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.

[Jekson]

Кто нибудь обмерял стандартные решения мьютирования на биполярах 2SC3326, 2SC2878 ? Может есть статьи с исследованиями, вроде как разработаны для этих целей. В базе мультисима не нашел.

[Vlad Zhdanov]

А какое напряжение ЗИ использовалось?

Точно не могу сказать, запитывал током по твоей схеме. Думаешь не открывал до конца канал?
Вечером соберу макет, промерю еще раз.

[dortonyan]

Точно не могу сказать, запитывал током по твоей схеме. Думаешь не открывал до конца канал?

Не, ну если по моей схеме, то по номиналам можно прикинуть. Точно не надо, примерно.
Для моей схемы ток ИТ порядка 0,18мА (0,55В/3к), что на 27к резисторе дает около 5В.

---------- Сообщение добавлено 17:07 ---------- Предыдущее сообщение было 16:50 ----------

Кто нибудь обмерял стандартные решения мьютирования на биполярах 2SC3326, 2SC2878 ? Может есть статьи с исследованиями, вроде как разработаны для этих целей. В базе мультисима не нашел.
Миниатюры

Судя по ДШ, это примерно то же самое что и ключ на паре 7002, только что один транзистор вместо пары. Но пара 7002 - это все равно один корпус.

[Vlad Zhdanov]

Не, ну если по моей схеме, то по номиналам можно прикинуть.

Не совсем, только идею.
Напряжение затвор-исток получилось 8 В. Общее сопротивление двух каналов примерно 8 ом.
Решил попробовать открыть транзисторы непосредственно подачей напряжения затвор-исток.
Подключил аккумулятор 12 В затвор-исток. Сопротивление каналов осталось прежним 8-9 ом, а вот гармоники ушли в пол..
Видимо в данной схеме присутствует модуляция сигналом - напряжения отпирания транзисторов.
Подключил параллельно R8 - 27 k (по схеме из первого поста), емкость 47 мкф и все стало очень хорошо, гармоники ниже порога измерения.


Гармоники с режектором на 1кгц -50дб, 2кгц -12дб, 3кгц -7дб. Вторая примерно -141 дб, третья -145 дб.


Теперь нужно придумать как улучшить развязку в режиме off. Сейчас получается -70 дб на 1кгц и -60 дб на 10кгц. Хотелось бы немного получше..

[Alex]

Решил попробовать открыть транзисторы непосредственно подачей напряжения затвор-исток.
Подключил аккумулятор 12 В затвор-исток. Сопротивление каналов осталось прежним 8-9 ом, а вот гармоники ушли в пол..

Я-же не просто так предлагал управлять мосфетами от фотовольтаического оптрона, как я сделал в защите УМ.

P.S. Почему резистор гейы-сорсы (R1) не увеличить на порядок? Тогда и С1 можно не 47мкф а поменьше, и не электролит с его утечкой.

[dortonyan]

Подключил аккумулятор 12 В затвор-исток. Сопротивление каналов осталось прежним 8-9 ом, а вот гармоники ушли в пол..
Видимо в данной схеме присутствует модуляция сигналом - напряжения отпирания транзисторов.

Семен Семеныч...
Все таки микрокап не так уж и врет. С источником тока тоже линейность должна быть хорошая.
Я так понял, это на ключах 7002?

Подключил параллельно R8 - 27 k (по схеме из первого поста), емкость 47 мкф и все стало очень хорошо, гармоники ниже порога измерения.

Так с батарейкой ничего не нужно: ни резистора, ни емкости.

Vlad Zhdanov, раз уж взялись за лабораторку, не могли бы нагрузить выход на низкоомную нагрузку: 0,5..1к?

[Vlad Zhdanov]

Я-же не просто так предлагал управлять мосфетами от фотовольтаического оптрона, как я сделал в защите УМ.

Очень хорошая идея!
Потому что в данном ключе сигнал управления напрямую лезет в сигнал. Поэтому требования к блоку питания в системе управления ключами будут очень высокими.
Источник тока немного выправляет ситуацию, но не координально.
P.S. Проверил, простой источник тока на jfet 2sk170 дает заметный прирост искажений, по сравнению с резистором 10 к.
Источник напряжения в макете у меня 12 В. аккумулятор поэтому практически ничего не добавляет в сигнал. Но сделать подобное в железе сильно усложнит схему.

Я так понял, это на ключах 7002?

В макете сейчас стоят 2n7000 от ST.

P.S. Почему резистор гейы-сорсы (R1) не увеличить на порядок? Тогда и С1 можно не 47мкф а поменьше, и не электролит с его утечкой.

Увеличение R1 практически не сказывается на номинале C1. А вот уменьшение нагрузки до 470 ом. требует увеличения емкости до 100 мкф и более, иначе наблюдается рост искажений на низких частотах.

раз уж взялись за лабораторку, не могли бы нагрузить выход на низкоомную нагрузку: 0,5..1к?

