一種高溫二選一開關(guān)電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種高溫二選一開關(guān)電路，包括：用于控制兩路輸入信號通斷的二選一開關(guān)電路和非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器；二選一開關(guān)電路中的結(jié)型場效應(yīng)管和非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器中的結(jié)型場效應(yīng)管均采用禁帶寬度大于2eV的寬禁帶半導(dǎo)體元件。本發(fā)明簡化了二選一開關(guān)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用單一N型JFET，消除了對互補器件的需求。使用SiC JFET或其他等效的禁帶寬度大于2eV的寬禁帶半導(dǎo)體元件作為高溫電路的核心元件，有效解決高溫或其他極端情況下普通半導(dǎo)體器件的在高溫下?lián)p毀導(dǎo)致電路失效問題；二選一開關(guān)電路的輸出信號中包括由電容所采樣的溫度信息，可以同時傳送溫度信息和傳感器信號，從而降低電路的復(fù)雜性。
【專利說明】—種高溫二選一開關(guān)電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是一種高溫二選一開關(guān)電路。

【背景技術(shù)】
[0002]在無線傳感器的信號處理中，很多傳感器產(chǎn)生的信號都是一個穩(wěn)態(tài)信號，例如熱電偶的輸出信號和靜態(tài)壓力傳感器信號。為了調(diào)制無線發(fā)射器的RF載波，穩(wěn)態(tài)信號必須要轉(zhuǎn)化為交變信號，通常采用模擬開關(guān)電路來實現(xiàn)。此外，模擬開關(guān)電路還在采樣保持、模數(shù)轉(zhuǎn)換、函數(shù)發(fā)生、斬波放大等電路單元中有著廣泛的應(yīng)用。開關(guān)電路一般使用硅基二極管或晶體管來實現(xiàn)，但是當(dāng)環(huán)境溫度超過300°C時，常規(guī)的硅或絕緣體上硅(SOI)的電子器件將會失效。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種高溫二選一開關(guān)電路。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
一種高溫二選一開關(guān)電路，包括:
用于控制兩路輸入信號通斷的二選一開關(guān)電路:具有兩個信號輸入端、一個控制輸入端以及一個信號輸出端；
非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器:生成高電平或低電平的方波信號，將其作為二選一開關(guān)電路的控制信號；
二選一開關(guān)電路中的結(jié)型場效應(yīng)管和非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器中的結(jié)型場效應(yīng)管均采用禁帶寬度大于2eV的寬禁帶半導(dǎo)體元件。
[0005]所述二選一開關(guān)電路包括第一結(jié)型場效應(yīng)管、第二結(jié)型場效應(yīng)管、第一電阻和第二電阻；第一結(jié)型場效應(yīng)管的柵極與第二結(jié)型場效應(yīng)管柵極連接后作為二選一開關(guān)電路的控制輸入端，第一結(jié)型場效應(yīng)管的漏極作為二選一開關(guān)電路的一個信號輸入端，第一結(jié)型場效應(yīng)管的源極與第一電阻的一端連接后作為信號輸出端，第一電阻的另一端連接第二結(jié)型場效應(yīng)管的漏極，第二結(jié)型場效應(yīng)管的源極接地，第二電阻的一端連接至第二結(jié)型場效應(yīng)管的漏極與第一電阻的另一端的連接點，第二電阻的另一端作為二選一開關(guān)電路的另一個信號輸入端；
所述非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器包括電流源、放大單元和用于提供方波振蕩信號的選頻與正反饋環(huán)路；
電流源包括第三結(jié)型場效應(yīng)管、第三電阻和第四電阻，第三電阻的一端連接第三結(jié)型場效應(yīng)管的源極；第三電阻的另一端連接第四電阻的一端，第四電阻的另一端連接負(fù)電源；
