Схема коммутации НЧ сигналов на полевых транзисторах

10 января 2022

Коммутировать НЧ сигналы приходится довольно часто. Так, в самодельном трансивере при переходе на передачу нужно выключать звук в приемнике. А если это телеграфный трансивер, то нужно еще и управлять генератором тона 1 кГц. При этом трансивер не должен издавать каких-нибудь хлопков и других лишних звуков. Сегодня мы рассмотрим схему, которая неплохо решает подобные задачи.

Схема была подсмотрена в блоге британского радиолюбителя-конструктора Richard, G4TGJ. Я слегка подогнал ее под свои нужды, в результате чего получилось следующее:

Схема коммутации НЧ сигналов на полевых транзисторах 2N7000 / BS170

Фактически, это выключатель, управляемый напряжением. Когда МК подает высокое напряжение на ENABLE_CW_TONE, сигнал с воображаемого генератора тона проходит через схему и идет на воображаемый УНЧ. Когда управляющее напряжение низкое, путь сигналу закрыт. Схема двунаправленная, поэтому то, в каком именно направлении идет сигнал, значения не имеет.

Нам уже известно, что полевой транзистор можно рассматривать, как резистор, управляемый напряжением Vgs. Истоки транзисторов притянуты к земле через резистор R2. Его номинал выбирается достаточно большим, чтобы по нему не пошел аудио-сигнал. При подаче на затвор напряжения Vgs(th) транзисторы открываются и сигнал может идти между стоком и истоком в любом направлении. Сопротивление между стоком и истоком составляет Rds(on).

В схеме могут быть применены транзисторы 2N7000, BS170 или аналогичные. Главное, чтобы они открывались напряжением 3.3 В или 5 В, смотря что за МК вы используете, и имели низкое Rds(on). Согласно даташиту, в худшем случае 2N7000 имеет Rds(on) = 5 Ом. Типичное значение не сообщается, но на практике оно составляет около 3 Ом. Для BS170 заявлено типичное значение Rds(on) = 1.2 Ом. В этой схеме он должен работать получше. Впрочем, разницу между 2N7000 и BS170 вы вряд ли услышите.

Почему в схеме используется два транзистора? Все дело в паразитном диоде между истоком и стоком. Если бы в схеме был только один транзистор, сигнал достаточно высокого уровня (или с высокой постоянной составляющей) мог бы открыть этот диод и пройти через схему. Чтобы этого не случилось, использовано два транзистора, а их паразитные диоды повернуты катодами к входу и выходу схемы. Само собой разумеется, при некоторых условиях можно обойтись и одним транзистором.

Наконец, R1 и C1 нужны для плавного нарастания и спада управляющего напряжения на затворах. УНЧ может издавать хлопки, когда на его входе внезапно появляется сигнал. Благодаря R1 и C1, уровень сигнала плавно увеличивается при открытии схемы и плавно уменьшается при закрытии, тем самым решая названную проблему. Указанные номиналы были подобраны эмпирически. Они хорошо работают для типично используемых мной микроконтроллеров STM32 и какого-нибудь TDA2003 в качестве УНЧ. В оригинальной схеме параллельно R1 еще включен диод. В моих схемах он делает только хуже, и я отказался от его использования.

Схема без искажений пропускает НЧ сигналы с размахом до 2.6 В. При низком управляющем напряжении она имеет высокое сопротивление. Fluke 115 не может его измерить и показывает OL. А этот мультиметр способен измерять до 40 МОм. На частотах выше 1 МГц начинает страдать изоляция схемы в закрытом состоянии, а в открытом — появляются непонятные провалы на АЧХ. В общем, для ВЧ сигналов следует использовать другие схемы.

Дополнение: Схема нашла применение в трансивере HBR/CW.

Метки: , .