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:

[Vlad Zhdanov]

А в рабочем режиме нелинейности не добавит?

В симуляторе добавляет 10 дб, на макете не видно, что -160 что -150 дб. как бы все равно.
Запирание биполярного транзистора от отрицательного напряжения, как бы тоже - выигрыш только в симуляторе.

Попробовал запирать полевой ключ отрицательным напряжением. Развязка в режиме off значительно улучшилась.
Стала -110дб на 1кгц, и -90дб на 10кгц. при нагрузке 10 ком.
Как бы получается что если управлять полевым ключом от биполярного источника то и дополнительного параллельного ключа не надо.

[dortonyan]

В симуляторе добавляет 10 дб, на макете не видно, что -160 что -150 дб. как бы все равно.
Запирание биполярного транзистора от отрицательного напряжения, как бы тоже - выигрыш только в симуляторе.

Я неправильно написал: проблема получается не в рабочем, а в закрытом режиме.
Если на входе сигнал достаточной амплитуды, то на отрицательной полуволне он через диод мосфета будет заряжать емкость в затворах, ухудшая ослабление сигнала.

Кстати, именно для селектора входов, если кол-во входов небольшое (2..4), можно использовать интегральные SPDT коммутаторы (типа LVC1G3157, с типовым однополярным питанием) по входу ОУ в инверсном включении:

[Vlad Zhdanov]

Кстати, именно для селектора входов, если кол-во входов небольшое (2..4), можно использовать интегральные SPDT коммутаторы (типа LVC1G3157, с типовым однополярным питанием) по входу ОУ в инверсном включении:

Спасибо за идею, но у меня сейчас задача придумать замену 4053, только с нормальными характеристиками. Нужно до ума один усилитель довести.

Тебе для мьют может подойти TLP172a. Я получил с Али, сегодня обмерил параметры. Не совсем уверен что оригинал Тошиба, но неплохо.
Открывается при токе 3 ма сопротивление 5,8 ом. при токе 5 ма - 5,5 ом и дальше практически не меняется. В открытом состоянии посмотрел гармоники при напряжении 1 В. RMS при нагрузке 10 ком и 470 ом. Ниже предела измерения. Но в режиме off развязка не очень: -75дб на 1кгц -55дб на 10кгц при нагрузке 10 ком. И -100дб на 1кгц -80дб на 10кгц при нагрузке 470 ом.

[dortonyan]

Vlad Zhdanov, да, я тоже про опто-реле думал. Но не был уверен, что линейность хорошая.
Еще раз - спасибо за лабораторку!
Конкретно у 172 развязка неважная скорее всего из-за высокой емкости мосфетов: Coff 130пФ.
Но есть и более кошерные варианты, типа TLP3431. Возможно что-то такое попробую.
Кстати, на вход есть вариант немного дешевле: TLP3341. Сопротивление повыше, но для входа не принципиально. Зато емкости минимальные.

P.S.
Нашел еще недорогой вариант с небольшими емкостями: TLP172AM.