放大單元包括第四結(jié)型場效應(yīng)管、第五結(jié)型場效應(yīng)管、第五電阻、第六電阻、第七電阻，第四結(jié)型場效應(yīng)管、第五結(jié)型場效應(yīng)管形成互耦結(jié)構(gòu)，第四結(jié)型場效應(yīng)管的源極與第五結(jié)型場效應(yīng)管的源極連接后與第三結(jié)型場效應(yīng)管的漏極連接，第四結(jié)型場效應(yīng)管的漏極連接第五電阻的一端，第五結(jié)型場效應(yīng)管的漏極連接第六電阻的一端，第五電阻的另一端、第六電阻的另一端連接后與第七電阻的一端連接，第七電阻的另一端連接正電源；第四結(jié)型場效應(yīng)管的漏極或第五結(jié)型場效應(yīng)管的漏極連接二選一開關(guān)電路的控制輸入端，第四結(jié)型場效應(yīng)管的漏極的輸出信號與第五結(jié)型場效應(yīng)管的漏極輸出信號具有反相關(guān)系。
[0006]選頻與正反饋環(huán)路包括第一電容和第二電容，第一電容的一端連接第四結(jié)型場效應(yīng)管的漏極與第五電阻的一端的連接點，第二電容的一端連接第五結(jié)型場效應(yīng)管的漏極與第六電阻的一端的連接點，第一電容的另一端連接至第五結(jié)型場效應(yīng)管的柵極，第二電容的另一端連接至第四結(jié)型場效應(yīng)管的柵極。
[0007]所述選頻與正反饋環(huán)路的第一電容和第二電容隨溫度而改變，根據(jù)非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的振蕩頻率獲取第一電容的溫度系數(shù)和第二電容的溫度系數(shù)。
[0008]有益效果:
簡化了二選一開關(guān)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用單一 N型JFET，消除了對互補器件的需求。
[0009]使用SiC JFET或其他等效的禁帶寬度大于2eV的寬禁帶半導(dǎo)體元件作為高溫電路的核心元件，有效解決高溫或其他極端情況下普通半導(dǎo)體器件的在高溫下?lián)p毀導(dǎo)致電路失效問題；
二選一開關(guān)電路的輸出信號中包括由電容所米樣的溫度信息，可以同時傳送溫度信息和傳感器信號，從而降低電路的復(fù)雜性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明【具體實施方式】的二選一開關(guān)電路原理圖；
圖2是本發(fā)明【具體實施方式】的非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器原理圖；
圖3 (a)是本發(fā)明【具體實施方式】的基于SiC JFET的非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器在25 ° C的輸出；
圖3 (b)是本發(fā)明【具體實施方式】的基于SiC JFET的非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器在450 ° C時的輸出；
圖4是本發(fā)明【具體實施方式】的非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器輸出信號的頻率與溫度的對應(yīng)關(guān)系。

【具體實施方式】
[0011]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做詳細(xì)說明。
[0012]一種高溫二選一開關(guān)電路，包括:
用于控制兩路輸入信號通斷的二選一開關(guān)電路:具有兩個信號輸入端(Inputl和Input2)、一個控制輸入端Control以及一個信號輸出端Output ；
非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器:生成高電平或低電平的方波信號，將其作為二選一開關(guān)電路的控制信號；
二選一開關(guān)電路中的結(jié)型場效應(yīng)管和非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器中的結(jié)型場效應(yīng)管均采用禁帶寬度大于2eV的寬禁帶半導(dǎo)體元件，本實施方式采用SiC JFET，或采用碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等半導(dǎo)體器件。
[0013]如圖1所示，二選一開關(guān)電路包括第一結(jié)型場效應(yīng)管J1、第二結(jié)型場效應(yīng)管J2、第一電阻Rl和第二電阻R2 ;第一結(jié)型場效應(yīng)管Jl的柵極與第二結(jié)型場效應(yīng)管J2的柵極連接后作為二選一開關(guān)電路的控制輸入端Control,第一結(jié)型場效應(yīng)管Jl的漏極作為二選一開關(guān)電路的一個信號輸入端Inputl，第一結(jié)型場效應(yīng)管Jl的源極與第一電阻Rl的一端連接后作為信號輸出端Output，第一電阻Rl的另一端連接第二結(jié)型場效應(yīng)管J2的漏極，第二結(jié)型場效應(yīng)管J2的源極接地，第二電阻R2的一端連接至第二結(jié)型場效應(yīng)管J2的漏極與第一電阻Rl的另一端的連接點，第二電阻R2的另一端作為二選一開關(guān)電路的另一個信號輸入端 Input2 ；