Проверил на нагрузке 470 ом. Появились потери, примерно 2 дб. Для схемы с конденсатором, искажения выросли примерно на 5 дб., на уровне 135 дб. Потери в режиме off около 100 дб на 1 кгц и 80 дб. на 10 кгц.

[dortonyan]

Потому что в данном ключе сигнал управления напрямую лезет в сигнал. Поэтому требования к блоку питания в системе управления ключами будут очень высокими.
Источник тока немного выправляет ситуацию, но не координально.
P.S. Проверил, простой источник тока на jfet 2sk170 дает заметный прирост искажений, по сравнению с резистором 10 к.

На J-фете выходной импеданс получается не особо больше резистора. Лучше попробуйте на паре биполяров, как в моей схеме.

Проверил на нагрузке 470 ом. Появились потери, примерно 2 дб. Для схемы с конденсатором, искажения выросли примерно на 5 дб., на уровне 135 дб. Потери в режиме off около 100 дб на 1 кгц и 80 дб. на 10 кгц.

Отлично!
Получается, что параллельный ключ не особо и нужен. Достаточно последовательного на мосфетах с малыми емкостями, типа 7002.

Решил проверить, почему в модели получается хуже. Т.к. я думал что дело в нелинейности открытого канала, а ваши опыты показывают - что в другом.
В итоге оказалось что одного ИТ не достаточно. На резисторе в затворе все равно присутствует какая-то модуляция.
Заменил резистор стабилитроном и сразу получилось красиво даже на низкоомной нагрузке:


---------- Сообщение добавлено 18:05 ---------- Предыдущее сообщение было 17:44 ----------

Судя по всему эффект модуляции с ИТ проявляется из-за тока через выходную емкость транзистора ИТ.
Если снизить сопротивление в затворе, то кратно снижается и модуляция. Но при использовании стабилитрона ток ИТ слишком малый сделать нельзя, т.к. растет импеданс стабилитрона. Придется "вливать" в выход источнику микроампер 500 тока.
Можно конечно и исключить ток в источник, добавив еще один ИТ из истоков в минус питания, но это уже получается громоздко. Тогда уже лучше вариант Алекса с фотовольтаическим оптроном.

[Alex]

А вот уменьшение нагрузки до 470 ом. требует увеличения емкости до 100 мкф и более, иначе наблюдается рост искажений на низких частотах.

В варианте с фотовольтаиками не прокатит - он будет долго заряжать такой кондер, там ток с гулькин нос.

[Vlad Zhdanov]

В варианте с фотовольтаиками не прокатит - он будет долго заряжать такой кондер, там ток с гулькин нос.

Для него конденсатор не нужен. Он как источник напряжения будет самодостаточен в этой схеме.

Заменил резистор стабилитроном и сразу получилось красиво даже на низкоомной нагрузке:

Тоже вариант. Либо стабилитрон, либо конденсатор параллельно резистору как у меня. Конденсатор лучше, там можно очень маленькие токи использовать.

В итоге намакетировал такой вариант.

Добавил биполярный транзистор для улучшения затухания в режиме off. В макете использовал 2n3904.
С ним получилось затухание в макете на 1кгц -100дб и 10кгц -80дб. Для нагрузки 10 ком.
Немного подросли гармоники, в пределах -135 дб на 1В RMS.
Для уровней сигнала -10дб гармоники уже не измеряются. Возможно нужно подобрать транзистор с меньшей емкостью.
Мне данная схема интересна как селектор входов, поэтому мне желательно что бы нагрузка находилась в пределах 10 ком.
Если нагрузка будет порядка 500 ом. то можно обойтись и без дополнительного ключа.

---------- Сообщение добавлено 19:51 ---------- Предыдущее сообщение было 19:43 ----------

На J-фете выходной импеданс получается не особо больше резистора. Лучше попробуйте на паре биполяров, как в моей схеме.

Там дело больше в выходной емкости, из за нее растут искажения. Высокий выходной импеданс источника тока больше нужен для развязки источника питания управления от сигнальной цепи .

[dortonyan]

Vlad Zhdanov, замоделил вариант с резистором вместо ИТ. Симулятор линейность показывает хорошую.
Единственное что для схемы выходного коммутатора такой вариант не годится, т.к. ключ должен быть нормально-закрытый. Т.е. по умолчанию, без управляющего сигнала - выключен.

Добавил биполярный транзистор для улучшения затухания в режиме off.

А в рабочем режиме нелинейности не добавит?
На отрицательной полуволне транзистор будет инжектировать ток в затворы. Нужен биполярный транзистор с запиранием отрицательным напряжением, как обсуждали выше.
Или еще один ключ на паре 7002.
И запирать надо отрицательным напряжением.

Там дело больше в выходной емкости, из за нее растут искажения.

Да, уже понял. Выше по это писал.

---------- Сообщение добавлено 22:34 ---------- Предыдущее сообщение было 20:11 ----------

Помоделил еще.
Действительно, с отрицательным смещением затвора ослабление получается заметно лучше (на три десятка дБ).
Сообразил такую схему: