Электронные коммутаторы (силовые и сигнальные)

[dortonyan]

В продолжение ветки Реле в сигнале решил выделить отдельную тему по всякого рода электронным коммутаторам.

Замоделил разные варианты коммутации аналогового ключа на россыпи для схемы "mute" на выходе ЦАПа. Попробовал как параллельное шунтирование через резистор в землю, так и последовательный разрыв цепи.
Оказалось, что у обоих вариантов есть свои недостатки:
При параллельном шунтировании из-за нелинейной емкости мосфетов сопротивление перед ключом приходится делать небольшое, из-за чего ослабление сигнала такого ключа получается небольшое и потенциально возможна перегрузка выхода ОУ низким сопротивлением такого шунта.
К тому же при такой коммутации спектр гармоник получается довольно широкий, с длинным шлейфом.
Последовательный коммутатор (на разрыв цепи) лишен таких недостатков, т.к. на его электродах в рабочем режиме падение напряжения практически нулевое и выход ОУ такой ключ не нагружает. Нелинейность такого коммутатора определяется нелинейностью сопротивления открытого канала колюча, а спектр гармоник (в симуляции) очень короткий (быстроспадающий).
Но линейность последовательного коммутатора зависит от соотношения сопротивления открытого ключа и сопротивления нагрузки. Для того чтобы обеспечить линейный режим при работе на нагрузку в 1к мосфеты для ключа следует выбирать с сопротивлением открытого канала порядка 50..100мОм, что в свою очередь означает повышенную проходную емкость, из-за которой, так же как и в случае с параллельным ключом, получается слабое ослабление сигнала на выходе.

В результате, для реализации высоколинейного коммутатора с высоким ослаблением пришел к структуре SPDT ключа:

В такой схеме используется сразу оба варианта коммутации (последовательный и параллельный) на мосфетах с разными хар-ками, которые дополняют друг друга.
Для последовательной коммутации использованы мосфеты с малым сопротивлением канала, которые обеспечивают высокую линейность на низкоомной нагрузке.
Для параллельной коммутации выбраны мосфеты с минимальными емкостями, для минимизации емкостной нагрузки на выход ОУ.
В рабочем режиме низкое сопротивление последовательного коммутатора минимизирует нелинейности благодаря низкому импедансу перед параллельным ключом. А в режиме выключения параллельный ключ шунтирует проходную емкость последовательного ключа, улучшая ослабление сигнала.
Можно видеть, что не смотря на подгонку входных емкостей ключей (С3), при переключении имеет место сквозной ток в несколько десятков мА. Для исключения "сквозняка" нужно усложнять схему, добавляя ф-ю "break-before-make". Либо управлять ключами от отдельных ИТ, задавая задержки алгоритмом управления в МК.

Ослабление в режиме mute

[свернуть]

Линейность в рабочем режиме на нагрузке 1к

[свернуть]

Для затравки, еще пример реализации электронных силовых ключей ("электронных реле") в схеме питания УНЧ:

[dortonyan]

Судя по симуляции именно нелинейность емкости дает некрасивый широкий спектр.

Попробовал другие модели ключа и оказалось, что широкий спектр нелинейности параллельного ключа давала хреновая модель 7002 с повышенными утечками при нулевом напряжении затвора.
Поменял модель и получил спектр примерно такой же, как на последовательном ключе.

В общем для себя подобрал мосфеты: si3932 для последовательного ключа и NX7002AKS,115 для параллельного.
Опробую коммутатор в очередном проекте ЦАП. Только со схемой управляемых ИТ пока не определился, но это уже дело техники.
Скорее всего управление последовательного и параллельного ключей будет от отдельных портов процессора. Так проще и надежнее обеспечить BBM.

[mart]

Попробовал другие модели ключа и оказалось, что широкий спектр нелинейности параллельного ключа давала хреновая модель 7002 с повышенными утечками при нулевом напряжении затвора.
Поменял модель и получил спектр примерно такой же, как на последовательном ключе.

В общем для себя подобрал мосфеты: si3932 для последовательного ключа и NX7002AKS,115 для параллельного.
Опробую коммутатор в очередном проекте ЦАП. Только со схемой управляемых ИТ пока не определился, но это уже дело техники.
Скорее всего управление последовательного и параллельного ключей будет от отдельных портов процессора. Так проще и надежнее обеспечить BBM.

Кстати, заметил в симе, чем больше рассогласованность пары, тем больше нелинейные искажения.

[Vlad Zhdanov]

Померил 2N7000 в схеме сдвоенного последовательного ключа.
Видимо модели в MK слишком оптимистичны. Вторая гармоника -100 дБ. развязка в off на 1 кгц -70 дБ.

Выход генератора 50 ом, 1 В RMS, нагрузка 10 к.