如圖2所示，非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器包括電流源、放大單元和用于提供方波振蕩信號的選頻與正反饋環(huán)路；
電流源包括第三結(jié)型場效應(yīng)管J8、第三電阻R13和第四電阻R18，第三電阻R13的一端連接第三結(jié)型場效應(yīng)管J8的源極；第三電阻R13的另一端連接第四電阻R18的一端，第四電阻R18的另一端連接負(fù)電源；
放大單元包括第四結(jié)型場效應(yīng)管J6、第五結(jié)型場效應(yīng)管J7、第五電阻R11、第六電阻R12、第七電阻R19，第四結(jié)型場效應(yīng)管J6、第五結(jié)型場效應(yīng)管J7形成互耦結(jié)構(gòu)，第四結(jié)型場效應(yīng)管J6的源極與第五結(jié)型場效應(yīng)管J7的源極連接后與第三結(jié)型場效應(yīng)管J8的漏極連接，第四結(jié)型場效應(yīng)管J6的漏極連接第五電阻Rll的一端，第五結(jié)型場效應(yīng)管J7的漏極連接第六電阻R12的一端，第五電阻Rll的另一端、第六電阻R12的另一端連接后與第七電阻R19的一端連接，第七電阻R19的另一端連接正電源；第四結(jié)型場效應(yīng)管J6的漏極或第五結(jié)型場效應(yīng)管J7的漏極連接二選一開關(guān)電路的控制輸入端，第四結(jié)型場效應(yīng)管J6的漏極的輸出信號與第五結(jié)型場效應(yīng)管J7的漏極輸出信號具有反相關(guān)系。
[0014]選頻與正反饋環(huán)路包括第一電容Cl和第二電容C2，第一電容Cl的一端連接第四結(jié)型場效應(yīng)管J6的漏極與第五電阻Rll的一端的連接點，第二電容C2的一端連接第五結(jié)型場效應(yīng)管J7的漏極與第六電阻R12的一端的連接點，第一電容Cl的另一端連接至第五結(jié)型場效應(yīng)管J7的柵極，第二電容C2的另一端連接至第四結(jié)型場效應(yīng)管J6的柵極。
[0015]選頻與正反饋環(huán)路的第一電容Cl和第二電容C2隨溫度而改變，根據(jù)非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的振蕩頻率獲取第一電容Cl的溫度系數(shù)和第二電容C2的溫度系數(shù)。
[0016]當(dāng)選頻與正反饋環(huán)路的電容隨溫度而改變(如X7R型電容器)，該非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的振蕩頻率是溫度的函數(shù)。若用此非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器驅(qū)動圖1所示的二選一開關(guān)電路的控制端口，則二選一開關(guān)電路的輸出信號中包括由電容所米樣的溫度信息。如本發(fā)明的高溫二選一開關(guān)電路應(yīng)用在無線射頻傳感器，將溫度信息嵌入到所處理的基頻信號是十分必要的。由于系統(tǒng)的增益會受到環(huán)境溫度的影響，因此必須獲取溫度信息，才能從解調(diào)的RF信號中正確解讀原始的傳感器信號。而通過本發(fā)明可以使用單信道的RF發(fā)射器同時傳送溫度信息和傳感器信號，從而降低電路的復(fù)雜性。
[0017]將上述非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器電路構(gòu)建在測試熱板上，并對其進行從室溫到高達450°C的電路測試，圖3 (a)~ (b)給出了非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器電路的在25°C和450°C下的輸出。非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器輸出信號的頻率與溫度的對應(yīng)關(guān)系如圖4所示。由圖3可以看出，從室溫25°C到高溫450°C之間，都可以生成峰-峰值至少為IlV的方波。從圖4可以觀察至IJ，隨著溫度的增長，頻率從1.56千赫明顯變化為13.12千赫。當(dāng)溫度在150°C到400°C之間時，頻率呈現(xiàn)快速地線性增長，體現(xiàn)了良好的溫度分辨率，超出這個溫度范圍至450°C，頻率增長變緩。
