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高隔离度模拟开关及阻抗计量应用研究

李琛恭 周天地 杨雁 张书哲 滕召胜

李琛恭,周天地,杨雁,等. 高隔离度模拟开关及阻抗计量应用研究[J]. 计量科学与技术,2023, 67(4): 83-88, 36 doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0120
引用本文: 李琛恭,周天地,杨雁,等. 高隔离度模拟开关及阻抗计量应用研究[J]. 计量科学与技术,2023, 67(4): 83-88, 36 doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0120
LI Chengong, ZHOU Tiandi, YANG Yan, ZHANG Shuzhe, TENG Zhaosheng. Research on High Isolation Analog Switch and its Application in Impedance Metrology[J]. Metrology Science and Technology, 2023, 67(4): 83-88, 36. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0120
Citation: LI Chengong, ZHOU Tiandi, YANG Yan, ZHANG Shuzhe, TENG Zhaosheng. Research on High Isolation Analog Switch and its Application in Impedance Metrology[J]. Metrology Science and Technology, 2023, 67(4): 83-88, 36. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0120

高隔离度模拟开关及阻抗计量应用研究

doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0120
基金项目: 国家重点研发计划项目(2022YFF0605503);国家自然科学基金项目(51877202)。
详细信息
    作者简介:

    李琛恭(1994-),湖南大学在读研究生,研究方向:精密电磁测量,邮箱:cg.li@hnu.edu.cn

    通讯作者:

    杨雁(1978-),中国计量科学研究院副研究员,研究方向:阻抗标准、同轴电桥、精密电磁测量,邮箱:yangyan@nim.ac.com

  • 中图分类号: TB972

Research on High Isolation Analog Switch and its Application in Impedance Metrology

  • 摘要: 提出了一种高隔离度CMOS模拟开关电路设计,用于改善传统模拟开关隔离度有限,机械簧片开关切换时间长等缺点,并将高隔离度模拟开关应用于高精度数字采样阻抗电桥,解决电桥系统采样通道信号切换速度慢、信号泄漏影响矢量电压比率精度的难题。设计的模拟开关结构能够简化数字电桥系统,而且宽频范围内关断隔离度理论值、开关切换速度远优于传统模拟开关,在保证数字采样法阻抗高精度量值溯源前提下,提高阻抗校准速度,实用性强;采用的高精度双级电压跟随器电路用于减少模拟开关导通电阻对电桥桥路的影响。实验结果表明,提出的设计方案能够在1 kHz频率下使得数字采样阻抗电桥系统电压采集通道关断隔离度优于−140 dB,在100 Hz~100 kHz频率范围内实现快速、高精度的阻抗参量计量。
  • 图  1  CMOS模拟开关原理

    Figure  1.  Principle of CMOS analog switch

    图  2  模拟开关关断隔离度两端口测试原理图

    Figure  2.  Two-port test schematic for analog switch off-isolation

    图  3  T型模拟开关实际连接图

    Figure  3.  Actual connection diagram of T-type analog switch

    图  4  双T型模拟开关等效网络

    Figure  4.  Equivalent network of double-T analog switch

    图  5  双T型模拟开关实际设计

    Figure  5.  Practical design of double-T analog switch

    图  6  数字采样阻抗电桥原理图

    Figure  6.  Schematic of digital sampling impedance bridge

    图  7  双T型模拟开关仿真结果

    Figure  7.  Simulation results of double-T analog switch

    图  8  模拟开关小信号测试系统

    Figure  8.  Small signal test system of analog switch

    图  9  模拟开关通道隔离度测试系统实物图

    Figure  9.  Physical diagram of analog switch channel isolation test system

    图  10  同轴开关与模拟开关关断隔离度比较

    Figure  10.  Comparison of off-isolation between coaxial switch and analog switch

    表  1  T型与双T型模拟开关关断隔离度对比

    Table  1.   Comparison of off-isolation between T-type and double-T analog switches

    频率范围 关断隔离度/dB
    T型 双T型
    1 kHz 101.00 137.00
    10 kHz 101.00 149.00
    60 kHz 101.00 140.00
    140 kHz 101.00 142.00
    250 kHz 100.40 133.10
    500 kHz 99.99 128.60
    750 kHz 98.70 127.00
    1 MHz 98.40 130.00
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    表  2  四通道关断隔离度测试结果

    Table  2.   Test results of four-channel off-isolation

    测量通道 关断隔离度/dB
    HP-S HP-X LP-S LP-X
    1 kHz −140 −140 −150 −150
    2 kHz −139 −139 −146 −146
    10 kHz −137 −137 −136 −136
    50 kHz −133 −133 −133 −133
    100 kHz −128 −128 −131 −131
    500 kHz −124 −124 −126 −126
    1 MHz −115 −115 −117 −117
    下载: 导出CSV

    表  3  通道间隔离度测试结果

    Table  3.   Test results of inter-channel isolation

    测量通道 关断隔离度/dB
    HLP-S HLP-X
    1 kHz −155 −160
    2 kHz −150 −153
    10 kHz −144 −148
    50 kHz −143 −145
    100 kHz −141 −144
    500 kHz −124 −123
    1 MHz −114 −116
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-05-04
  • 录用日期:  2023-05-26
  • 修回日期:  2023-07-04
  • 网络出版日期:  2023-07-12
  • 刊出日期:  2023-04-18

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