q2的基极，第一pnp三级管q2的发射极连接高电压轨vcc，第一pnp三级管q2的集电极连接第五电阻r4的第一端，第五电阻r4的第二端连接低电压轨gnd，第一pnp三级管q2的集电极与第五电阻r4第一端的中间接点连接输出电路的控制信号输入端，用于给输出电路输送控制信号scout。
所述的输出电路包括输出控制npn三极管qs1、第一电阻rs1，输出控制npn三极管qs1的基极连接第一电阻rs1的第一端，第一电阻rs1的第二端连接所述第二控制信号开关电路的输出端，用于输入控制信号scout；输出控制npn三极管qs1的发射极为第一宽带载波信号输送端，用于输入信号in，输出控制npn三极管qs1的集电极为第二宽带载波信号输送端，用于输出信号out。
当第一控制信号输入电路输出开关控制信号ctl，送入第二控制信号开关电路中第一npn三级管q1的基极，第一npn三级管q1导通，第一pnp三级管q2的基极得电，第一pnp三级管q2导通，第一pnp三级管q2的集电极与第五电阻r4的中间接点输出控制信号scout；输出电路中，控制信号scout经第一电阻rs1限流后加载到输出控制三极管qs1的基极，输出控制三极管qs1导通，输出控制三极管qs1发射极输入宽带载波信号in，输出控制三极管qs1集电极输出宽带载波信号out。
为适应宽带载波输送需要，输出控制三极管qs1的反向放大倍数br大于实现反向饱和导通所需值，优选为反向放大倍数br≥30，反向放大倍数为当发射极e和基极b电压高于集电极c电压且未达到饱和时，流入发射极e的电流与流入基极b的电流之比。
由图3和图4可见，本技术方案宽带载波信号通道开关电路可用作双向模拟开关，能实现宽带载波信号的双向导通。
本发明还提供了一种宽带载波信号通道开关系统，如图5原理图：包括译码器、两路及两路以上宽带载波信号通道开关电路，所述的宽带载波信号通道开关电路结构均相同：包括相应第一控制信号输入电路、相应第二控制信号开关电路、相应输出电路，其中，相应第一控制信号输入电路即为译码器的相应控制信号输出电路，相应第一控制信号输入电路的输出端ctl即为译码器的相应控制信号输出端，相应第一控制信号输入电路的输出端ctl连接相应第二控制信号开关电路的开关控制信号输入端，相应第二控制信号开关电路的第一输入端连接高电压轨，相应第二控制信号开关电路的第二输入端连接低电压轨，相应第二控制信号开关电路的输出端连接相应输出电路的控制信号输入端；相应输出电路包括第一、第二宽带载波信号输送端，第一、第二宽带载波信号输送端互为宽带载波信号输入、输出端：第一宽带载波信号输送端用于输入宽带载波信号时，第二宽带载波信号输送端用于输出宽带载波信号；第二宽带载波信号输送端用于输入宽带载波信号时，第一宽带载波信号输送端用于输出宽带载波信号；各宽带载波信号通道开关电路中输出电路的相应宽带载波信号输入端in一一对应连接所述宽带载波信号通道开关系统的相应宽带载波信号输入端muxin1、muxin2、......muxinn；相应宽带载波信号通道开关电路中输出电路的宽带载波信号输出端out均连接所述宽带载波信号通道开关系统的输出端muxout。
所述的输出电路包括相应输出控制npn三极管、相应第一电阻：输出控制npn三极管的基极连接第一电阻的第一端，第一电阻的第二端连接相应第二控制信号开关电路的输出端；输出控制npn三极管的集电极为第一宽带载波信号输送端，输出控制npn三极管的发射极为第二宽带载波信号输送端。
另一种情况下，所述的输出电路包括相应输出控制npn三极管、相应第一电阻，输出控制npn三极管的基极连接第一电阻的第一端，第一电阻的第二端连接相应第二控制信号开关电路的输出端；输出控制npn三极管的发射极为第一宽带载波信号输送端，输出控制npn三极管的集电极为第二宽带载波信号输送端。
所述第二控制信号开关电路包括相应第二电阻、相应第一npn三级管、想用第三电阻、相应第一pnp三级管、相应第四电阻、相应第五电阻，第二电阻的第一端ctl连接译码器的相应控制信号输出端，第二电阻的第二端连接第一npn三级管的基极，第一npn三级管的发射极连接低电压轨，第一npn三级管的集电极连接第四电阻的第二端，第四电阻的第一端串接第三电阻的第二端，第三电阻的第一端连接高电压轨；第四电阻的第一端与第三电阻的第二端的中间接点连接第一pnp三级管的基极，第一pnp三级管的发射极连接高电压轨，第一pnp三级管的集电极连接第五电阻的第一端，第五电阻的第二端连接低电压轨，第一pnp三级管的集电极与第五电阻第一端的中间接连接相应输出电路的控制信号输入端。
所述宽带载波信号通道开关系统中每一路宽带载波信号通道开关电路中输出电路的相应输出控制npn三极管的反向放大倍数均≥30。
所述宽带载波信号通道开关系统中每一路宽带载波信号通道开关电路的工作不再赘述。
由译码器选择控制哪一路宽带载波信号通道开关电路导通。译码器的输入端a1、a2.....an和使能端es是外界输入的高低电平信号，假设m路宽带载波信号通道开关电路，m≤2n（2的n次幂），通常情况下取m=2n。
在制造宽带载波信号通道开关系统芯片的时候，优选npn管作为输出控制三级管qs1，将多个输出控制三级管qs1做成垂直器件，垂直npn管和相同水平工艺相比较，基极面积很小，从而就会有比较高的速度。npn管的p区在工艺控制中，更方便容易。npn管做成横向的结构，由于p区必须要通过引线孔才能把信号接出来，由于设计规则的限制，p区面积不可能做到最小，完全毁掉了他的优点。因此，优选npn管做成垂直器件。
