CN2181132Y

CN2181132Y - 高频信号单刀多掷开关

Info

Publication number: CN2181132Y
Application number: CN 93224648
Authority: CN
Inventors: 古高桐
Original assignee: TAIYANG SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: TAIYANG SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 1993-09-18
Filing date: 1993-09-18
Publication date: 1994-10-26
Anticipated expiration: 2003-09-18

Abstract

一种高频单刀多掷开关，以晶体管代替常用继电器或PIN二极管以切换所需信号，包括多个信号输入端、相同数目的晶体管，各晶体管的输入端分别耦合一输入匹配网络，其输出端连接于同一接点，再经一输出匹配网络输出；各晶体管的基极分别连接一直流偏压电路，当切换所需输入信号时，使相对应的晶体管工作在线性放大区，而其他晶体管工作于截止区。本开关具有增益效能，且可靠性高，成本低廉。

Description

本实用新型是关于一种以晶体管组成，具有增益效能的高频信号单刀多掷开关，特别是关于以晶体管开关电路及其切换逻辑电路构成的单刀多掷开关。此开关为可适用于切换经降频后的垂直，水平偏极化卫星信号。

目前在切换（switch）或选择（select）高频信号的开关元件中，一为继电器（relay），一为PIN二极管，均具有对多个信号源选择性形成通路及开路的特性，然使用继电器作为选择开关时（即单刀多掷开关），由于继电器为一种机械式元件，与电子式元件比较，在温度太高或太低时，其故障率均较高，寿命又较短，而且属于无源元件，对信号没有增益功用。另外，利用PIN二极管元件作为此类开关时，虽可解决继电器易发生故障和短寿命的问题，但相对的要达到相同的信号隔离度（isolation），所需元件数目较多（一般需要多至四至八个PIN二极管才能达到20dB的隔离度）。另一方面，该类电路也会有信号损失而无增益的问题。

有鉴于此，本实用新型的目的即为提供一种可靠度高、寿命长、元件数目少、电路结构简单，且具有高增益功能的选择开关电路，以改良习知装置的缺点。

本实用新型高频信号单刀多掷开关，包括：

多个输入端；

与输入端数目相同的晶体管开关电路；

所述晶体管电路的输入端分别经一输入匹配网络与所述多个输入端之一耦合匹配；

所述各晶体管电路的输出端连接于同一接点；

一输出端，经一输出匹配网络耦合匹配至所述接点；

一直流偏压网络，与各晶体管的控制极相连，在控制信号作用下，使相应于所需输入信号的晶体管工作于线性放大区，其余晶体管处于截止区。

在本实用新型的电路中，采用晶体管（Transistor）作为开关元件，并利用切换其工作偏压（operating bias）的方式决定进入其线性区（linear region）或截止区（cutoff Region），以控制信号的选择。又本实用新型对高频晶体管的输入、输出必须连接的匹配网路（Matching Network）作一巧妙安排，使整个开关电路结构更为简单，使设计此类开关更为容易。又，该晶体管元件为一成本低廉且具有增益的元件，因此，本实用新型的选择电路不需采用额外的放大器来补偿信号损失，从而进一步降低成本。