[0018]本實施方式提供了一種用于高溫等極端環(huán)境下的二選一開關(guān)電路的設(shè)計，通過高溫測試驗證電路設(shè)計的可行性，該高溫二選一開關(guān)電路的輸出可用于高溫下的無線傳感、通信及數(shù)據(jù)傳輸。
【權(quán)利要求】
1.一種高溫二選一開關(guān)電路，其特征在于，包括: 用于控制兩路輸入信號通斷的二選一開關(guān)電路:具有兩個信號輸入端、一個控制輸入端以及一個信號輸出端； 非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器:生成高電平或低電平的方波信號，將其作為二選一開關(guān)電路的控制信號； 二選一開關(guān)電路中的結(jié)型場效應(yīng)管和非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器中的結(jié)型場效應(yīng)管均采用禁帶寬度大于2eV的寬禁帶半導(dǎo)體元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫二選一開關(guān)電路，其特征在于，所述二選一開關(guān)電路包括第一結(jié)型場效應(yīng)管、第二結(jié)型場效應(yīng)管、第一電阻和第二電阻；第一結(jié)型場效應(yīng)管的柵極與第二結(jié)型場效應(yīng)管柵極連接后作為二選一開關(guān)電路的控制輸入端,第一結(jié)型場效應(yīng)管的漏極作為二選一開關(guān)電路的一個信號輸入端，第一結(jié)型場效應(yīng)管的源極與第一電阻的一端連接后作為信號輸出端，第一電阻的另一端連接第二結(jié)型場效應(yīng)管的漏極，第二結(jié)型場效應(yīng)管的源極接地，第二電阻的一端連接至第二結(jié)型場效應(yīng)管的漏極與第一電阻的另一端的連接點，第二電阻的另一端作為二選一開關(guān)電路的另一個信號輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫二選一開關(guān)電路，其特征在于，所述非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器包括電流源、放大單元和用于提供方波振蕩信號的選頻與正反饋環(huán)路； 電流源包括第三結(jié)型場效應(yīng)管、第三電阻和第四電阻，第三電阻的一端連接第三結(jié)型場效應(yīng)管的源極；第三電阻的另一端連接第四電阻的一端，第四電阻的另一端連接負(fù)電源； 放大單元包括第四結(jié)型場效應(yīng)管、第五結(jié)型場效應(yīng)管、第五電阻、第六電阻、第七電阻，第四結(jié)型場效應(yīng)管、第五結(jié)型場效應(yīng)管形成互耦結(jié)構(gòu)，第四結(jié)型場效應(yīng)管的源極與第五結(jié)型場效應(yīng)管的源極連接后與第三結(jié)型場效應(yīng)管的漏極連接，第四結(jié)型場效應(yīng)管的漏極連接第五電阻的一端，第五結(jié)型場效應(yīng)管的漏極連接第六電阻的一端，第五電阻的另一端、第六電阻的另一端連接后與第七電阻的一端連接，第七電阻的另一端連接正電源；第四結(jié)型場效應(yīng)管的漏極或第五結(jié)型場效應(yīng)管的漏極連接二選一開關(guān)電路的控制輸入端； 反饋環(huán)路包括第一電容和第二電容，第一電容的一端連接第四結(jié)型場效應(yīng)管的漏極與第五電阻的一端的連接點，第二電容的一端連接第五結(jié)型場效應(yīng)管的漏極與第六電阻的一端的連接點，第一電容的另一端連接至第五結(jié)型場效應(yīng)管的柵極，第二電容的另一端連接至第四結(jié)型場效應(yīng)管的柵極。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高溫二選一開關(guān)電路，其特征在于，所述反饋環(huán)路的第一電容和第二電容隨溫度而改變，根據(jù)非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的振蕩頻率獲取第一電容的溫度系數(shù)和第二電容的溫度系數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高溫二選一開關(guān)電路，其特征在于，所述第四結(jié)型場效應(yīng)管的漏極的輸出信號與第五結(jié)型場效應(yīng)管的漏極輸出信號具有反相關(guān)系。
【文檔編號】H03K17/687GK104485936SQ201410851603
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月31日
【發(fā)明者】楊杰, 孫宇舸, 葉檸, 沈鴻媛, 苑振宇 申請人:東北大學(xué)