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:

[Alex]

Интересная мысль, разные транзисторы поставить.
Я неделю назад подобное спаял, но все 7002 поставил, не понравилось на слух.

P.S. Только у меня оно стояло после первого 24 ом резистора (R5), т.е. те что на землю - были параллельно конденсатору С1. Ну и схема управления была - два тумблера.

[dortonyan]

Здесь дело не только в том, что транзисторы разные. Если сопротивление нагрузки не ниже 10к, то в последовательную цепь можно те же 7002 поставить. Даже если мериться будет хуже, на слух портить не должно.
По крайней мере в симуляторе спектр искажений последовательного ключа (нелинейности сопротивления) быстроспадающий.
Принципиально другое: что шунтирующий ключ включен сразу за последовательным, а последовательный - сразу на выходе ОУ. Таким образом шунтируется нелинейная емкость параллельного ключа.
Судя по симуляции именно нелинейность емкости дает некрасивый широкий спектр.
Для сравнения:
Послед-ный ключ 7002 на 1к нагрузку:

Послед-ный ключ 7002 на 10к нагрузку:

Параллельный ключ 7002:

[Alex]

Если сопротивление нагрузки не ниже 10к,

Я на 1-3к обычно нагружаю при проверказ, хотя в усилителях у меня именно 10.

[SemSem]

dortonyan, а из подобных TMUX722x ничего не подойдет ?....

[dortonyan]

Из интегральных ключей можно поискать, но с ходу ничего хорошего не видится.
У ключей с низким импедансом слишком большие емкости с открытого канала на питание (конкретно у tmux7222 - 110пик), грузить такой емкостью выход ОУ как-то не очень. В схеме на россыпи эта емкость 5..10 пик (емкость параллельного ключа).
А у интегральных ключей с малой емкостью соот-но будет высокий импеданс и скорее всего неважная линейность. У 7222, кстати, линейность тоже не очень.

А так-то попробовать конечно можно, что-то вроде ADG7421. На 10к нагрузке линейность у них хорошая и емкости небольшие. Питание правда всего +/-2,5В.
Но что будет если нагрузить хотя бы на килоом - вопрос.
Рассыпное решение выглядит надежнее, и не сильно сложнее.

[Павлунчик]

А в режиме выключения параллельный ключ шунтирует проходную емкость последовательного ключа, улучшая ослабление сигнала.

Далёкий 1984 год. Журнал Радио №1, стр. 39.
Собирал микрофонный ШИМ компрессор с прямой регулировкой, даже запись песни выкладывал на rmm форуме музыкантов. Выше 500 кГц работает неэффективно на ширпотребе CD4066. Как коммутатор - зависит от напряжения питания ключей и амплитуды. Действительно сверхмалые искажения передачи но постараться надо.

[Alex]

Действительно сверхмалые искажения передачи

Для 84 года?

[Павлунчик]

Для 84 года?

Я предупредил - "постараться надо". Собирать "идейные" схемы из Радио 84, как есть, дураком надо быть. Будем использовать эти идеи в более совершенных реализациях. А ключики, да, по другому не соединишь без неприятностей.

[Alex]

Я предупредил - "постараться надо".

А как именно надо с той схемой "постараться", чтобы получить, ну хотя бы 0.0001% ?

Будем использовать эти идеи в более совершенных реализациях.

Да помню я прекрасно этот цикл статей, кое-что тогда и в железе пробовал. Там типа ПЗС/ШИМ делали, и регулировали много чего частотой и скважностью.

[dortonyan]

А в режиме выключения параллельный ключ шунтирует проходную емкость последовательного ключа, улучшая ослабление сигнала.

Далёкий 1984 год. Журнал Радио №1, стр. 39.
Собирал микрофонный ШИМ компрессор с прямой регулировкой, даже запись песни выкладывал на rmm форуме музыкантов. Выше 500 кГц работает неэффективно на ширпотребе CD4066. Как коммутатор - зависит от напряжения питания ключей и амплитуды. Действительно сверхмалые искажения передачи но постараться надо.

Пытаюсь уловить связь между цитатой и постом, но не получается.
При чем здесь схема микрофонного компрессора?
Откуда в ней "сверхмалые" искажения?

Посмотрел график сопротивления для 4066.
Там на максимальном напряжении питания, на самом линейном участке кривой сопротивления, на сигнале амплитудой 2,5В разбег сопротивления открытого канала порядка 5 Ом. При работе на нагрузку хотя бы в 10к это означает искажения 0,05%. Какая тут к черту линейность?
И это только на постоянном токе (без учета нелинейных емкостей ключа). В звуковой полосе соот-но будет еще хуже.

Я предупредил - "постараться надо". Собирать "идейные" схемы из Радио 84, как есть, дураком надо быть. Будем использовать эти идеи в более совершенных реализациях. А ключики, да, по другому не соединишь без неприятностей.

