CN105119591A

CN105119591A - 用于阵列探测器的cmos单刀多掷开关

Info

Publication number: CN105119591A
Application number: CN201510579439.9A
Authority: CN
Inventors: 赵毅强; 胡凯; 刘沈丰; 束庆冉; 王景帅
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2015-09-11
Filing date: 2015-09-11
Publication date: 2015-12-02

Abstract

本发明属于电子开关技术领域。为提高探测器上的本振信号带宽，增加探测器在高频本振信号下的响应度。提高探测器与本振信号间的隔离度，降低阵列探测器通道间的耦合串扰。为此，本发明采取的技术方案是，用于阵列探测器的CMOS单刀多掷开关，包含一个输入端口IN、一个直流电平端口V和多个输出端口OUT；其中，每个输出端口OUT连接一个单刀双掷开关的单端，单刀双掷开关的双端分别与输入端口IN、直流电平端口V相连；直流电平端口V的电压与输出端口OUT的直流电压相同。本发明主要应用于电子开关的设计制造。

Description

用于阵列探测器的CMOS单刀多掷开关

技术领域

本发明属于电子开关技术领域，特别涉及用于阵列探测器的CMOS单刀多掷开关。

技术背景

随着微电子技术的发展，尤其是在光电集成方向的一个突出特点是小型化，阵列探测器上含有的像元数目更多，像元间距更窄，这就决定了阵列探测器通道间相互耦合串扰现象不容忽视。在阵列探测器中，为了得到所有像元的信号，需要单刀多掷开关切换不同的探测器像元分时工作。而对于需要切换的信号频率有时带宽会很大，甚至到吉赫兹，使得串扰现象更加严重，降低了探测器输出信号的信噪比。例如，对于自混频探测器，工作时需要高频本振信号，随着探测器的数目增加，开关掷数的增加导致寄生电容增加，探测器得到的本振信号的带宽就会降低，高频下的混频响应度就会很弱。

以下结合图1说明通常阵列探测器开关选通工作原理。单刀多掷开关101由多个单元开关102组成，当其中某个开关单元102闭合时，本振信号100与阵列探测器103上对应的单元探测器相连，该探测器开始工作，输出信号将传至输出端104。而其余探测器未选通，不工作。

常规的单刀多掷开关中的单元开关电路由NMOS和PMOS构成，其栅极接控制信号，衬底分别接地和电源，如图2所示。若阵列探测器开关需要切换N路探测器，那么就需要单刀N掷开关，也就包含N个单元开关电路。单刀N掷开关的电路模型如图3所示。CS为单元开关输入端对地的寄生电容，那么本振信号100对地的寄生电容等于N·CS。考虑到本振信号发生器本身内阻(通常50Ω)，当输入本振信号频率高时，它的幅值会衰减，带宽下降。当开关关断时，存在串联寄生电容CDS，此时虽然开关断开，但高频信号仍会通过CDS漏到探测器上，显然CDS越大，开关的隔离度越小，不应工作探测器越容易受到干扰。当开关闭合时，RDS为其导通电阻，其值越小，探测器上的本振信号越大，响应度也越高；然而这时CS和CDS会增大，反而降低了输入信号带宽。在常见的单刀多掷开关产品中，RDS往往很小，约几毫欧～几欧姆，掷数不超过16掷。因此，随着开关的掷数增多，本振信号带宽会降低，而且通道间的串扰更为严重。

发明内容

为克服现有技术的不足，提高探测器上的本振信号带宽，增加探测器在高频本振信号下的响应度。提高探测器与本振信号间的隔离度，降低阵列探测器通道间的耦合串扰。为此，本发明采取的技术方案是，用于阵列探测器的CMOS单刀多掷开关，包含一个输入端口IN、一个直流电平端口V和多个输出端口OUT；其中，每个输出端口OUT连接一个单刀双掷开关的单端，单刀双掷开关的双端分别与输入端口IN、直流电平端口V相连；直流电平端口V的电压与输出端口OUT的直流电压相同。