现以下列附图配合较佳实施说明本实用新型的原理及其优点，其中：

图1所示为一般以BJT作为放大元件的电路示意图；

图2所示为本实用新型的单刀双掷选择电路的电路方块图。

图3所示为图2的电路方块图的等效电路图；

图4所示为根据本实用新型一实施例，以一n通道结型场效晶体管（JFET）作为放大元件的单刀多掷开关的电路方块图；

图5所示为根据本实用新型的另一实施例的单刀四掷开关电路图；

图6所示为图5的开关电路的输入电压比较电路图；和

表一所示为图6的电路中，输入电压与各点输出值的开关图表。

现参考图1，该图所示为一般以BJT（双极性面结型晶体管）元件作为一放大器时的电路示意图。由图可知，为使信号源10与晶体管输入端（port）以及使晶体管输出端与负载14之间彼此匹配，必须在晶体管BJT的输入端和输出端上分别连接一输入匹配网络（Input Matching Network，）11和一输出匹配网络（Output Matching Network）12，才能使此放大电路具有较佳的功能，该输入、输出匹配网络可根据需要进行选择设计，这已为本技术领域人员所熟知。其中电容C_B、C_C分别为BJT输入、出端的直流阻隔电容，其目的在于使BJT的基极和集电极电压V_B和V_C不会被输入及输出匹配网络所影响。抑流线圈RFC_B和RFC_C则用以防止交流信号被直流电路所影响。至于Z_in、Z_out分别表示BJT的输入阻抗和输出阻抗。

本领域的技术人员可采用其他偏压电路或改变C_B，C_C，RFC_B和RFC_C的数值，使其成为匹配电路的一部份或全部，以节省匹配电路的元件数目。该类晶体管的偏压在线性区时，对高频信号具有放大作用，且具有特定的输入和输出阻抗Z_in及Z_out，但当进入截止区时，则其放大功能消失，且Z_in及Z_out均接近于开路，这是基于在p－n结面反偏时，流经该结面的逆向饱和电流Is甚小，而Z＝V／I之故。

本实用新型是利用晶体管的工作区在线性区时具有放大作用，而在截止区时，输出、输入端均具有高阻抗的特性来实现的。

现今大部分高频晶体管生产商，均能有效地控制其晶体管的品质，使大量生产时，其参数不致偏差太大，故本实用新型所描述的开关电路在大量生产时，其品质亦不会有太大的偏差。

在设计高频信号开关电路时，一方面在信号通过时，其输入端信号源以及输出端与负载间必须有良好的阻抗匹配，以减少信号的损失，以晶体管作通过元件（pass element），在良好阻抗匹配下，不但没有信号损失，反而有增益。另一方面不需要的信号必须被拒绝，以得到良好的隔离度，利用晶体管工作在截止区时具有高输入阻抗的特性，并利用使信号源与本开关电路不匹配（mismatch）的方式，反射该不需要的信号使其不进入开关电路。

本领域的技术人员可在本开关与信号源之间加装一开关，在本开关的晶体管截止时，将信号源连接至一假负载（dummy load），以消除信号源的不匹配现象，这是已有常用技术，故不在此处赘述。

本实用新型用多个晶体管作为开关元件，在其各个输出结合之处，只采用一个输出匹配网络，为本实用新型另一巧妙之处，各晶体管若各自有其独立的输出匹配网络，则各匹配网络之间的相互影响，会使得各匹配网络内各元件的数值的计算相当困难，本实用新型利用晶体管截止时具有高输出阻抗的特性，控制在同一时间内只有一个晶体管处于线性区，并使各晶体管的输出端连接在同一接点上，而使本开关电路在此接点的输出阻抗非常接近于单一晶体管的输出阻抗，故只需使用该晶体管的参数便可设计本开关的输出匹配网络，另一优点则为可减少采用多个输出匹配网络所需的元件及空间，进一步降低本开关的成本。

因此若控制偏压电路35使BJT1工作于线性区，而BJT2工作于截止区，则图2的等效电路如图3所示；由图可知来自信号源33的信号经过输入匹配网络31到达BJT1后被放大，再由输出匹配网络36耦合到负载37，而不受BJT2的影响，是因BJT2的输出阻抗几乎为开路的原故，对于来自信号源34的信号也因BJT2的输入阻抗接近开路而被反射，且BJT2处于截止区，不会将该信号放大而输出到输出匹配网络36，如此，一路信号被放大，而另一路信号被反射，故可得到一很好信号隔离度的高频单刀双掷开关。

图4为本实用新型一实施例，本例采用nlchannel JFET 作为放大元件，而以一开关41作为控制电路，值得注意是Vss为负电压且小于两JFET的夹断（pinch－off）电压，当开关41将Vss与JFET1的栅极直流插入点连接时，（如图4所示），JFET1即进入截止区（pinch－off）而停止放大自I／P1输入的信号，并在栅极及漏极呈现高阻抗，将输入信号反射回信号源（图未显示），而又不影响JFET2的匹配及偏压。

