一种单路电平控制的射频三态开关电路的制作方法

本发明属于射频微波开关及pin二极管偏置控制，具体涉及一种单路电平控制的射频三态开关电路，利用一路模拟控制电压选择射频导通、匹配吸收关断和反射性高阻隔离三种状态，并根据原导通pin支路的实际反向恢复电流确定目标支路导通时刻。

背景技术：

1、现有pin二极管射频开关通常利用串联pin二极管形成通断通路，或者利用串联与并联pin二极管组合提高隔离度。us4883984a等文献公开了串联或并联pin二极管、射频扼流电感、偏置电阻和隔直电容；窗口比较器也已被用于根据两个阈值识别输入电压区间。因此，仅将普通窗口比较器与普通pin二极管开关连接，通常只能实现控制端口数量的减少。

2、传统吸收型开关一般在关断时把射频端口连接至匹配终端，反射型开关则在关断时使端口呈高阻。现有方案通常只提供其中一种关断阻抗，或者需要多个数字控制端分别选择状态。与此同时，pin二极管从正向导通切换至反向截止时需要抽取i区储存电荷，恢复时间随正向电流、载流子寿命、温度和器件离散性变化。固定rc死区过短会产生主路和终端路交叠导通，过长则降低切换速度。

3、此外，若直接在rfc偏置回路中测量反向电流，rfc充放电和pin结电容位移电流会叠加在载流子恢复电流上；若主、终端支路共用差分输入，测得的可能是电流之差。尤其在终端支路中，端口终端pin二极管185、186的反向恢复电流与终端隔离pin二极管187的反向恢复电流可能在终端公共回流路径上方向相反，仅设置一个采样电阻时，二者相互抵消可能导致检测信号提前越过恢复阈值。现有恢复检测若仅采用统一经验阈值，难以兼顾各检测通道的零点、反向漏电和增益离散性；若在运行期间向采样回路注入校准电流，则需要增设校准电流源、通道选择和退出互锁，增加电路复杂度并可能干扰状态切换。因此，需要一种具有明确正偏回流及快速放电拓扑、分离的终端端口与终端隔离采样、基于预设或出厂调试参数设定安全恢复阈值、并具备恢复电流重构及故障安全控制的射频三态开关电路。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：在仅使用一路模拟控制电压的情况下，使同一pin二极管射频网络可选择射频导通、匹配吸收关断和反射性高阻隔离状态，根据原导通pin支路的实际反向恢复状态自适应结束非交叠期间，避免rfc位移电流、检测通道零点及增益离散性、终端不同恢复电流相互抵消以及异常控制造成误许可，并在不设置运行中注入校准支路的条件下形成明确且受安全恢复电流约束的恢复阈值。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

3、一种单路电平控制的射频三态开关电路，包括单路控制输入及保护单元、同源双阈值基准单元、窗口码单元、故障安全互锁单元、自适应非交叠控制单元、主支路双极性驱动单元、终端支路双极性驱动单元、pin二极管射频网络和射频隔直扼流网络；

4、所述pin二极管射频网络包括第一串联pin二极管、第二串联pin二极管、输入终端pin二极管、输出终端pin二极管、终端隔离pin二极管、输入匹配终端和输出匹配终端；

5、第一串联pin二极管和第二串联pin二极管以公共阴极方式反向串联在射频输入节点与射频输出节点之间并形成公共阴极节点；主支路正向恒流源包括分别连接两个射频节点的两个受限恒流输出支路，公共阴极节点经主支路正向回流开关连接主正向回流端；两个射频节点分别经对应的匹配终端和端口终端pin二极管连接第一射频旁路节点和第二射频旁路节点，两个射频旁路节点分别通过第一吸收电容和第二吸收电容接射频地并经相互隔离的直流回流支路汇合至终端公共回流节点，终端隔离pin二极管的阳极连接终端公共回流节点、阴极连接可切换的终端隔离驱动端；

6、窗口码单元根据一路模拟控制电压输出互斥的导通态请求、匹配吸收关断态请求和高阻隔离态请求；

7、在导通态，两个主路恒流输出支路分别向两个射频节点供流，主支路正向回流开关使公共阴极节点接入主正向回流端，两只串联pin二极管分别获得规定的正向电流；同时终端公共回流节点和终端隔离驱动端分别被置于第一终端反向偏置电位和更高的第二终端反向偏置电位，使三只终端pin二极管均反向偏置；

8、在匹配吸收关断态，两个射频节点由主支路快速放电钳位开关网络持续连接主反向偏置低电位回流端，公共阴极节点由主支路反向偏置开关施加较高的主反向偏置电位，从而使两只串联pin二极管反向偏置；终端支路正向恒流单元经终端隔离pin二极管从两个端口终端pin二极管的阴极侧抽取受限恒流，使三只终端pin二极管正向偏置，并使两个射频节点分别经对应的匹配终端接入射频地；

9、在高阻隔离态，主支路保持前述主反向偏置，终端公共回流节点被置于第一终端反向偏置电位，终端隔离驱动端被置于高于第一终端反向偏置电位的第二终端反向偏置电位，使五只pin二极管均反向偏置；主路反偏满足vrs－v0s－δv_s,path≥vrev_s,min，端口终端支路反偏满足vra1－max（vna_dc，vnc_dc）－δv_ap,path≥vrev_ap,min，终端隔离支路反偏满足vra2－vra1－δv_ai,path≥vrev_ai,min；其中δv_s,path、δv_ap,path和δv_ai,path为相应开关、采样电阻、阻尼电阻及扼流电感的最坏路径压降，各实际反偏电压还均低于对应pin二极管最小反向击穿电压减去安全裕量；

10、自适应非交叠控制单元包括主支路采样电阻、由终端端口恢复采样电阻和终端隔离恢复采样电阻组成的终端支路采样电阻组、三通道差分检测及恢复重构电路、基线校正阈值电路、恢复比较电路、确认计时器和驱动许可门；基线校正阈值电路根据各检测通道在高阻隔离态取得或预先设定的零电流基线、预设或出厂调试确定的有效跨阻系数以及对应安全恢复电流，分别设置主支路、终端端口和终端隔离恢复阈值，各阈值对应的剩余恢复电流不超过相应允许最大交叠电流，且无需在运行期间向采样电阻注入校准电流；

11、主支路采样电阻用于取得主支路原始检测电压vs；终端端口恢复采样电阻位于第一终端反偏电源至终端公共回流节点的路径中并输出vap，终端隔离恢复采样电阻位于第二终端反偏电源至终端隔离pin二极管阴极的路径中并输出vai。vap和vai经极性及增益归一化后相加形成用于表征两只端口终端pin二极管剩余恢复电流的va_port，vai经归一化形成用于表征终端隔离pin二极管剩余恢复电流的va_iso，从而避免终端隔离恢复电流在公共回流路径上造成的反向分量抵消端口终端恢复电流；

12、当转换前状态为导通态时，恢复消隐及补偿网络从主支路检测信号中扣除对应位移电流参考，只有主支路补偿恢复信号连续满足恢复阈值条件后才生成恢复许可；当转换前状态为匹配吸收关断态时，恢复消隐及补偿网络分别补偿终端端口路径和终端隔离路径，只有重构的端口补偿恢复信号与独立的隔离补偿恢复信号均连续满足各自阈值条件后才生成恢复许可；在设置恢复趋势判别电路时，相应趋势结果还与实时阈值结果进行硬件与；

13、当转换前状态为高阻隔离态时，仅在未经恢复补偿的vs、vap和vai均处于各自零电流基线窗口且连续保持达到确认时间后，才允许目标支路依次撤销反偏、经过换向死区并建立正偏；控制端开路时控制输入节点进入下阈值与上阈值之间的中区并请求高阻隔离态，偏置电源欠压、码信号非法或恢复等待超时时禁止主支路和终端支路建立正偏。

14、作为上述方案的进一步改进，所述单路控制输入及保护单元包括控制端子、输入限流电阻、低电容钳位网络和开路偏置电阻；

15、所述同源双阈值基准单元包括基准源、下阈值分压网络、上阈值分压网络、下阈值缓冲器和上阈值缓冲器；开路偏置电阻连接在控制输入节点与由下阈值分压网络和上阈值分压网络共同产生的中间偏置节点之间，使控制端子开路时控制输入节点稳定处于下阈值和上阈值之间；开路偏置电阻的阻值至少为输入限流电阻阻值的二十倍。

16、作为上述方案的进一步改进，所述窗口码单元包括下阈值比较器、上阈值比较器、下阈值迟滞网络、上阈值迟滞网络和互斥码及确认逻辑；

17、所述故障安全互锁单元包括电源监测器、故障锁存器和互斥门；

18、互斥码及确认逻辑包括组合码单元和码确认计时单元，仅在两个比较器的输出组合为低区有效组合、中区有效组合或高区有效组合且连续保持达到码确认时间时输出对应状态请求，其他输出组合被判定为码组合非法；

19、互斥门在电源监测器输出无效、故障锁存器置位或两个正向驱动请求同时有效时，强制撤销主支路和终端支路的正向驱动请求。

20、作为上述方案的进一步改进，所述主支路双极性驱动单元包括主支路正向恒流源、主支路反向偏置开关、主支路快速放电钳位开关网络、主支路限流电阻组和主支路正向回流开关；

21、主支路正向恒流源包括第一恒流输出支路和第二恒流输出支路，二者分别经第一主支路限流电阻、第二主支路限流电阻以及第一射频扼流电感和第四射频扼流电感向射频输入节点和射频输出节点供给正向电流，公共阴极节点经第二射频扼流电感和主支路正向回流开关连接主正向回流端；主支路反向偏置开关经第二射频扼流电感向公共阴极节点施加主反向偏置电压，主支路快速放电钳位开关网络经第一射频扼流电感和第四射频扼流电感将两个射频节点连接至主反向偏置低电位回流端；主支路正向恒流源及主支路正向回流开关与主支路反向偏置开关及主支路快速放电钳位开关网络之间采用先断后通互锁；

22、所述终端支路双极性驱动单元包括终端支路正向恒流单元、终端支路反向偏置开关、终端支路快速放电换向开关和终端支路限流电阻；终端隔离pin二极管的阳极连接终端公共回流节点、阴极经第三阻尼电阻连接所述换向开关的公共端；匹配吸收关断态下，终端支路反向偏置开关断开，换向开关选择经终端支路限流电阻和终端支路正向恒流单元连接的负电源恒流吸收端，使电流由两个射频节点分别经匹配终端、端口终端pin二极管和各自直流回流支路汇合至终端公共回流节点，再经终端隔离pin二极管流向负电源；非吸收状态下，终端支路正向恒流单元断开，终端支路反向偏置开关将终端公共回流节点置于第一终端反向偏置电位，换向开关将终端隔离pin二极管阴极置于更高的第二终端反向偏置电位；两种连接之间采用先断后通换向。终端公共回流节点经第一无源泄放电阻连接主反向偏置低电位回流端，终端隔离驱动端经第二无源泄放电阻连接终端公共回流节点，使换向开关全断的换向死区内两个节点不悬空；两个无源泄放电阻的阻值被设置为其稳态分流电流远小于终端正向恒流和允许恢复电流。

23、作为上述方案的进一步改进，所述射频隔直扼流网络包括输入隔直电容、输出隔直电容以及第一至第六射频扼流电感（193至198）；

24、输入隔直电容、第一串联pin二极管、第二串联pin二极管和输出隔直电容依次串联在射频输入端口与射频输出端口之间；输入匹配终端的一端连接所述射频输入节点，另一端连接输入终端pin二极管的阳极，输入终端pin二极管的阴极连接第一射频旁路节点；输出匹配终端的一端连接所述射频输出节点，另一端连接输出终端pin二极管的阳极，输出终端pin二极管的阴极连接第二射频旁路节点；第一射频旁路节点依次经第一阻尼电阻和第五射频扼流电感连接所述终端公共回流节点，第二射频旁路节点依次经第二阻尼电阻和第六射频扼流电感连接所述终端公共回流节点，并且两个射频旁路节点分别通过第一吸收电容和第二吸收电容接射频地；终端公共回流节点经第三射频扼流电感连接终端公共驱动端，并经终端隔离pin二极管和第三阻尼电阻连接可在终端正向恒流吸收端与第二终端反向偏置电压之间切换的终端隔离驱动端。第一无源泄放电阻连接终端公共回流节点与主反向偏置低电位回流端，第二无源泄放电阻跨接终端隔离驱动端与终端公共回流节点。

25、作为上述方案的进一步改进，主支路采样电阻串联在主支路反向偏置回路中；终端端口恢复采样电阻串联在第一终端反向偏置电源与终端公共回流节点之间，终端隔离恢复采样电阻串联在第二终端反向偏置电源与终端隔离pin二极管阴极之间。三个独立差分检测通道分别输出vs、vap和vai；vap和vai依据预设或出厂调试确定的极性及增益系数归一化后重构va_port，并保留独立的va_iso。由匹配吸收关断态退出时，va_port和va_iso必须分别满足对应恢复判据；高阻态进入目标状态及故障复位时，vs、vap和vai必须同时满足各自基线窗口判据。

26、作为上述方案的进一步改进，所述自适应非交叠控制单元还包括超时计时器，所述故障安全互锁单元包括电源监测器和故障锁存器；从导通态或匹配吸收关断态转换时，超时计时器自撤销原导通支路正偏起计时；从高阻隔离态进入目标状态时，超时计时器自锁存目标状态请求起计时；最大等待时间内未收到恢复许可信号时置位故障锁存器。故障锁存器仅在控制电压处于中区、电源监测正常、超时信号无效、vs、vap和vai均连续位于各自零电流基线窗口达到复位确认时间且复位触发信号reset_trig有效时复位；reset_trig由内部上电复位或电源监控电路产生，或者由不参与三态选择的维护复位端提供。

27、作为上述方案的进一步改进，所述恢复消隐及补偿网络设置主支路、终端端口路径和终端隔离路径三组位移电流复制支路，各复制支路由与对应实际反偏阶跃同步的控制信号驱动，并匹配反偏阶跃幅度、源阻抗、射频扼流电感和等效结电容及寄生电容；从归一化的实际检测信号中扣除相应位移电流参考后，分别形成vcomp_s、vcomp_ap和vcomp_ai。匹配吸收关断态退出时，vcomp_ap由补偿后的终端端口路径信号与补偿后的终端隔离路径信号相加形成，vcomp_ai保留为终端隔离pin二极管的独立判据；消隐时间内禁止确认计时器计时。

28、作为上述方案的进一步改进，还包括恢复趋势判别电路，恢复趋势判别电路对退出导通态时的vcomp_s，以及退出匹配吸收关断态时的vcomp_ap和vcomp_ai分别进行双时刻采样和趋势判断；第二采样值不高于第一采样值与预设趋势迟滞电压之和且低于对应恢复阈值时输出对应趋势有效结果。退出匹配吸收关断态时，两个终端趋势有效结果与两个终端实时阈值比较结果经硬件与后启动或维持确认计时器，任一补偿恢复信号再次越过其阈值时清零确认计时器。所述各补偿恢复信号可以由分别设置的采样保持器并行采样，也可以经通道选择器由同一组采样保持器在满足采样时序的条件下分时采样。

29、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

30、本发明采用单路控制输入及保护单元、同源双阈值基准单元和窗口码单元，根据一路模拟控制电压形成导通态、匹配吸收关断态和高阻隔离态三种互斥状态。由此能够减少外部控制端口和控制线路数量，避免多路控制信号不同步引起的状态冲突，并提高射频开关与既有模拟控制系统的兼容性。

31、本发明将第一串联pin二极管和第二串联pin二极管设置为公共阴极反向串联结构，并在两个射频节点分别设置独立的匹配吸收支路，使同一射频网络能够提供低损耗导通、匹配吸收关断和高阻隔离三种不同的射频状态。与仅具有导通和单一关断状态的现有射频开关相比，本发明能够根据不同应用场景选择吸收型关断或反射型高阻关断。

32、本发明分别设置主支路双极性驱动单元和终端支路双极性驱动单元，能够对主路pin二极管和终端pin二极管分别施加受控正向恒流和反向偏置。该结构使各pin二极管的正向导通回路、反向恢复回路和反向截止电位均具有确定的连接关系，有利于降低导通电阻和反偏结电容对射频性能的影响，并避免因偏置节点悬空造成状态不确定。

33、本发明采用相互隔离的两个终端直流回流支路，并通过第一吸收电容和第二吸收电容分别形成射频接地回路。匹配吸收关断态下，两个射频端口能够分别接入相应的匹配终端；导通态和高阻隔离态下，终端支路被分级反向偏置，不形成射频节点通向反向偏置电源的持续直流通路。由此能够兼顾端口阻抗匹配、终端支路隔离以及直流功耗控制。

34、本发明以主支路采样电阻检测主路反向恢复电流，并以终端端口恢复采样电阻和终端隔离恢复采样电阻分别取得终端公共回流路径及隔离pin路径的电流信息；通过极性及增益归一化和加法重构，恢复两只端口终端pin二极管的实际恢复电流，同时保留终端隔离pin二极管的独立恢复判据，避免相反方向电流在单一采样电阻上抵消而提前许可。与采用固定延时或单点终端检测的切换方式相比，本发明能够依据全部原导通pin器件的实际恢复状态确定目标支路导通时刻。

35、本发明通过基线校正阈值电路，将三个物理检测通道在高阻隔离态取得或预先设定的零电流基线、预设或出厂调试确定的有效跨阻系数以及对应安全恢复电流纳入阈值设置，并限制各恢复阈值对应的剩余恢复电流不超过允许最大交叠电流。该方案无需在运行期间设置校准电流源和通道选择开关，能够在降低通道失调、反向漏电及增益离散性对恢复判定影响的同时，简化电路和状态控制，避免在线注入校准电流干扰正常切换。

36、本发明设置三路径恢复消隐及补偿网络，各复制支路与对应实际反偏阶跃同步，并匹配阶跃幅度、源阻抗、射频扼流电感和等效电容；由此分别扣除主支路、终端端口路径和终端隔离路径中的位移电流分量，再进行终端端口恢复信号重构，降低补偿失配及rfc充放电对真实载流子恢复判定的干扰。

37、本发明设置恢复趋势判别电路，对主支路补偿恢复信号或两个终端补偿恢复信号分别进行双时刻采样；匹配吸收关断态退出时，端口终端恢复趋势、隔离pin恢复趋势以及两路实时幅值条件共同参与许可，从而排除任一器件的振铃、二次恢复峰或瞬时越阈造成的提前导通。

38、本发明通过确认计时器对恢复完成信号进行连续时间确认，而不是在检测信号首次低于阈值时立即建立目标正向偏置。检测信号在确认期间出现回升时，确认计时器重新清零，从而能够抑制噪声尖峰、比较器抖动和恢复尾电流波动造成的误许可，提高状态转换过程的稳定性。

39、本发明用于三态选择的控制输入仅为一路模拟控制电压；复位触发信号reset_trig不参与三态选择，并由内部上电复位、电源监控电路或维护复位端提供。在控制端开路时利用开路偏置使控制输入进入中区并选择高阻隔离态，同时设置电源监测器、故障锁存器、互斥门和超时计时器；在码组合非法、恢复等待超时或两个正向驱动请求同时出现时，电路撤销正向驱动，并在反偏电源正常时进入主动反偏高阻隔离态；在反偏电源欠压时，电路至少撤销全部正向驱动并通过无源泄放使驱动节点进入无正偏的失效安全状态。由此能够避免主支路与终端支路同时正偏以及偏置电源之间发生直通，提高异常控制和器件故障条件下的安全性。

40、综上，本发明通过单路模拟电平三态码、具有两类关断阻抗的pin二极管射频网络、完整的正偏回流与快速放电连接、分级反偏关系、三物理通道反向恢复检测、基于预设或出厂调试参数的安全阈值设置、终端恢复电流重构、位移电流补偿、趋势判别和故障安全互锁的协同配合，在不增加运行中注入校准支路的情况下，减少控制端口数量并提高射频状态选择能力、切换速度、恢复检测准确性和异常状态下的安全性。