pnp管和npn管是互补的，pnp管没有办法做成和npn一样的垂直结构，横向pnp管是最为常见的。对于pnp的基极来说，寄生电阻的影响也比较大，工艺中可以采用扩散n掺杂来取代离子注入的工艺，从而获得较低的电阻。
当接通输出控制三级管qs1时，输入信号端子（in）连接至输出信号端子（out），在该情况下，认为宽带载波信号通道开关电路闭合，当宽带载波信号通道开关电路闭合时，在输入信号端子（in）处的电压信号被传至输出信号端子（out）。当断开输出控制三级管qs1时，输入信号端子（in）与输出信号端子（out）断开连接，在该情况下，认为宽带载波信号通道开关电路断开。当宽带载波信号通道开关电路断开时，在输入信号端子（in）处的电压信号未被传至输出信号端子（out）。输出控制三级管qs1由第二控制信号开关电路100的输出信号scout控制。第二控制信号开关电路100的开关控制信号输入端接收开关控制信号（ctl），开关控制信号为逻辑高或逻辑低（其也可被简称为高和低）的二元信号，若开关控制信号为高，则第二控制信号开关电路100的输出信号scout为低，使输出电路中的输出控制三级管qs1断开；若开关控制信号为低，则第二控制信号开关电路100的输出信号scout为高，使输出电路中的输出控制三级管qs1接通。
只要在输入信号端子（in）处接收的输入宽带载波信号大于低电压轨（gnd）且小于高电压轨（vcc），此宽带载波信号通道开关电路可以正常工作。宽带载波信号通道开关电路可以用作双向模拟开关（不区分输入端与输出端）。
图5的开关系统，将开关系统310展示为包括多个开关电路300-1、300-2……300-n，其共同地被称作开关电路300。可使用以上图2、图3描述的具体实例中的任一实施例开关电路300，每一种实施例开关电路300包括一开关控制信号端子（ctl）、一输入信号端子（in）、一输出信号端子（out）。输入信号端子（in）中的每一者连接至一一对应的开关系统输入端子muxin1、muxin2……muxinn。多个开关电路300-1、300-2……300-n的输出信号端子（out）系结在一起且连接至开关系统的输出信号端子（muxout）。开关系统310也包括一译码器301，其包括选择输入sel1、sel2……selm。译码器的输出连接至开关电路300的开关控制信号端子（ctl），被用以选择开关系统310中的哪一者将其输入信号端子（in）连接至其输出信号端子（out），同时开关系统310剩余者将其输入信号端子（in）与其输出信号端子（out）断开连接。
将多个开关电路、译码器制造在一个芯片上，以4路开关系统为例，如图6所示，本实施例译码器选用型号为74hc139的译码器的其中一组（74hc139包含两组2-4译码器），a1、a2为译码器的地址输入端，es使能端（低电平有效），控制译码器的数据输出端y1-y4，用于选择开关电路的哪一路输出。
译码器的真值表如下：
设选择第1路开关时输入宽带载波信号muxin1，译码器使能端es输入低电平，译码器地址输入端a1a2输入00，此时译码器数据输出端y1为低电平，译码器数据输出端y2、y3、y4为高电平，开关电路d1选通，将数据输出，muxout=muxin1；设选择第2路开关电路，输入宽带载波信号muxin2，译码器使能端es输入低电平，译码器地址输入端a1a2输入01，此时译码器数据输出端y2为低电平，译码器数据输出端y1、y3、y4为高电平，开关电路d2选通，将数据输出，muxout=muxin2；设选择第3路，输入宽带载波信号muxin3，译码器使能端es输入低电平，译码器地址输入端a1a2输入10，此时译码器数据输出端y3为低电平，译码器数据输出端y1、y2、y4为高电平，开关电路d3选通，将数据输出，muxout=muxin3；设选择第4路，输入宽带载波信号muxin4，译码器使能端es输入低电平，译码器地址输入端a1a2输入11，此时译码器数据输出端y4为低电平，译码器数据输出端y1、y2、y3为高电平，开关电路d4选通，将数据输出，muxout=muxin4。当muxout=muxin使能端es输入高电平，本开关系统停止工作。
本发明具体实施例如图7所示：输入信号sin为载波信号，该载波信号的电压为从0至12v，频率范围为2mhz至12mhz。宽带载波信号通道开关电路的输出电路基于一只npn三极管qs1，qs1选为psbb4160，该三极管最高ce耐压值为60v，通过电流1a，正向放大倍数超过400，反向放大倍数约50，将该三极管的集电极c连接输入信号sin，射极e连接输出信号sout，该三极管的基极b经过限流电阻rs1连接pnp三极管q2的集电极c。电压源控制开关电路由q1、q2、r1、r2、r3、r4组成，q2选为2sb734，q1选为2sb106，pnp三极管q2的集电极c通过电阻r4连接地电平gnd，射级e连接电压源vcc，基级连接r2、r3，r2连接电压源vcc，r3连接npn三极管q1的集电极c，该三极管q1的射级连接地电平gnd，基级通过r1连接开关控制信号ctl。通过multisim12软件进行仿真，仿真电路图如图8所示，电压源控制开关电路用s1等效，输入信号sin的幅值为1v，频率为5mhz，通过虚拟示波器观看仿真结果，如图8所示，为了体现防浪涌和抗冲击的效果，采用a、b两个通道进行对比，a通道的信号相当于在b通道信号的基础上加入rc滤波，从仿真结果得出，a、b两个通道的输出没有差异，说明该电路具有良好的防浪涌和抗冲击的能力。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。