本例的JFET是采用自偏压方式（self－bias），本领域技术人员可轻易求得R_D，R_G，R_S及C_S的数值。以施偏压于该JFET，使之工作于所需工作区。

图5所示为以BJT做为单刀四掷开关的连线方法及其控制方式，该图中，ABCD四点分别为开关元件BJT1～4的基极直流偏压插入点，由E点插入的直流电压电路因有扼流线圈RFC阻隔，故不影响其高频信号，此四点任一点电压若低于电晶体的基射电压V_{BE ON}0.7V时，则该点所对应的晶体管BJT截止。

有源的下推元件（Active push down devices）为一可接通至地的有源元件，在抑动时，呈开路状态，在致动时，该元件导通至地，常见的电压比较器如LM339即为以此类元件作其输出级（output stage）的器件（比较器LM339为开路集电极输出）。

图6的开关以六个电压比较器Q1－Q6比较输入控制电压Vc的大小，而将特定的晶体管BJT的基极电压拉低，如图6所示；该电路的设计使得在任一个0～Vcc的特定输入控制电压之下，只有一个BJT处于线性区，而其他则截止，如图7所示。

图5中电阻R₁，R₈除作为BJT的偏压电阻外，更作为比较器Q1－Q6的负载电阻（pull－up resistor）。

两个或两个以上的有源下推元件连接在1个负载电阻上，当其中一个元件致能时（enable），则该接点电压为LOW，此种连接方法在电路中称为或连线（wire－or）或与连线（wire－and），根据其致能所用逻辑电路而命名，图6的比较器就是以与连线（wire－and）形式连接，（可见图7所示A，B，C，D与P，R，R，S，T，U的关系）。

本实用新型可如图6以与门连线（wire－and）形式连接，使本实用新型在控制电路上更具弹性，每一BJT均可同多个有源下推元件来控制，而每一有源下推元件又可与不同的开关，换能器，逻辑电路连接，使本实用新型的开关，可比习知的继电器，PIN二极管更易于与外界连接。

图5的单刀四掷开关在卫星电视信号分配上极具商业价值，因家用型卫星接收机频宽有限，而卫星数目及节目越来越多，再考虑若每一卫星信号自降频器降频后均须以一同轴电线传至用户端，则成本太高，且现阶段大部份用户均只有一个同轴电线连接户外天线群（两个天线以上），只能以多端微波开关切换不同卫星信讯号，而实用新型的单刀多掷高频开关即为此类多端开关的主要部份，且其具有下列优点：

1.具有增益，可补偿信号的损失。具有高隔离度。

2.与继电器比较起来，可靠度更高、寿命长。

3.元件数目少（较PIN二极管所需数目小），电路结构更为简单。

4.成本低廉。

5.易于配合各种控制信号（因各BJT可以与门连线（wire－and）来控制）。

至于多刀多掷开关可由多个单刀多掷开关组合而成。本领域技术人员可轻易以本实用新型所描述的单刀多掷开关并合而成，而不违背本实用新型的范围。

Claims

1、一种高频信号单刀多掷开关，包括：

多个输入端；

与输入端数目相同的晶体管开关电路；

其特征在于：

所述各晶体管电路的输出端连接于同一接点；

一输出端，经一输出匹配网络耦合匹配至所述接点；

2、如权利要求1所述的高频信号单刀多掷开关，其特征在于所述晶体管为双极性面结型晶体管，以共射极形式连接。

3、如权利要求1，2所述的高频信号单刀多掷开关，其特征在于：

所述偏压网络包括：

一直流控制信号源，提供不同电平的控制信号；

多个有源下推元件，它们的一输入端分别与信号源相连接，另一输入端与各参考电压相连接，它们的输出端分别和与门逻辑电路相连；

所述与门逻辑电路与所述晶体管的基极连接。