Более мощные транзисторы STN4NF20L. Вторая гармоника -120 дБ, развязка в off на 1 кгц -50 дБ.

[dortonyan]

Vlad Zhdanov, 7002 очень разные бывают. Какие конкретно у вас?
И выходной импеданс источника для последовательного ключа должен быть минимальный: включается прямо на выход ОУ. Иначе линейность будет хуже из-за нелинейности емкостей.
Поэтому я бы еще проверил линейность на частотах 10, 20кГц.

---------- Сообщение добавлено 21:51 ---------- Предыдущее сообщение было 20:54 ----------

Кстати, у аналога в ДШ на ADG5401 есть интересное решение для коммутации выхода с высокой линейностью.
Т.к. основной ключ охвачен ООС, то его линейность не имеет значения. А дополнительный ключ (коммутирующий ООС) не требует линейности, т.к. через него не течет ток.
Можно использовать любые более-менее низкоомные ключи с двух-полярным питанием:

Единственное что, ОУ обязательно должен быть включен повторителем, чтобы сигнал ООС не потреблял ток.

Подумал, можно ли то же самое сделать для инвертора. В результате сообразил схемы на двух и на трех SPDT ключах:

[Vlad Zhdanov]

2n7000 у меня два вида от ST и JCST. Меряются одинаково. Прогнал на Intelligent Curve Tracer вольт-амперные характеристики практически совпадают.
Отобрал по 2 пары с очень близкими ВАХ, ничего не дало, разница в 1-2 дб, практически на грани погрешности.
Попробовал ZVP3310 и BS170, разброс в +/- пару дб, что в принципе ожидаемо сопротивление канала в открытом состоянии у них примерно одинаковое.
Уменьшить сопротивление источника не могу, только 50 ом. (на выходе генератора стоит аттенюатор, он и определяет выходное сопротивление).
На 10 кГц., (генераторы Виктора у меня только на 1 и 10 и 11 кГц.)

Судя по тому что гармоники практически не изменились основной вклад в нелинейность дает сопротивление канала, а не емкости.

[Alex]

Т.к. основной ключ охвачен ООС, то его линейность не имеет значения.

Такие решения разумеется известны, и найдется много случаев гдеони могут исползоваться (и используются!).
Но в контекте той задачи, скторой все началсь ("как избавиться от мьютового реле на выходе ОУ"), оно по поняным причинам не пригодно.

P.S. Еще один вариант навскидку :

[dortonyan]

Vlad Zhdanov, спасибо за лабораторку!
А какое напряжение ЗИ использовалось?

Судя по тому что гармоники практически не изменились основной вклад в нелинейность дает сопротивление канала, а не емкости.

Да, это я попутал. Для последовательного включения емкость и не должна влиять. Это влияет на параллельном ключе.

Глянул ДШ на STN4NF20L. У него сопротивление ОК (открытого канала) больше ома. Т.е. не на много меньше того же ST-шного 7002. А линейность при этом сильно лучше.
Получается у высоковольтных мосфетов линейность ОК лучше?

---------- Сообщение добавлено 22:32 ---------- Предыдущее сообщение было 22:22 ----------

Такие решения разумеется известны, и найдется много случаев гдеони могут исползоваться (и используются!).
Но в контекте той задачи, скторой все началсь ("как избавиться от мьютового реле на выходе ОУ"), оно по поняным причинам не пригодно.

Имеется ввиду схема с повторителем?

Еще один вариант навскидку :

Только R15 лишний. И на выходе надо еще ключ для замыкания в землю, т.к. через резисторы ООС может прийти помеха.

Аналогичные варианты я тоже прикидывал:

Но есть опасение, что из-за паразитной емкости разомкнутого ключа получится нелинейная емкость в ООС.
Я это момент в своих схемах специально учитывал. Поэтому там больше ключей.

[Alex]

Имеется ввиду схема с повторителем?

Неважно.
Зависит от применения, но во многих случаях это реле нужно для мьюта выхода при переходном процессе, например при включении питания - когда ОУ еще "не в режиме" (т.е. его питание ниже порога и он толком как ОУ не работает).

Только R15 лишний.

Да, возможно.

И на выходе надо еще ключ для замыкания в землю, т.к. через резисторы ООС может прийти помеха.

С виртуальной землив неинв. каскаде?! Там весьма мало.

[dortonyan]

Неважно.
Зависит от применения, но во многих случаях это реле нужно для мьюта вызода приперехолном процессе, например при включении питания - когда ОУ еще "не в режиме" (т.е. его питание ниже порога и он толком как ОУ не работает).

Мне кажется что при переключении глитч на выходе получится небольшой. Это будет одиночный небольшой выброс длительностью десятки..сотни нс.

С виртуальной землив неинв. каскаде?! Там весьма мало.

Это пока ОУ в режиме. Глитч же и возникает когда ООС перестает работать.