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.

[Vlad Zhdanov]

Решил закрыть гештальт, измерил более низкоомные ключи из серии 4053. - NLAS4053 и 74VHC4053
Сопротивление ключа было порядка 15 и 30 ом соответственно. Питание использовал двухполярное, максимально возможное по даташиту (3/-3 и 6/-6 В.).
Остальные параметры стенда были те же что и раньше. сигнал 1 в RMS, выходное генератора 50 ом. входное ацп 10 ком.
NLAS4053

74VHC4053

Ожидал что будет меньше. Похоже что искажения больше зависят от схемы управления ключом и подавлением сигнала в схеме управления ключами.
То есть модуляция сигналом канала ключа гораздо сильнее сказывается на искажениях сигнала чем сопротивление канала ключа.
Например на более высоковольтных ключах с питанием 7.5/-7.5 В., но с большим сопротивлением канала, искажения получаются даже меньше.
HEF4053 PHILIPS


Видимо данные ключи, для получения минимальных искажений, нужно использовать только для коммутации токов, что бы исключить возможность модуляции канала ключа сигналом.
Хочу еще попробовать 74LVC1G3157, надо спаять переходник для нее, но скорее всего будет также как и с NLAS4053.

[dortonyan]

То есть модуляция сигналом канала ключа гораздо сильнее сказывается на искажениях сигнала чем сопротивление канала ключа.

Вообще зависит от нагрузки. Если нагрузить ом на 600, то скорее всего будет доминировать нелинейность канала.

Видимо данные ключи, для получения минимальных искажений, нужно использовать только для коммутации токов

Естественно.
Потому я и привел именно такую схему для 3157.

Хочу еще попробовать 74LVC1G3157

А смысл?
И так понятно, что линейность будет так себе. Даже если взять ключи с минимальной емкостью и относительно линейным каналом (типа TS5A9411).
Есть у аналога специальные ключи с линейным сопротивление канала: ADG5401 и ADG7421. Но это пока что экзотика.
И, кстати, у них замеренная линейность тоже хорошая.
Возможно они победили модуляцию импеданса канала. А возможно для интегральных ключей она все таки не имеет существенного значения, т.к. там ключ строится из пары параллельно включенных N и P мосфетов.
Соот-но на переменном напряжении сопротивление одного мосфета растет, а другого падает. Т.е. они таким образом взаимно компенсируют модуляцию открытого канала.

[Vlad Zhdanov]

Если нагрузить ом на 600, то скорее всего будет доминировать нелинейность канала.

Пробовал 600ом, все тоже самое, поэтому не стал приводить картинки.
Так же посмотрел что будет если запараллелить пару ключей.
Есть незначительное улучшение, но не глобально - 74VHC4053 два ключа параллельно.

Возможно они победили модуляцию импеданса канала. А возможно для интегральных ключей она все таки не имеет существенного значения, т.к. там ключ строится из пары параллельно включенных N и P мосфетов.

Не уверен, в даташите на HEF4053 PHILIPS(Nexperia) примерно так и нарисовано, два параллельных мосфет разной проводимости.
Возможно что у них стояла задача компенсировать модуляцию и без этого все было бы еще хуже.
Потому что в ключах от ST HCF4053 вторая гармоника ниже первой, возможно это как раз и есть результат компенсации.

---------- Сообщение добавлено 18:32 ---------- Предыдущее сообщение было 18:27 ----------

специальные ключи с линейным сопротивление канала: ADG5401

При напряжении питания +/- 18 В. и сопротивлении ключа 6 ом, это без вопросов будет намного лучше.

---------- Сообщение добавлено 24.06.2024 в 11:12 ---------- Предыдущее сообщение было 23.06.2024 в 18:32 ----------


Смакетировал твою схему из #42 с HEF4053 PHILIPS и HCF4053 ST, ОУ OPA134, картинки приводить не буду, гармоники на пределе порога измерения, ниже -135 дб. Ожидаемо, хороший рабочий вариант.