Т.е. вы нам сообщили что бывают интегральные аналоговые ключи? Ну спасибо. А линейность-то как получить?
Не, я как минимум один из способов знаю - приделать плавающее питание. Но это в сто раз сложнее схемы из первого поста.

[Павлунчик]

В результате, для реализации высоколинейного коммутатора с высоким ослаблением пришел...

Назад за 1984 год. Где "используется сразу оба варианта коммутации (последовательный и параллельный)".
А реализация этой идеи совершенно отдельный вопрос.
Какие Вы выберите ключи и т.д. в зависимости от желаемых ТХ - здесь не принципиально.

[dortonyan]

Назад за 1984 год. Где "используется сразу оба варианта коммутации (последовательный и параллельный)".
А реализация этой идеи совершенно отдельный вопрос.

Павлунчик, я вас не пойму. Вы пытаетесь мне объяснить что аналоговый SPDT ключ был изобретен до моего рождения? Так я и без вас это знаю.
На авторство изобретения аналогового SPDT ключа не претендую. Схему набросал на скорую руку, никакой гениальности в ней нет.
У меня цель гораздо белее приземленная - построить коммутатор цепи "mute" без реле, но не уступающий по линейности.
И тему я создал не чтобы повыпендриваться, а для того чтобы поделиться своими наработками и привлечь внимание публики к данному вопросу и к электронным коммутаторам вообще.
Возможно кто-то знает более лучшее или более простое решение. Или предложит свои мысли по доработке/усовершенствованию схемы.

А реализация этой идеи совершенно отдельный вопрос.

Ну так эта ветка как раз и создана для обсуждения конкретных реализаций, а не для исторических очерков о том: кто что и когда изобрел.
Были бы готовые интегральные ключи с низкой линейностью - ничего бы не изобретал. Нечего мне больше делать.

[Alex]

Интегральные ключи тоже имеют право на использование, все зависит от того, куда их надо.
Например на саб у меня прекрасно работают TMUX6219, и никто еще не заметил разницы с теми двумя предыдущими версиями устройства, где в одной стояло реле, а в другой вообще ничего.
Но для мьют она не подойдет.

[dortonyan]

Не спорю, я же приводил пример выше с ADG7421, которые и в звуковой полосе неплохо работают.
Только что напряжение питания маловато и вход надо не сильно низкоомный.
Если найти аналогичные повысоковольтнее, то вполне сгодятся, например, для электронного коммутатора входов УНЧ.

[Alex]

Если найти аналогичные повысоковольтнее, то вполне сгодятся, например, для электронного коммутатора входов УНЧ.

Для систем среднего уровня есть решния гораздо проще и лучше.
Например Rohm BD 34701.
Хоть он и называется "7.1ch Sound Processor" - его вовсе не обязательно для 7.1 использовать, он и в стерео хорошо подходит - готовый коммутатор на 12 стерео-входов + РГ.
У меня есть на нем конструкция (не опубликованная пока), плюс он в одном из DIY вариантов преда WaVega2 Internal используется (но там он только как РГ).

[dortonyan]

Для систем среднего уровня есть решния гораздо проще и лучше.
Например Rohm BD 34701.

Ага, интересная микруха.
Так может и для мьюта есть какой-нить специализированный чип, или специальный ОУ?

[IVX]

да, конечно, всё это возможно отсимулировать, причём довольно таки реалистично, дортоньян, не бросайте это, продолжайте. Я так же, всего за день нашёл, как именно получить -150дб Н2/Н3 с мосфетным коммутатором, на 600ом импедансе. Правда в реале вышло пожиже, но я и бился с ним не так долго и с SE вариантом, дифференциальный был бы заведомо лучше.

[mart]

Я так же, всего за день нашёл, как именно получить -150дб Н2/Н3 с мосфетным коммутатором, на 600ом импедансе.

Покажите, пожалуйста, схему.

[Vlad Zhdanov]

Никитин несколько лет назад сваял дискретную замену для ключей 4066, ant4066. Провел рекламную компанию на форуме но схему так и не показал. Посмотрите поиском по форуму.

---------- Сообщение добавлено 20:23 ---------- Предыдущее сообщение было 20:11 ----------

Посмотрел график сопротивления для 4066.
Там на максимальном напряжении питания, на самом линейном участке кривой сопротивления, на сигнале амплитудой 2,5В разбег сопротивления открытого канала порядка 5 Ом. При работе на нагрузку хотя бы в 10к это означает искажения 0,05%. Какая тут к черту линейность?
И это только на постоянном токе (без учета нелинейных емкостей ключа). В звуковой полосе соот-но будет еще хуже.

Подбирал несколько лет назад для замены во входном коммутаторе усилителя замену для 4053. Промерил кучку разных брендов, результаты замеров ключей от Maxim, Philips, St. выкладываю:



Напряжение 1 V RMS. сопротивление нагрузки 10 ком.