所述单刀双掷开关是由PMOS或NMOS单独组成，或者由PMOS和NMOS共同组成；当由PMOS和NMOS共同组成时，单刀多掷开关包含三个由PMOS和NMOS组成的开关S1、S2和S3，以及一个由PMOS和NMOS组成的反相器N，输入端口IN与输出端口OUT之间串联了两级开关S1和S2实现通断，当控制端高电平时，控制端与反相器控制构成S1的两个CMOS管MP1、MN1和构成S2的两个CMOS管MP2、MN2断开；控制构成S3的两个CMOS管MP3和MN3闭合，即开关S1和S2断开，开关S3闭合，输入端口IN与输出端口OUT断开，输出端口OUT与直流电平端口V导通；当控制端置为低电平时，输入端口IN与输出端口OUT道通，输出端口OUT与直流电平端口V断开。

所述的单刀双掷开关输入端口IN与输出端口OUT之间的导通电阻为50-10K欧姆；直流电平端口V与输出端口OUT之间的导通电阻为1-10K欧姆。

与阵列探测器和控制单元组合应用：阵列探测器中的每个探测器的一端连接一个输出端口OUT，每个探测器的另一端连接直流电平端口V，控制单元连接单刀双掷开关控制端进行开关连接选择。

输入端口IN与输出端口OUT之间串联了两级开关S1和S2实现通断,两级开关可为单一开关、串联三级、串联多级开关中的任一种代替。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

通常探测器的阻抗大于10KΩ，因此设计的开关导通电阻可以较大，以减小开关对地的寄生电容，从而增加高频本振信号的带宽。探测器不工作时，通过开关的切换使得其两端电压相同，其原先本振信号输入端被置于固定电平，不易受到高频本振信号和旁路探测器的串扰，增加探测器在高频本振信号下的响应度，提高探测器与本振信号间的隔离度。

附图说明

图1是阵列探测器开关选通示意图。

图2是常规CMOS单元开关电路。

图3是单刀多掷开关的简化电路模型。

图4本发明所示的单刀多掷开关示意图。

图5是实施例中单刀双掷开关与8*2阵列探测器的连接关系图。

图6是实施例中单刀双掷开关中单元开关电路结构图。

图7是实施例中单刀双掷开关的电路模型。

具体实施方式

本发明提供了一种用于阵列探测器的CMOS单刀多掷开关，它由多个单刀双掷CMOS开关S组成，包含一个输入端口IN、一个直流电平端口V和多个输出端口OUT。其中，输入端口IN和每个输出端口OUT之间由一个单刀双掷开关相连，如图4所示。

所述的多个单刀双掷开关的第一选通支路2与输入端IN相连，第二选通支路3与直流电平端口V相连。

所述多个单刀双掷开关的个数为三个或三个以上。

所述单刀双掷开关是由PMOS或NMOS单独组成，或者由PMOS和NMOS共同组成。

所述的直流电平端口V的电压与输出端OUT的直流电压相同。

所述的单刀双掷开关的第一选通支路2的导通电阻为50-10K欧姆。

所述的单刀双掷开关的第二选通支路3的导通电阻为1-10K欧姆。

当单刀双掷开关第一选通支路2接入1端时，输出端OUT与输入端IN相连，探测器接收到输入端IN的信号，开始工作。当第一选通支路2与1端断开时，第二选通支路3与1相连，这时探测器将与直流电平端V相连，由于直流电平端口V的电压与输出端OUT的直流电压相同，探测器两端电压差几乎为零，处于不工作状态，它受到的旁路串扰信号和漏到探测器上高频本振信号会被直流电平吸收。单刀双掷开关第二选通支路3的导通电阻越小，探测器越不易受到外界干扰。

具体实施方式：图5为8*2阵列探测器204与单刀双掷开关202的连接关系图。单刀双掷开关202由8个单元开关203组成，包含输入IN、输出OUT、直流电平V和控制四种端口，它们的IN端与本振信号相连，V端与直流电平相连，其值与输出端OUT的直流电压相同。每个单元开关203都有一个输出端OUT与对应的探测器相连，每个单元开关203的端被控制单元201分别控制。控制单元201通过改变端上的电平值，实现IN端与OUT端信号的连接和关断。当某个单元开关203被控制单元201选通时，与之相连的探测器将接收到IN端的本振信号，开始工作，而其它不工作的探测器与V端的固定电平相连，这样不易受到本振信号和旁路信号的串扰。

