MOSFET audiospínač

V radioamatérské praxi se často setkáváme s potřebou efektivního managementu zvukových cest, zejména při přechodu mezi příjmem (RX) a vysíláním (TX). Jedním z nejnepříjemnějších doprovodných jevů při manipulaci s audiem v reálném čase jsou nežádoucí přechodové jevy, které se ve sluchátkách nebo reproduktoru projevují jako nepříjemné pukání, „lupnutí“. Mohou představovat i riziko pro sluch operátora.

Řešením tohoto problému je elektronický audiospínač s definovanými časovými konstanty, který zajistí okamžité odpojení signálu při vysílání a jeho postupné, plynulé připojení při návratu k příjmu. V následujícím článku podrobně rozebereme zapojení využívající cenově dostupné MOSFET tranzistory, které je navrženo právě pro tento účel.

Proč zvolit MOSFET namísto relé?

Tradičním způsobem přepínání audia v radioamatérských zařízeních bývalo mechanické relé. Přestože relé poskytuje vynikající izolaci v rozpojeném stavu a téměř nulový odpor v sepnutém stavu, má několik zásadních nevýhod. První je mechanické opotřebení a omezená rychlost spínání. Druhou, a pro audio kritičtější, je neschopnost ovlivnit náběhovou a doběhovou hranu spínaného signálu. Relé buď kontakt má, nebo nemá.

Elektronické spínače s polovodiči, konkrétně s MOSFETy, nám umožňují pracovat s tzv. elektromotory. časovými konstanty. Díky nim můžeme dosáhnout, aby se spínač otevřel (ztlumil audio) během mikrosekund, ale zavřel (obnovil audio) během milisekund. Tento asymetrický průběh je klíčem k odstranění akustických rázů.

Architektura obvodu a eliminace parazitních diod

Základem prezentovaného zapojení jsou dva N-kanálové MOSFET tranzistory typu 2N7000 (označené jako Q1 a Q2). Tyto tranzistory jsou vynikající volbou pro analogové spínání, neboť v sepnutém stavu vykazují nízký odpor a dokáží vést signál oběma směry bez ohledu na jeho polaritu, což je pro střídavý audio signál nezbytné.

Při návrhu polovodičového audio spínače však musíme brát v úvahu nedílnou součást struktury každého MOSFETu. parazitní diodu (body diode). Tato dioda je zapojena mezi substrátem a drainem. Pokud bychom použili pouze jeden tranzistor, tato dioda by začala vést elektrický proud v momentě, kdy by amplituda audio signálu překročila její prahové napětí (přibližně 0,6 V). To by znamenalo, že i ve stavu, kdy má být spínač vypnutý, by přes něj přecházely špičky hlasitějšího signálu, což by způsobovalo zkreslení a nedokonalé ztlumení.

Řešením, které využívá i tento obvod, je zapojení dvou MOSFETů sériově, zády k sobě (back-to-back). V takové konfiguraci jsou jejich parazitní diody zapojeny v protisměru. Bez ohledu na polaritu audio signálu bude vždy jedna z diod v závěrném směru, čímž se efektivně zablokuje průchod signálu v neaktivním stavu.

Princip činnosti a časové konstanty

Srdcem řídící části je rezistor R1 (100 kΩ), kondenzátor C1 (3,3 µF) a dioda D1 (1N4148). Celý proces je řízen signálem RX_5V, který je při příjmu na úrovni 5 V a při vysílání na úrovni země (GND).

Režim příjmu (RX) – Plynulý náběh

Když se zařízení přepne do režimu příjmu, na řídicí pin RX_5V se přivede napětí 5 V. Kondenzátor C1 se začne nabíjet přes rezistor R1. Pro tranzistor 2N7000 je typické, že se začne otevírat, když napětí na jeho bráně (gate) dosáhne přibližně 2 V vůči emitoru (source).

Čas, za který napětí na C1 dosáhne této hranice, můžeme vypočítat podle vzorce pro nabíjení RC členu. V tomto konkrétním případě trvá přibližně 168 milisekund, než napětí dosáhne 2 V a tranzistory se naplno sepnou. Tato relativně dlouhá doba zajistí, že audio se neobjeví okamžitě v plné síle, ale plynule se „vynoří“, čímž se eliminují jakékoli lupnutí po ukončení vysílání.

Režim vysílání (TX) – Okamžité ztlumení

V momentě přechodu do režimu vysílání se napětí na pině RX_5V změní na 0 V. V této situaci nastupuje dioda D1. Ta umožní kondenzátoru C1, aby se vybil téměř okamžitě směrem k zemi, objíždějící rezistor R1 s vysokým odporem. Napětí na branách Q1 a Q2 klesne pod prahovou hodnotu ve zlomku milisekundy, čímž se přijímač ztlumí dříve, než se stihne projevit jakýkoli přechodový jev z vysílače.

Analýza útlumu a impedanční přizpůsobení audiospínače

Z hlediska kvality přenosu je důležité, aby audiospínač v aktivním stavu signál neovlivňoval a v neaktivním jej dokonale izoloval.

V sepnutém stavu mají tranzistory 2N7000 celkový odpor v jednotkách ohmů. Při typické impedanci audio cesty (např. 10 kΩ) je vložný útlum tohoto spínače přibližně -0,02 dB, což je z hlediska lidského sluchu i měřicích přístrojů naprosto zanedbatelná hodnota. Rezistor R2 (10 kΩ) slouží k udržení sourceů tranzistorů na úrovni země, čímž definuje pracovní bod brány, ale jeho hodnota je dostatečně vysoká na to, aby nezpůsobovala nadměrné zatížení audio signálu.

V rozpojeném (OFF) stavu se projevuje parazitní kapacita tranzistorů. Při frekvenci 1 kHz dosahuje izolace obvodu vynikajících -80 dB. Při vysokých audio frekvencích kolem 20 kHz izolace mírně klesá k hodnotě přibližně -45 dB, což je však stále hluboko pod úrovní, která by byla rušivá při běžném provozu.

Závěr

Prezentovaný MOSFET audiospínač představuje elegantní, levné a vysoce účinné řešení starého problému s akustickými rázy při přepínání RX/TX. Díky kombinaci dvou tranzistorů 2N7000 a jednoduchého RC řízení získáváme nástroj, který chrání naše uši i techniku. Jedná se o malý detail, který ovšem zásadně zvyšuje profesionalitu a komfort každé amatérské rádiové stanice. 

Další využití je například při přepínání signálů z více radiostanic nebo mikrofonních vstupů.