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.