单元开关203采用的电路结构如图6所示，包含三个由PMOS和NMOS组成的开关S1、S2和S3，以及一个由PMOS和NMOS组成的反相器N。IN端与OUT端之间串联了两级开关S1和S2实现通断，当然也可以串联一级、三级或多级开关。当置为高电平时，MP1、MN1、MP2和MN2断开，MP3和MN3闭合，即开关S1和S2断开，开关S3闭合，IN与OUT断开，与V导通。当置为低电平时，开关S1和S2闭合，开关S3断开，IN与OUT导通，与V断开。此时的被选通的单元开关电路模型如图7所示。其中R_S1为开关S1和S2的导通电阻之和，CS1为开关S1和S2的等效对地寄生电容，R_S3为开关S3的导通电阻，C_S3为开关S3的对地电容；U为探测器所得到的信号电压；R_D和C_D分别为探测器的寄生电阻和寄生电容。通常电源U_i的内阻为50Ω，当U_i带宽f为500MHz、R_D为1MΩ、C_D为1pF时，那么探测器的等效阻抗主要由1/(2π·f·C_D)决定，R_D可忽略。设计的开关S3的导通电阻为50Ω时，C_S3小于0.1pF；开关S1和S2的导通电阻之和为200Ω时，C_S1小于0.2pF；U_i连接8个单元开关，因此对地寄生电容为8C_S1；由以上可知，当Ui频率f＝500MHz时，U_i的负载等效阻抗

R = 50 + {\frac{1}{2 π f \cdot 8 \cdot C_{s 1} \cdot j} | | [\frac{1}{2 π f \cdot (C_{s 3} + C_{D}) \cdot j} + R_{s 1}]},

那么电压

U = \frac{[\frac{1}{2 π f \cdot (C_{s 3} + C_{D}) \cdot j} \frac{1}{2 π f \cdot 8 \cdot C_{s 1} \cdot j}]}{[\frac{1}{2 π f \cdot (C_{s 3} + C_{D}) \cdot j} + \frac{1}{2 π f \cdot 8 \cdot C_{s 1} \cdot j} + R_{s 1}] \cdot R} \cdot U_{i} \approx 0.72 U_{i},

这也就是说，探测器得到的信号带宽>500MHz，因此这种开关可以具有较大的信号带宽。

Claims

1.一种用于阵列探测器的CMOS单刀多掷开关，其特征是，包含一个输入端口IN、一个直流电平端口V和多个输出端口OUT；其中，每个输出端口OUT连接一个单刀双掷开关的单端，单刀双掷开关的双端分别与输入端口IN、直流电平端口V相连；直流电平端口V的电压与输出端口OUT的直流电压相同。

2.如权利要求1所述的用于阵列探测器的CMOS单刀多掷开关，其特征是，所述单刀双掷开关是由PMOS或NMOS单独组成，或者由PMOS和NMOS共同组成；当由PMOS和NMOS共同组成时，单刀多掷开关包含三个由PMOS和NMOS组成的开关S1、S2和S3，以及一个由PMOS和NMOS组成的反相器N，输入端口IN与输出端口OUT之间串联了两级开关S1和S2实现通断，当控制端高电平时，控制端与反相器控制构成S1的两个CMOS管MP1、MN1和构成S2的两个CMOS管MP2、MN2断开；控制构成S3的两个CMOS管MP3和MN3闭合，即开关S1和S2断开，开关S3闭合，输入端口IN与输出端口OUT断开，输出端口OUT与直流电平端口V导通；当控制端置为低电平时，输入端口IN与输出端口OUT道通，输出端口OUT与直流电平端口V断开。

3.如权利要求1所述的用于阵列探测器的CMOS单刀多掷开关，其特征是，所述的单刀双掷开关输入端口IN与输出端口OUT之间的导通电阻为50-10K欧姆；直流电平端口V与输出端口OUT之间的导通电阻为1-10K欧姆。

4.如权利要求1所述的用于阵列探测器的CMOS单刀多掷开关，其特征是，与阵列探测器和控制单元组合应用：阵列探测器中的每个探测器的一端连接一个输出端口OUT，每个探测器的另一端连接直流电平端口V，控制单元连接单刀双掷开关控制端进行开关连接选择。

5.如权利要求1所述的用于阵列探测器的CMOS单刀多掷开关，其特征是，输入端口IN与输出端口OUT之间串联了两级开关S1和S2实现通断,两级开关可为单一开关、串联三级、串联多级开关中的任一种代替。